許良中，梁習鋒，劉堂紅，王中鋼

(中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

風沙對鐵路危害的主要形式有3 種：(1) 路基風蝕；(2) 沙埋路基；(3) 大風對鐵路上部建筑和客貨列車行車的危害[1-2]。國內(nèi)很多學者對風沙災害的特征以及防風固沙的措施進行了研究，研究的重點是以風沙流運動規(guī)律為基礎圍繞如何防風治沙這一關鍵性問題[3-5]，采取有效的工程措施如修建截沙溝、擋沙堤、防沙礫柵欄、高立式尼龍網(wǎng)柵欄等[6]，在鐵路防風治沙方面取得了很多顯著的成果。然而，在蘭新(蘭州—新疆烏魯木齊)線百里風區(qū)、南疆線前百里風區(qū)等大風鐵路路段，列車車窗玻璃在風沙流作用下被擊碎的情況幾乎年年發(fā)生，甚至出現(xiàn)整列列車迎風側車窗玻璃完全被擊碎的情況，嚴重危及乘客安全[7]。近些年，張克姝等[8]對高原列車車窗玻璃低壓問題進行了研究，并研制了一種自呼吸式的中空玻璃來解決這個問題；此外，王立闖[9]對磁懸浮列車側窗玻璃進行了風壓載荷疲勞試驗研究。這些研究都取得了很多成果，但都集中在壓力載荷對車窗玻璃的影響上，未對車窗玻璃所能承受的瞬態(tài)風壓及靜態(tài)壓差極限進行相關研究，對側窗玻璃所進行的相關試驗參考的標準為UIC566(《國際鐵路聯(lián)盟客車車體結構分析標準》)；在蘭新線等大風地區(qū)以及高海拔地區(qū)車窗所承受的疲勞載荷譜具有特殊的地域性，應該根據(jù)真實的疲勞載荷譜考核交變壓力對車窗玻璃的破壞能力。為此，本文作者針對這一特殊問題采用試驗手段，研究風沙二相流對車窗玻璃的破壞極限，分析車窗玻璃的破壞原因，以便為大風礫漠地貌下的安全行車指揮提供依據(jù)。列車車窗玻璃在風沙流作用下所受到的沖擊可劃分為以下幾個方面：瞬態(tài)風壓、靜態(tài)壓差、交變疲勞載荷、礫石沖擊等，試驗針對這幾個因素研究車窗玻璃所能承受的限值以及在風壓與礫石耦合作用下對車窗玻璃的破壞能力。試驗中所采用的玻璃樣本均為長×寬為1 212 mm×962 mm 的車窗玻璃，經(jīng)過湖南省玻璃陶瓷制品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心抽樣檢測，檢測結果表面應力為94～109 MPa，均符合相關標準。但由于每片鋼化玻璃之間的表面應力存在差異，為使得到的結果具有代表性，以下所有試驗均采取多次重復試驗取平均值的方法確定試驗結果。

1 風壓破壞能力試驗分析

1.1 瞬態(tài)風壓沖擊

為了研究這個問題，建立一套提供瞬態(tài)高氣壓沖擊載荷的空氣炮試驗裝置，通過不斷提高作用在車窗玻璃上的沖擊壓力直至玻璃破碎為止的方法測試玻璃承受瞬態(tài)強風壓沖擊能力。其試驗原理是通過空氣壓縮機對空氣炮進行高壓充氣，當空氣炮罐體內(nèi)到達一定壓力時，瞬間釋放罐體內(nèi)氣體，從而獲得一個很大的空氣壓力射流。由于射流在傳輸過程中存在損失，通過調(diào)整玻璃與空氣炮的距離控制空氣炮對玻璃的沖擊壓力。應用帶放大器的多通道采集集成系統(tǒng)，配合計算機實時采集壓力。

在玻璃迎風面安裝感壓片，測定不同沖擊工況下玻璃的表面壓力分布情況，以確定空氣壓力對玻璃的破壞程度。玻璃承受的最大瞬態(tài)沖擊壓力見表1，瞬態(tài)載荷圖譜見圖2。當車窗玻璃中心最大瞬態(tài)沖擊載荷從18.12 kPa 逐漸提升至69.38 kPa 時車窗玻璃仍然沒有被破壞。在實際工況下，蘭新線最大實測風速為60 m/s，與車速耦合后車窗實際所受到的最大風載荷為4.00 kPa 左右，可見瞬態(tài)風壓沖擊不具備直接破壞車窗玻璃的能力。

