溫度對(duì)高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗抗風(fēng)壓載荷性能的影響

石琳 黃博文 苗維

（中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

0 引言

高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗作為列車(chē)重要的透明件組成部分，具有為列車(chē)提供觀察窗口、保溫隔熱、承重保護(hù)等多重功能。高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)在進(jìn)出隧道或會(huì)車(chē)時(shí)，列車(chē)周?chē)目諝鈺?huì)產(chǎn)生具有瞬態(tài)沖擊作用的交會(huì)壓力波[1-2]，即一種波形近似正弦的風(fēng)壓載荷，這種風(fēng)壓載荷主要作用于列車(chē)側(cè)窗，若其沖擊作用超過(guò)一定程度，會(huì)危及列車(chē)的行駛安全和乘客人身安全。

目前，多個(gè)國(guó)家要求對(duì)高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗進(jìn)行抗風(fēng)壓載荷測(cè)試，相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)包括世界鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC CODE 566:1990《Loadings of coach bodies and their components》[3]

和我國(guó)的鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3413-2015《鐵道客車(chē)及動(dòng)車(chē)組用安全玻璃》[4]、推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32059-2015《高速動(dòng)車(chē)組車(chē)窗、車(chē)門(mén)抗風(fēng)壓載荷疲勞試驗(yàn)方法》[5]等，這些標(biāo)準(zhǔn)涉及的檢測(cè)過(guò)程都在室溫下進(jìn)行，而我國(guó)地域跨度大，氣候環(huán)境差異大。現(xiàn)代高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)一般為夾層玻璃+空氣層+夾層玻璃/鋼化玻璃，其中涉及聚乙烯醇縮丁醛酯、聚硫膠、硅酮膠、丁基膠等多種溫度敏感成分，因此，研究環(huán)境溫度對(duì)高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗抗風(fēng)壓載荷性能的影響很有必要，國(guó)內(nèi)外尚未有相關(guān)研究報(bào)道。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試樣為高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)側(cè)窗，該側(cè)窗由中空玻璃、密封膠、鋁合金窗框及部分車(chē)體組成。側(cè)窗（含鋁合金窗框）尺寸為1592mm×922mm×60mm。

1.2 試驗(yàn)儀器

所用儀器設(shè)備包括機(jī)車(chē)側(cè)窗壓力疲勞試驗(yàn)機(jī)、CYB17-400B壓力變送器、GDW-5000 高低溫試驗(yàn)箱、BE120-CA電阻應(yīng)變計(jì)、LMS SCM05動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、露點(diǎn)儀、人工淋雨裝置等。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 應(yīng)變測(cè)量位置

在試驗(yàn)件設(shè)定位置粘貼直角三向應(yīng)變花，測(cè)量點(diǎn)位置如圖1所示。1a-4a為應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)，1a在玻璃幾何中心，2a在玻璃上側(cè)長(zhǎng)邊中部，3a在玻璃下側(cè)角點(diǎn)，4a在鋁合金窗框下側(cè)中部。

圖1 應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

1.3.2 安裝試驗(yàn)件

將已粘貼好應(yīng)變花的試驗(yàn)件安裝在機(jī)車(chē)側(cè)窗壓力疲勞試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)件室外側(cè)朝向試驗(yàn)機(jī)，將動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器相連，拍攝試驗(yàn)件安裝后的照片（圖2）。安裝高低溫試驗(yàn)箱，使試驗(yàn)件的玻璃和窗框均處于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)部，試驗(yàn)件室內(nèi)側(cè)朝向試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)件安裝照片

圖3 高低溫試驗(yàn)箱安裝照片

1.3.3 抗風(fēng)壓載荷試驗(yàn)

分別設(shè)定高低溫試驗(yàn)箱溫度至-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃，保溫24h，測(cè)試每個(gè)試驗(yàn)溫度下高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗在風(fēng)壓載荷作用下的應(yīng)變。啟動(dòng)機(jī)車(chē)側(cè)窗壓力疲勞試驗(yàn)機(jī)控制軟件，設(shè)置載荷頻率為1.5Hz，依次啟動(dòng)正壓風(fēng)機(jī)、負(fù)壓風(fēng)機(jī)、伺服電機(jī)，調(diào)節(jié)管道開(kāi)關(guān)及微調(diào)開(kāi)關(guān)，使正弦形風(fēng)壓載荷最大幅值分別達(dá)到±4500Pa和±6000Pa。

1.3.4 密封性試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中，按照UIC CODE 566：1990標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法，從試驗(yàn)件室外側(cè)進(jìn)行人工淋雨，觀察試驗(yàn)件室內(nèi)側(cè)是否有水滲漏。試驗(yàn)結(jié)束后，按照GB 18045-2000[6]中規(guī)定的試驗(yàn)方法，對(duì)試驗(yàn)件的中空玻璃進(jìn)行露點(diǎn)測(cè)試，觀察中空玻璃在-60℃是否出現(xiàn)結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 風(fēng)壓載荷

