城際動車組側(cè)窗壽命加速評估方法研究

王 銳，李俊卿，周 健，崔海霞，張 金，高登科

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130022）

1 引言

城際動車組側(cè)窗的結(jié)構(gòu)壽命由側(cè)窗的粘接膠壽命和側(cè)窗整體結(jié)構(gòu)耐久壽命組成。隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車周圍空氣壓力變化對列車的作用力也明顯增強(qiáng)。當(dāng)列車運(yùn)行達(dá)到一定里程進(jìn)行檢修時，發(fā)現(xiàn)側(cè)窗外側(cè)粘接膠水層出現(xiàn)不同程度的損傷，如形變、起泡等現(xiàn)象。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研及現(xiàn)場失效產(chǎn)品分析，可以看出高溫環(huán)境會對膠粘劑產(chǎn)生物理的熔融和化學(xué)的熱分解，尤其是有氧氣存在時將同時發(fā)生氧化裂解，大幅降低膠粘劑的粘接性能。同時，當(dāng)列車交匯和進(jìn)出隧道口時，周圍的空氣壓力產(chǎn)生急劇變化，形成列車交會壓力波。動車組側(cè)窗可能由于壓力沖擊而破壞，嚴(yán)重時可能沖壞側(cè)窗玻璃及空調(diào)進(jìn)排風(fēng)口閥門。此外，在列車車廂氣密性不良的情況下，壓力波傳入車內(nèi)使車內(nèi)人員耳朵感到不適，乘坐舒適性降低。因此，有必要分別針對膠粘劑高溫耐久性能及側(cè)窗結(jié)構(gòu)耐風(fēng)壓疲勞性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而全面評估側(cè)窗的整體壽命。

2 城際動車組側(cè)窗結(jié)構(gòu)壽命研究

2.1 膠粘劑高溫耐久性能研究

2.1.1 試驗對象

動車組側(cè)窗主要由車體側(cè)圍、窗框和玻璃構(gòu)成，如圖 1 所示，本次研究的對象主要為玻璃與窗框部分的粘接。

本次試驗樣品為動車組側(cè)窗（新側(cè)窗3件、五級修側(cè)窗3件）和Sikaflex-265密封粘接膠，粘接膠抗拉強(qiáng)度6 MPa，剪切強(qiáng)度4.5 MPa（4 mm厚），彈性模量2.7 MPa，工作溫度-40～90 ℃，短期120 ℃。根據(jù)GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》標(biāo)準(zhǔn)制成啞鈴狀試樣（1類型），如圖2所示，在實驗室標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下進(jìn)行放置以備試驗。

2.1.2 試驗條件

密封膠屬于長壽命產(chǎn)品，正常應(yīng)力條件下，短時間內(nèi)無法獲取產(chǎn)品壽命信息，因此采用加速壽命試驗來預(yù)測正常應(yīng)力水平下的壽命特征。根據(jù)試驗測試，密封膠在90 ℃、100 ℃時性能退化較慢，超過120 ℃后，性能退化急劇加速。為提升試驗效率，縮短測試時間，本次試驗密封膠溫度應(yīng)力等級選擇為110 ℃，測試時間為 1 140 h。

2.1.3 結(jié)果分析

高分子材料的高溫老化過程屬于化學(xué)反應(yīng)過程，根據(jù)工程經(jīng)驗，在一定溫度范圍內(nèi)，材料的性能變化速度常數(shù)M與老化溫度T的關(guān)系服從阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程，即：

式（1）中，T為絕對溫度，K；E為活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，J/（K · mol）；Z為常數(shù)。

根據(jù)不同溫度下M值的變化，可擬合獲得E/R值。而加速因子W的計算則如下所示：

式（2）中，M1為110℃下的性能變化速度常數(shù)；M0為常溫（25℃）下的性能變化速度常數(shù)；T0為常溫（25℃）下絕對溫度；T1為110℃下絕對溫度。根據(jù)前期數(shù)據(jù)積累及文獻(xiàn)資料調(diào)研可知活化能E/R取值為8 372.6，可得110℃高溫下，相對于常溫（25℃）貯存的加速因子W為510。

由于試驗樣品在110℃高溫下640 h后拉伸強(qiáng)度依然達(dá)到5.02 MPa（圖3），滿足產(chǎn)品對于拉伸強(qiáng)度大于4.5 MPa的要求（聚氨酯膠Sikaflex-265產(chǎn)品規(guī)格書規(guī)定），說明此時產(chǎn)品仍未失效。結(jié)合加速因子，可初步推斷出該動車組密封粘接膠粘劑的壽命至少滿足510×640 = 326 400 h，即37年，遠(yuǎn)大于30年的壽命要求（城際動車組整車設(shè)計壽命）。

