温度对高速动车组侧窗抗风压载荷性能的影响

石琳 黄博文 苗维

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

0 引言

高速动车组侧窗作为列车重要的透明件组成部分，具有为列车提供观察窗口、保温隔热、承重保护等多重功能。高速动车组列车在进出隧道或会车时，列车周围的空气会产生具有瞬态冲击作用的交会压力波[1-2]，即一种波形近似正弦的风压载荷，这种风压载荷主要作用于列车侧窗，若其冲击作用超过一定程度，会危及列车的行驶安全和乘客人身安全。

目前，多个国家要求对高速动车组侧窗进行抗风压载荷测试，相关检测标准包括世界铁路联盟标准UIC CODE 566:1990《Loadings of coach bodies and their components》[3]

和我国的铁道行业标准TB/T 3413-2015《铁道客车及动车组用安全玻璃》[4]、推荐性国家标准GB/T 32059-2015《高速动车组车窗、车门抗风压载荷疲劳试验方法》[5]等，这些标准涉及的检测过程都在室温下进行，而我国地域跨度大，气候环境差异大。现代高速动车组侧窗玻璃结构一般为夹层玻璃+空气层+夹层玻璃/钢化玻璃，其中涉及聚乙烯醇缩丁醛酯、聚硫胶、硅酮胶、丁基胶等多种温度敏感成分，因此，研究环境温度对高速动车组侧窗抗风压载荷性能的影响很有必要，国内外尚未有相关研究报道。

1 试验

1.1 试验样品

试样为高速动车组列车侧窗，该侧窗由中空玻璃、密封胶、铝合金窗框及部分车体组成。侧窗（含铝合金窗框）尺寸为1592mm×922mm×60mm。

1.2 试验仪器

所用仪器设备包括机车侧窗压力疲劳试验机、CYB17-400B压力变送器、GDW-5000 高低温试验箱、BE120-CA电阻应变计、LMS SCM05动态信号分析仪、露点仪、人工淋雨装置等。

1.3 试验过程

1.3.1 应变测量位置

在试验件设定位置粘贴直角三向应变花，测量点位置如图1所示。1a-4a为应变测量点，1a在玻璃几何中心，2a在玻璃上侧长边中部，3a在玻璃下侧角点，4a在铝合金窗框下侧中部。

图1 应变测量点位置示意图

1.3.2 安装试验件

将已粘贴好应变花的试验件安装在机车侧窗压力疲劳试验机上，试验件室外侧朝向试验机，将动态电阻应变仪与动态数据采集器相连，拍摄试验件安装后的照片（图2）。安装高低温试验箱，使试验件的玻璃和窗框均处于高低温试验箱内部，试验件室内侧朝向试验机，如图3所示。

图2 试验件安装照片

图3 高低温试验箱安装照片

1.3.3 抗风压载荷试验

分别设定高低温试验箱温度至-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃，保温24h，测试每个试验温度下高速动车组侧窗在风压载荷作用下的应变。启动机车侧窗压力疲劳试验机控制软件，设置载荷频率为1.5Hz，依次启动正压风机、负压风机、伺服电机，调节管道开关及微调开关，使正弦形风压载荷最大幅值分别达到±4500Pa和±6000Pa。

1.3.4 密封性试验

试验过程中，按照UIC CODE 566：1990标准中规定的试验方法，从试验件室外侧进行人工淋雨，观察试验件室内侧是否有水渗漏。试验结束后，按照GB 18045-2000[6]中规定的试验方法，对试验件的中空玻璃进行露点测试，观察中空玻璃在-60℃是否出现结露、结霜现象。

2 结果与讨论

2.1 风压载荷

在测试过程中，风压载荷曲线如图4所示。由图可知，风压载荷和设定频率与设定值偏差很小，变化范围符合测试要求。

图4 实际风压载荷曲线

2.2 应力计算

测量试验件在不同温度、不同风压载荷下各测量点在0°、45°、90°三个方向上的应变值，通过公式（1）计算各测量点相应的最大主应变值，再通过公式（2）计算最大主应力值。计算过程中，采用玻璃弹性模量为0.72×105MPa，铝合金的弹性模量为0.72×105MPa。

式中：εmax—最大主应变；

ε0°—水平方向的应变；

ε90°—竖直方向的应变；

ε45°—45°方向的应变。

式中：σmax—最大主应力；

E—弹性模量；

εmax—最大主应变。

2.3 温度对应力的影响

在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃温度下，各测量点在风压载荷±4500Pa和±6000Pa时的最大主应力如图5所示。总体而言，±6000Pa风压载荷作用下试验件产生的应力大于±4500Pa风压载荷作用下产生的应力。1a测量点的最大主应力随温度变化不大；2a测量点的最大主应力随温度升高而略有增加；3a测量点的最大主应力在0℃以下时随温度降低而大幅增加，在0℃以上时随温度变化不大；4a测量点的最大主应力在20℃以下时基本随温度升高而增加，在40℃时有所下降。

图5表明，温度对高速动车组侧窗玻璃的应力分布具有一定影响：低温下最大主应力出现在高速动车组侧窗玻璃的角点位置；高温下最大主应力转移至侧窗玻璃的长边中部位置。边界约束方式是影响高速动车组侧窗应力分布的重要因素[7]，在-50℃低温时，窗框与玻璃之间的密封胶出现部分结晶发硬[8]，拉伸强度和模量增大，角点拉扯作用较强，应力较大；在40℃高温时，密封胶变软，弹性力学特性增强，最大主应力转移至侧窗玻璃的长边中部位置，同时，高温下软化的密封胶的缓冲作用增强，导致铝合金窗框的最大主应力在40℃高温时较20℃有所下降。

图5 各测量点最大主应力

试验过程中，测得高速动车组侧窗玻璃和铝合金窗框的最大主应力均小于相应材料的破坏强度，未出现损坏现象，说明现有侧窗结构设计合理，能够承受风压载荷作用而保持结构完好。

2.4 密封性

在人工淋雨试验中，喷淋水未进入试验件室内侧，无漏雨现象，说明高速动车组侧窗的水密性良好。在露点试验中，试验件在-60℃时未出现结露、结霜现象，说明高速动车组侧窗中空玻璃密封胶的密封性能良好。

3 结论

1）温度对高速动车组侧窗在风压载荷作用下的应力分布具有一定影响，-50℃低温下高速动车组侧窗玻璃的角点位置应力最大，40℃高温下侧窗玻璃的长边中部位置应力最大。

2）高速动车组侧窗的密封材料选用合理，在承受风压载荷作用时，水密性和露点性能均良好。

3）高速动车组侧窗的结构设计合理，在-50℃～40℃温度范围内能够承受±6000Pa风压载荷作用，保持结构完好。