圖1 實測機車前窗風壓Fig.1 Wind pressure load on locomotive front window

圖2 中心點瞬態(tài)沖擊最大壓力Fig.2 Maximum transient pressure on center of window

表1 瞬態(tài)沖擊結果Table 1 Result of transient impact test

1.2 靜態(tài)耐壓極限

TB/T 3107—2011《(鐵道客車輛單元式組合車窗》)規(guī)定車窗抗風壓性能：變形壓力差p≥3.0 kPa，安全壓力差p≥3.5 kPa[10]。標準中對車窗玻璃所能承受的壓力差值上限并未進行規(guī)定，而在高原等低氣壓區(qū)雙層中空車窗玻璃內(nèi)外所承受的差壓遠遠大于標準中規(guī)定值[8,11]，因此，需得到車窗玻璃靜態(tài)耐壓極限值，以分析低氣壓區(qū)中空玻璃內(nèi)外壓差是不是玻璃破碎的原因。

為了確定玻璃在靜壓條件下的耐壓極限及不同靜載壓力下的玻璃中心撓度[12]，建立了靜態(tài)水壓試驗平臺。該平臺主要由密封裝置、水槽、加壓裝置、水壓和撓度采集系統(tǒng)等幾部分組成。采用與列車車窗相同的密封方案，以橡膠墊圈作為彈性緩沖結構，將車窗玻璃平放在水壓試驗臺上，將水密封在水槽內(nèi)，通過水力打壓設備，對密閉水域加壓，最終將壓力傳遞到玻璃面上。加壓過程以2 kPa 作為加載梯度，每個梯度加載的時間不小于1 min，可認為水槽內(nèi)的壓力為靜態(tài)載荷。

在玻璃上表面布置位移傳感器以測試玻璃的變形撓度。在水槽內(nèi)布置水壓傳感器測試水槽內(nèi)的水壓，圖3 所示為測試玻璃中心點撓度隨壓力變化曲線。由圖3 可見：當5 mm 厚單層玻璃破碎壓力為29.5 kPa，對應表面中心位置最大撓度31.2 mm 時，玻璃發(fā)生破碎；8 mm 厚單層玻璃在壓力為41.4 kPa，中心撓度為25.3 mm 時，發(fā)生破碎。該壓力(29.5 kPa)即為車窗玻璃的靜態(tài)耐壓極限。當車窗玻璃的內(nèi)外壓差達到這一值時，車窗玻璃就會發(fā)生破碎。

圖3 車窗玻璃中心撓度隨水壓變化曲線Fig.3 Relationship between pressure and deflection in center of glass

1.3 交變疲勞載荷

根據(jù)UIC566 疲勞載荷測試的規(guī)定，最大交變疲勞載荷為±2.5 kPa，且測試的目的是測試車窗框架整體的密封性及強度，對車窗玻璃疲勞強度的考慮較少。根據(jù)《新疆鐵路大風環(huán)境下列車空氣動力學及防風設施試驗研究報告》，機車玻璃表面壓力最大值為3～4 kPa[13]，根據(jù)這一試驗結果，考核交變疲勞載荷對車窗玻璃的破壞能力，應該將交變疲勞載荷設定為±4 kPa。

水壓疲勞試驗臺是在水壓試驗臺的基礎上，增加一套閥門壓力控制裝置改裝而來。利用真空泵改變水槽內(nèi)水的壓力，通過繼電器閥門來控制循環(huán)周期及玻璃受壓峰值，模擬5 mm 厚單片車窗玻璃在最惡劣環(huán)境下的疲勞工況：在±4 kPa 交變載荷下累計循環(huán)10萬個周期。疲勞試驗臺提供的水壓疲勞載荷為±4 kPa交變載荷，循環(huán)周期為2.45 s，水壓疲勞載荷圖譜如圖4所示。水壓疲勞試驗耗時較長，共完成了3片5 mm厚車窗玻璃的疲勞測試試驗，試驗的疲勞周期都在10萬次以上，試驗結果如表2 所示。隨機挑選3 塊車窗玻璃加載10 萬次疲勞載荷后均未破碎。