2.2 側(cè)窗結(jié)構(gòu)耐風(fēng)壓疲勞壽命分析

2.2.1 試驗裝置

為滿足側(cè)窗耐風(fēng)壓疲勞試驗的要求，研究開發(fā)了由工控電腦、側(cè)窗密封裝置、氣動閥門、單向閥門、流量控制閥門、羅茨電機(jī)、時間控制裝置、壓力反饋裝置等組成的耐風(fēng)壓疲勞測試系統(tǒng)，如圖4所示。由工控電腦、顯示器及控制柜組成控制系統(tǒng)，氣路氣源采用羅茨電機(jī)，風(fēng)機(jī)出口經(jīng)流量控制閥門、氣動閥門與側(cè)窗密封裝置連接，壓力反饋裝置中測量部件安裝于側(cè)窗密封裝置，通過壓力反饋裝置控制羅茨電機(jī)及風(fēng)機(jī)出口閥門，檢測裝置如圖5所示。

該裝置通過控制羅茨電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制進(jìn)出口流量從而達(dá)到控制密封裝置的壓力；通過放置于密封裝置內(nèi)的壓力測量部件實時監(jiān)測及反饋實際壓力與電機(jī)出口壓力的偏差，調(diào)節(jié)電機(jī)進(jìn)出口流量修正密封空間內(nèi)壓力；通過時間控制裝置監(jiān)測密封空間一定時間內(nèi)壓力變化值，從而判定密封性能是否達(dá)到要求。列車側(cè)窗受到的壓力變化通過控制充氣或抽氣過程中氣體流量來實現(xiàn)，測試箱壓力值Pi：

式（3）中，P1為密封空間壓力；V1為密封空間體積；Q（t）為一定時間內(nèi)充氣或抽氣過程中的氣體流量體積。

2.2.2 試驗過程

將試驗側(cè)窗安裝在耐風(fēng)壓疲勞測試系統(tǒng)上進(jìn)行氣密載荷壓力為±8 000 Pa（整車氣密強(qiáng)度要求為±6 000 Pa，試驗時提升至±8 000 Pa）的氣密性試驗，總試驗載荷次數(shù)為200 000次。試驗后，整車氣密性從4 000 Pa變化到1 000 Pa的時間大于50 s（標(biāo)準(zhǔn)為40 s），側(cè)窗內(nèi)側(cè)表面無可見水滴， 可見，動車組側(cè)窗新品及五級修側(cè)窗樣品經(jīng)歷200 000次±8 000 Pa壓力的耐風(fēng)壓疲勞測試后氣密封性和水密封性良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，說明此時側(cè)窗仍可正常工作。

側(cè)窗耐風(fēng)壓疲勞壓力曲線如圖6所示。從曲線中可以看出，施加的正負(fù)風(fēng)壓較為平順，壓力分布均勻，滿足試驗穩(wěn)定性要求。

2.2.3 側(cè)窗等效里程

本次側(cè)窗老化壽命試驗為氣壓交變耐久試驗，模擬列車交匯時對側(cè)窗本體產(chǎn)生的氣壓載荷，采用增加風(fēng)壓的方法進(jìn)行加速壽命測試。為評估城際動車組側(cè)窗的實際運(yùn)行里程壽命，用壓力交變耐久試驗總次數(shù)除以每公里交匯次數(shù)（2輛列車1條路線中的每公里交匯次數(shù)）估算等效行駛里程。

以京滬高速鐵路線為例，全長1 318 km，運(yùn)營速度350 km/h，每天行駛42個車次，最早班次每天6 : 36發(fā)出，最晚班次每天21 : 21發(fā)出，發(fā)車總時長為885 min，平均發(fā)車間隔21.07 min，以每輛列車全程平均300 km/h速度計算2輛列車交匯次數(shù)=（1 318÷300×60）÷21.07=12.5次，再加上列車全路段每次進(jìn)出隧道交匯次數(shù)42次，得出京滬高速鐵路列車每公里交匯次數(shù)為（12.5 + 42）÷1 318 = 0.041 35次。

在樣本量不夠充足的條件下，擬采用類似振動疲勞損傷加速因子A計算方式：

式（4）中，Pt為加速風(fēng)壓壓力；Ps為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓壓力；n為常數(shù)，通常取值為2～9，為保守估計，本次取n值為2。得出6 000 Pa標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓下加速因子A為1.78，從而得出側(cè)窗等效里程結(jié)果如表1所示。

表1 側(cè)窗等效里程結(jié)果

3 研究結(jié)論

（1）密封粘接膠在加速老化的過程中發(fā)生拉伸強(qiáng)度退化現(xiàn)象，經(jīng)評估計算，密封粘接膠在常溫下的使用壽命為37年。

（2）試驗側(cè)窗本體在±8 000 Pa風(fēng)壓下，經(jīng)200 000次試驗后，其氣密封性和水密封性依然滿足使用要求。

（3）通過對典型線路的評估計算可知，側(cè)窗的運(yùn)行里程壽命大于1 204萬km。

4 結(jié)語

本文通過模擬城際動車組在行駛過程中側(cè)窗交變壓力的變化，對側(cè)窗整體壽命驗證進(jìn)行試驗設(shè)計，并對側(cè)窗粘接膠的剪切壽命進(jìn)行評估計算，最終得到城際動車組側(cè)窗的結(jié)構(gòu)壽命信息。研究結(jié)論一方面可為老產(chǎn)品繼續(xù)使用、局部維修還是退出現(xiàn)役的決策提供數(shù)據(jù)支撐；另一方面也可為新產(chǎn)品維修周期的制定提供依據(jù)。