城际动车组侧窗寿命加速评估方法研究

王 锐，李俊卿，周 健，崔海霞，张 金，高登科

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130022）

1 引言

城际动车组侧窗的结构寿命由侧窗的粘接胶寿命和侧窗整体结构耐久寿命组成。随着列车运行速度的提高，列车周围空气压力变化对列车的作用力也明显增强。当列车运行达到一定里程进行检修时，发现侧窗外侧粘接胶水层出现不同程度的损伤，如形变、起泡等现象。根据文献调研及现场失效产品分析，可以看出高温环境会对胶粘剂产生物理的熔融和化学的热分解，尤其是有氧气存在时将同时发生氧化裂解，大幅降低胶粘剂的粘接性能。同时，当列车交汇和进出隧道口时，周围的空气压力产生急剧变化，形成列车交会压力波。动车组侧窗可能由于压力冲击而破坏，严重时可能冲坏侧窗玻璃及空调进排风口阀门。此外，在列车车厢气密性不良的情况下，压力波传入车内使车内人员耳朵感到不适，乘坐舒适性降低。因此，有必要分别针对胶粘剂高温耐久性能及侧窗结构耐风压疲劳性能进行系统研究，从而全面评估侧窗的整体寿命。

2 城际动车组侧窗结构寿命研究

2.1 胶粘剂高温耐久性能研究

2.1.1 试验对象

动车组侧窗主要由车体侧围、窗框和玻璃构成，如图 1 所示，本次研究的对象主要为玻璃与窗框部分的粘接。

本次试验样品为动车组侧窗（新侧窗3件、五级修侧窗3件）和Sikaflex-265密封粘接胶，粘接胶抗拉强度6 MPa，剪切强度4.5 MPa（4 mm厚），弹性模量2.7 MPa，工作温度-40～90 ℃，短期120 ℃。根据GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》标准制成哑铃状试样（1类型），如图2所示，在实验室标准大气环境下进行放置以备试验。

2.1.2 试验条件

密封胶属于长寿命产品，正常应力条件下，短时间内无法获取产品寿命信息，因此采用加速寿命试验来预测正常应力水平下的寿命特征。根据试验测试，密封胶在90 ℃、100 ℃时性能退化较慢，超过120 ℃后，性能退化急剧加速。为提升试验效率，缩短测试时间，本次试验密封胶温度应力等级选择为110 ℃，测试时间为 1 140 h。

2.1.3 结果分析

高分子材料的高温老化过程属于化学反应过程，根据工程经验，在一定温度范围内，材料的性能变化速度常数M与老化温度T的关系服从阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程，即：

式（1）中，T为绝对温度，K；E为活化能，J/mol；R为气体常数，J/（K · mol）；Z为常数。

根据不同温度下M值的变化，可拟合获得E/R值。而加速因子W的计算则如下所示：

式（2）中，M1为110℃下的性能变化速度常数；M0为常温（25℃）下的性能变化速度常数；T0为常温（25℃）下绝对温度；T1为110℃下绝对温度。根据前期数据积累及文献资料调研可知活化能E/R取值为8 372.6，可得110℃高温下，相对于常温（25℃）贮存的加速因子W为510。

由于试验样品在110℃高温下640 h后拉伸强度依然达到5.02 MPa（图3），满足产品对于拉伸强度大于4.5 MPa的要求（聚氨酯胶Sikaflex-265产品规格书规定），说明此时产品仍未失效。结合加速因子，可初步推断出该动车组密封粘接胶粘剂的寿命至少满足510×640 = 326 400 h，即37年，远大于30年的寿命要求（城际动车组整车设计寿命）。