圖4 疲勞載荷圖譜Fig.4 Fatigue load spectrum

2 沙粒破壞能力試驗分析

試驗模擬實際工況下車窗玻璃受顆粒沖擊情況。沙石采用蘭新鐵路沿線采集的各粒徑等級的樣本，試驗工況包括單顆和多顆粒垂直沖擊以及傾斜沖擊等，研究無風壓載荷工況下各粒徑沙石破壞車窗玻璃所需具備的速度。主要試驗裝置為空氣炮沙粒沖擊試驗裝置，將粒石放入空氣炮噴嘴處，利用空氣炮釋放的高壓氣體對粒石進行加速。該裝置主要由空氣炮和粒石測速系統(tǒng)2 部分組成?？臻g粒石速度測量系統(tǒng)是基于機器視覺的專門為風沙災害問題研制的，用于分析風沙流中沙粒運動速度的高靈敏檢測裝置，實現(xiàn)對空間渡越的粒石速度和粒徑的實時測量。其基本原理是由偏振激光片光源發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射2 片扇形平行光幕，當空間粒石先后穿越這2 片平行光幕時，形成光反射，高靈敏度光傳感器接收到的光信號發(fā)生突變并轉換成電信號，通過并行AD 多通道采集將信號輸送至計算機，計算機再計算并記錄飛越粒石的速度及其粒徑。

2.1 單顆垂直擊打

玻璃在靜態(tài)條件下，從單顆沙粒入手，研究單顆沙粒垂直擊打車窗玻璃時沙粒的破壞速度，有利于明確單顆沙粒的破壞能力及玻璃的粒石抗沖擊能力。試驗玻璃為單片5 mm 厚車窗玻璃，沙粒對車窗玻璃的損壞程度按嚴重程度分為擦痕、碎點(圖5)、破碎(圖6)3 個等級；定義造成這3 種程度損傷沙粒所必須具備的速度分別為擦痕速度、碎點速度以及破碎速度。

圖5 碎點損傷圖Fig.5 Photos of broken point

圖6 5 mm 車窗玻璃破碎裂紋Fig.6 Crack of broken glass

表3 所示為每個粒徑等級單顆垂直擊打玻璃工況下沙粒擊碎玻璃速度。試驗未能測試出2 mm 以下粒徑等級的沙粒對車窗玻璃的擊碎速度。蘭新線實測最高風速為60 m/s，根據(jù)風沙兩相單顆粒運動模型[14]，在長時間加速情況下，沙粒會無限接近風速但不會超過風速的規(guī)律判斷，沙粒運動速度無法超越蘭新線實測的最高風速60 m/s，由此可以判斷：粒徑在1 mm以下的沙粒對車窗玻璃不具備破壞能力，5 mm 以下沙粒對車窗玻璃不具備直接破壞能力，但均存在對車窗玻璃造成碎點的能力；6 mm 以上沙粒在鐵路沿線各種地形地貌環(huán)境下，通過集沙儀集沙分析基本未發(fā)現(xiàn)。5～6 mm 粒徑沙?？梢灾苯訐羲檐嚧安Ａв挚梢栽谳^低速度下對車窗玻璃造成破碎，該范圍是最危險的粒徑范圍。將各個粒徑等級的碎點速度、破碎速度與平均粒徑之間進行擬合發(fā)現(xiàn)：碎點速度、破碎速度與平均粒徑之間存在冪函數(shù)關系，冪約為-0.72，見圖7。

表3 單顆垂直擊打試驗結果Table 3 Vertical impact results of single gravel m/s

圖7 垂直沖擊工況下碎點速度、破碎速度與粒徑關系Fig.7 Relationship between gravel size and broken velocity in vertical impact condition

2.2 單顆45°傾斜擊打

由于在實際工況中，粒石并不一定垂直擊打在玻璃表面，很有可能以一定角度沖擊玻璃[15-17]，因此，研究粒石以一定角度擊打玻璃對傾斜打擊的規(guī)律顯得很重要。考慮到傾斜45°沖擊車窗玻璃比較具有代表性，故選用此工況開展試驗。