在測(cè)試過(guò)程中，風(fēng)壓載荷曲線如圖4所示。由圖可知，風(fēng)壓載荷和設(shè)定頻率與設(shè)定值偏差很小，變化范圍符合測(cè)試要求。

圖4 實(shí)際風(fēng)壓載荷曲線

2.2 應(yīng)力計(jì)算

測(cè)量試驗(yàn)件在不同溫度、不同風(fēng)壓載荷下各測(cè)量點(diǎn)在0°、45°、90°三個(gè)方向上的應(yīng)變值，通過(guò)公式（1）計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)相應(yīng)的最大主應(yīng)變值，再通過(guò)公式（2）計(jì)算最大主應(yīng)力值。計(jì)算過(guò)程中，采用玻璃彈性模量為0.72×105MPa，鋁合金的彈性模量為0.72×105MPa。

式中：εmax—最大主應(yīng)變；

ε0°—水平方向的應(yīng)變；

ε90°—豎直方向的應(yīng)變；

ε45°—45°方向的應(yīng)變。

式中：σmax—最大主應(yīng)力；

E—彈性模量；

εmax—最大主應(yīng)變。

2.3 溫度對(duì)應(yīng)力的影響

在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃溫度下，各測(cè)量點(diǎn)在風(fēng)壓載荷±4500Pa和±6000Pa時(shí)的最大主應(yīng)力如圖5所示。總體而言，±6000Pa風(fēng)壓載荷作用下試驗(yàn)件產(chǎn)生的應(yīng)力大于±4500Pa風(fēng)壓載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力。1a測(cè)量點(diǎn)的最大主應(yīng)力隨溫度變化不大；2a測(cè)量點(diǎn)的最大主應(yīng)力隨溫度升高而略有增加；3a測(cè)量點(diǎn)的最大主應(yīng)力在0℃以下時(shí)隨溫度降低而大幅增加，在0℃以上時(shí)隨溫度變化不大；4a測(cè)量點(diǎn)的最大主應(yīng)力在20℃以下時(shí)基本隨溫度升高而增加，在40℃時(shí)有所下降。

圖5表明，溫度對(duì)高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗玻璃的應(yīng)力分布具有一定影響：低溫下最大主應(yīng)力出現(xiàn)在高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗玻璃的角點(diǎn)位置；高溫下最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移至側(cè)窗玻璃的長(zhǎng)邊中部位置。邊界約束方式是影響高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗應(yīng)力分布的重要因素[7]，在-50℃低溫時(shí)，窗框與玻璃之間的密封膠出現(xiàn)部分結(jié)晶發(fā)硬[8]，拉伸強(qiáng)度和模量增大，角點(diǎn)拉扯作用較強(qiáng)，應(yīng)力較大；在40℃高溫時(shí)，密封膠變軟，彈性力學(xué)特性增強(qiáng)，最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移至側(cè)窗玻璃的長(zhǎng)邊中部位置，同時(shí)，高溫下軟化的密封膠的緩沖作用增強(qiáng)，導(dǎo)致鋁合金窗框的最大主應(yīng)力在40℃高溫時(shí)較20℃有所下降。

圖5 各測(cè)量點(diǎn)最大主應(yīng)力

試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)得高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗玻璃和鋁合金窗框的最大主應(yīng)力均小于相應(yīng)材料的破壞強(qiáng)度，未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，說(shuō)明現(xiàn)有側(cè)窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠承受風(fēng)壓載荷作用而保持結(jié)構(gòu)完好。

2.4 密封性

在人工淋雨試驗(yàn)中，噴淋水未進(jìn)入試驗(yàn)件室內(nèi)側(cè)，無(wú)漏雨現(xiàn)象，說(shuō)明高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗的水密性良好。在露點(diǎn)試驗(yàn)中，試驗(yàn)件在-60℃時(shí)未出現(xiàn)結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象，說(shuō)明高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗中空玻璃密封膠的密封性能良好。

3 結(jié)論

1）溫度對(duì)高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗在風(fēng)壓載荷作用下的應(yīng)力分布具有一定影響，-50℃低溫下高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗玻璃的角點(diǎn)位置應(yīng)力最大，40℃高溫下側(cè)窗玻璃的長(zhǎng)邊中部位置應(yīng)力最大。

2）高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗的密封材料選用合理，在承受風(fēng)壓載荷作用時(shí)，水密性和露點(diǎn)性能均良好。

3）高速動(dòng)車(chē)組側(cè)窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在-50℃～40℃溫度范圍內(nèi)能夠承受±6000Pa風(fēng)壓載荷作用，保持結(jié)構(gòu)完好。