石琳 黃博文 苗維

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

0 引言

高速動車組側(cè)窗作為列車重要的透明件組成部分，具有為列車提供觀察窗口、保溫隔熱、承重保護等多重功能。高速動車組列車在進出隧道或會車時，列車周圍的空氣會產(chǎn)生具有瞬態(tài)沖擊作用的交會壓力波[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側(cè)窗，若其沖擊作用超過一定程度，會危及列車的行駛安全和乘客人身安全。

目前，多個國家要求對高速動車組側(cè)窗進行抗風(fēng)壓載荷測試，相關(guān)檢測標準包括世界鐵路聯(lián)盟標準UIC CODE 566:1990《Loadings of coach bodies and their components》[3]

和我國的鐵道行業(yè)標準TB/T 3413-2015《鐵道客車及動車組用安全玻璃》[4]、推薦性國家標準GB/T 32059-2015《高速動車組車窗、車門抗風(fēng)壓載荷疲勞試驗方法》[5]等，這些標準涉及的檢測過程都在室溫下進行，而我國地域跨度大，氣候環(huán)境差異大?，F(xiàn)代高速動車組側(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)境溫度對高速動車組側(cè)窗抗風(fēng)壓載荷性能的影響很有必要，國內(nèi)外尚未有相關(guān)研究報道。

1 試驗

1.1 試驗樣品

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

1.2 試驗儀器

所用儀器設(shè)備包括機車側(cè)窗壓力疲勞試驗機、CYB17-400B壓力變送器、GDW-5000 高低溫試驗箱、BE120-CA電阻應(yīng)變計、LMS SCM05動態(tài)信號分析儀、露點儀、人工淋雨裝置等。

1.3 試驗過程

1.3.1 應(yīng)變測量位置

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

圖1 應(yīng)變測量點位置示意圖

1.3.2 安裝試驗件

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

圖2 試驗件安裝照片

圖3 高低溫試驗箱安裝照片

1.3.3 抗風(fēng)壓載荷試驗

分別設(shè)定高低溫試驗箱溫度至-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃，保溫24h，測試每個試驗溫度下高速動車組側(cè)窗在風(fēng)壓載荷作用下的應(yīng)變。啟動機車側(cè)窗壓力疲勞試驗機控制軟件，設(shè)置載荷頻率為1.5Hz，依次啟動正壓風(fēng)機、負壓風(fēng)機、伺服電機，調(diào)節(jié)管道開關(guān)及微調(diào)開關(guān)，使正弦形風(fēng)壓載荷最大幅值分別達到±4500Pa和±6000Pa。

1.3.4 密封性試驗

試驗過程中，按照UIC CODE 566：1990標準中規(guī)定的試驗方法，從試驗件室外側(cè)進行人工淋雨，觀察試驗件室內(nèi)側(cè)是否有水滲漏。試驗結(jié)束后，按照GB 18045-2000[6]中規(guī)定的試驗方法，對試驗件的中空玻璃進行露點測試，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

在測試過程中，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，變化范圍符合測試要求。

圖4 實際風(fēng)壓載荷曲線

2.2 應(yīng)力計算

測量試驗件在不同溫度、不同風(fēng)壓載荷下各測量點在0°、45°、90°三個方向上的應(yīng)變值，通過公式（1）計算各測量點相應(yīng)的最大主應(yīng)變值，再通過公式（2）計算最大主應(yīng)力值。計算過程中，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 溫度對應(yīng)力的影響

在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃溫度下，各測量點在風(fēng)壓載荷±4500Pa和±6000Pa時的最大主應(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測量點的最大主應(yīng)力隨溫度變化不大；2a測量點的最大主應(yīng)力隨溫度升高而略有增加；3a測量點的最大主應(yīng)力在0℃以下時隨溫度降低而大幅增加，在0℃以上時隨溫度變化不大；4a測量點的最大主應(yīng)力在20℃以下時基本隨溫度升高而增加，在40℃時有所下降。

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

圖5 各測量點最大主應(yīng)力

試驗過程中，測得高速動車組側(cè)窗玻璃和鋁合金窗框的最大主應(yīng)力均小于相應(yīng)材料的破壞強度，未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，說明現(xiàn)有側(cè)窗結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，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

在人工淋雨試驗中，噴淋水未進入試驗件室內(nèi)側(cè)，無漏雨現(xiàn)象，說明高速動車組側(cè)窗的水密性良好。在露點試驗中，試驗件在-60℃時未出現(xiàn)結(jié)露、結(jié)霜現(xiàn)象，說明高速動車組側(cè)窗中空玻璃密封膠的密封性能良好。

3 結(jié)論

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

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

3）高速動車組側(cè)窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，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。