2.2 侧窗结构耐风压疲劳寿命分析

2.2.1 试验装置

为满足侧窗耐风压疲劳试验的要求，研究开发了由工控电脑、侧窗密封装置、气动阀门、单向阀门、流量控制阀门、罗茨电机、时间控制装置、压力反馈装置等组成的耐风压疲劳测试系统，如图4所示。由工控电脑、显示器及控制柜组成控制系统，气路气源采用罗茨电机，风机出口经流量控制阀门、气动阀门与侧窗密封装置连接，压力反馈装置中测量部件安装于侧窗密封装置，通过压力反馈装置控制罗茨电机及风机出口阀门，检测装置如图5所示。

该装置通过控制罗茨电机的转速来控制进出口流量从而达到控制密封装置的压力；通过放置于密封装置内的压力测量部件实时监测及反馈实际压力与电机出口压力的偏差，调节电机进出口流量修正密封空间内压力；通过时间控制装置监测密封空间一定时间内压力变化值，从而判定密封性能是否达到要求。列车侧窗受到的压力变化通过控制充气或抽气过程中气体流量来实现，测试箱压力值Pi：

式（3）中，P1为密封空间压力；V1为密封空间体积；Q（t）为一定时间内充气或抽气过程中的气体流量体积。

2.2.2 试验过程

将试验侧窗安装在耐风压疲劳测试系统上进行气密载荷压力为±8 000 Pa（整车气密强度要求为±6 000 Pa，试验时提升至±8 000 Pa）的气密性试验，总试验载荷次数为200 000次。试验后，整车气密性从4 000 Pa变化到1 000 Pa的时间大于50 s（标准为40 s），侧窗内侧表面无可见水滴， 可见，动车组侧窗新品及五级修侧窗样品经历200 000次±8 000 Pa压力的耐风压疲劳测试后气密封性和水密封性良好，满足标准要求，说明此时侧窗仍可正常工作。

侧窗耐风压疲劳压力曲线如图6所示。从曲线中可以看出，施加的正负风压较为平顺，压力分布均匀，满足试验稳定性要求。

2.2.3 侧窗等效里程

本次侧窗老化寿命试验为气压交变耐久试验，模拟列车交汇时对侧窗本体产生的气压载荷，采用增加风压的方法进行加速寿命测试。为评估城际动车组侧窗的实际运行里程寿命，用压力交变耐久试验总次数除以每公里交汇次数（2辆列车1条路线中的每公里交汇次数）估算等效行驶里程。

以京沪高速铁路线为例，全长1 318 km，运营速度350 km/h，每天行驶42个车次，最早班次每天6 : 36发出，最晚班次每天21 : 21发出，发车总时长为885 min，平均发车间隔21.07 min，以每辆列车全程平均300 km/h速度计算2辆列车交汇次数=（1 318÷300×60）÷21.07=12.5次，再加上列车全路段每次进出隧道交汇次数42次，得出京沪高速铁路列车每公里交汇次数为（12.5 + 42）÷1 318 = 0.041 35次。

在样本量不够充足的条件下，拟采用类似振动疲劳损伤加速因子A计算方式：

式（4）中，Pt为加速风压压力；Ps为标准风压压力；n为常数，通常取值为2～9，为保守估计，本次取n值为2。得出6 000 Pa标准风压下加速因子A为1.78，从而得出侧窗等效里程结果如表1所示。

表1 侧窗等效里程结果

3 研究结论

（1）密封粘接胶在加速老化的过程中发生拉伸强度退化现象，经评估计算，密封粘接胶在常温下的使用寿命为37年。

（2）试验侧窗本体在±8 000 Pa风压下，经200 000次试验后，其气密封性和水密封性依然满足使用要求。

（3）通过对典型线路的评估计算可知，侧窗的运行里程寿命大于1 204万km。

4 结语

本文通过模拟城际动车组在行驶过程中侧窗交变压力的变化，对侧窗整体寿命验证进行试验设计，并对侧窗粘接胶的剪切寿命进行评估计算，最终得到城际动车组侧窗的结构寿命信息。研究结论一方面可为老产品继续使用、局部维修还是退出现役的决策提供数据支撑；另一方面也可为新产品维修周期的制定提供依据。