依據(jù)多次打擊取平均值的試驗方法得到在傾斜45°的工況下各個粒徑等級在不同速度下對鋼化玻璃的破壞情況。表4 所示為單顆垂直擊打破碎平均速度，根據(jù)表數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合得到碎點速度、擊碎速度與平均粒徑之間的冪函數(shù)關系，如圖8 所示。從圖8 可見：在傾斜沖擊工況下，碎點速度和擊碎速度比垂直沖擊工況下都要大，根據(jù)擬合公式判斷碎點速度是垂直沖擊工況下的1.20 倍，擊碎速度是垂直沖擊工況下的1.12 倍。

表4 單顆傾斜45°擊打試驗結果Table 4 Single gravel impact results in 45° angle m/s

圖8 傾斜沖擊工況下碎點速度、擊碎速度與粒徑關系Fig.8 Correlation between gravel size and broken velocity in inclined impact condition

3 風沙耦合作用試驗分析

根據(jù)烏魯木齊鐵路局《新疆鐵路大風環(huán)境下列車空氣動力學及防風設施試驗研究報告》，大風環(huán)境下列車車體車窗位置處表面壓力最大測量結果為3～4 kPa，為了較真實地模擬玻璃受到4 kPa 風壓時沙粒的擊碎速度，特研制負壓倉裝置。將玻璃安裝在負壓倉上，利用真空泵抽走部分倉內(nèi)的空氣，使玻璃的受擊打面和背風面形成4 kPa 的穩(wěn)定壓差(內(nèi)部為負壓)，在這種條件下測試沙粒對玻璃的擊碎速度。通過調(diào)節(jié)設備倉內(nèi)的壓力將玻璃的內(nèi)壓壓差調(diào)至4 kPa，再用沙粒垂直打擊，得到的結果與玻璃未承受負壓工況的結果進行對比，研究風壓對沙粒擊碎玻璃速度的影響。試驗結果如表5 所示。擊碎速度比未加載-4 kPa 風壓載荷垂直沖擊工況試驗結果要小，根據(jù)試驗結果，3～5 mm粒徑等級的沙粒在60 m/s 之內(nèi)都具有直接擊碎車窗玻璃的可能；擊碎速度與粒徑呈冪函數(shù)關系，且冪為-0.71，與垂直沖擊工況以及傾斜沖擊工況規(guī)律一致，見圖9。從圖9 可見：在-4 kPa 工況下?lián)羲樗俣缺任醇虞d風壓工況下小6%～7%。

表5 負壓倉垂直擊打破碎速度Table 5 Results of vertical impact under negative capsule

圖9 各工況下沙粒擊碎速度對比Fig.9 Comparison of broken velocity under different conditions

4 結論

(1) 車窗外層5 mm 厚車窗玻璃單片靜態(tài)耐壓為29.5 kPa，在瞬態(tài)純空氣69.4 kPa 沖擊條件下，玻璃完好無損。根據(jù)《新疆鐵路大風環(huán)境下列車空氣動力學及防風設施試驗研究報告》，機車玻璃表面壓力最大值為3～4 kPa，客車車窗玻璃為1～2 kPa，遠遠小于瞬態(tài)沖擊與靜態(tài)水壓壓力，說明風沙環(huán)境下車窗玻璃破損受風壓的影響較小。

(2) 經(jīng)過10 萬次正負壓4 kPa 交變載荷疲勞試驗，玻璃并未發(fā)生破壞。

(3) 由負壓倉模擬玻璃在受到4 kPa 風壓時的玻璃破碎速度比垂直單顆擊打工況下的破碎速度小6%～7%，可見風壓對玻璃破碎的作用較小，主要破碎的原因在于風沙流中沙粒的擊打。

(4) 根據(jù)蘭新線實測的最高風速60 m/s 判斷，在純沙粒沖擊工況下，粒徑在1 mm 以下沙粒對車窗玻璃不具備破壞能力，粒徑在5 mm 以下沙粒對車窗玻璃不具備直接破壞能力，但均存在對車窗玻璃造成碎點的能力；沙粒粒徑為5～6 mm 是造成車窗玻璃破碎的最為危險的粒徑范圍。

(5) 傾斜45°單顆擊打的碎點速度和擊碎速度都比垂直單顆擊打工況下的要大，碎點速度約為垂直擊打工況下的1.2 倍，擊碎速度約為垂直擊打工況下的1.12 倍。

(6) 在各工況下，擊碎速度與平均粒徑之間存在冪函數(shù)關系，冪為-0.71～-0.72。

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