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壓載荷，這種風壓載荷主要作用于列車側窗，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窗進行抗風壓載荷測試，相關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。現(xiàn)代高速動車組側窗玻璃結構一般為夾層玻璃+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窗抗風壓載荷性能的影響很有必要，國內外尚未有相關研究報道。

1 試驗

1.1 試驗樣品

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

1.2 試驗儀器

所用儀器設備包括機車側窗壓力疲勞試驗機、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 應變測量位置

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

圖1 應變測量點位置示意圖

1.3.2 安裝試驗件

將已粘貼好應變花的試驗件安裝在機車側窗壓力疲勞試驗機上，試驗件室外側朝向試驗機，將動態(tài)電阻應變儀與動態(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部，試驗件室內側朝向試驗機，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 抗風壓載荷試驗

分別設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窗在風壓載荷作用下的應變。啟動機車側窗壓力疲勞試驗機控制軟件，設置載荷頻率為1.5Hz，依次啟動正壓風機、負壓風機、伺服電機，調節(jié)管道開關及微調開關，使正弦形風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，從試驗件室外側進行人工淋雨，觀察試驗件室內側是否有水滲漏。試驗結束后，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)結露、結霜現(xiàn)象。

2 結果與討論

2.1 風壓載荷

在測試過程中，風壓載荷曲線如圖4所示。由圖可知，風壓載荷和設定頻率與設定值偏差很小，變化范圍符合測試要求。

圖4 實際風壓載荷曲線

2.2 應力計算

測量試驗件在不同溫度、不同風壓載荷下各測量點在0°、45°、90°三個方向上的應變值，通過公式（1）計算各測量點相應的最大主應變值，再通過公式（2）計算最大主應力值。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—最大主應變；

ε0°—水平方向的應變；

ε90°—豎直方向的應變；

ε45°—45°方向的應變。

式中：σmax—最大主應力；

E—彈性模量；

εmax—最大主應變。

2.3 溫度對應力的影響

在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃溫度下，各測量點在風壓載荷±4500Pa和±6000Pa時的最大主應力如圖5所示?？傮w而言，±6000Pa風壓載荷作用下試驗件產(chǎn)生的應力大于±4500Pa風壓載荷作用下產(chǎn)生的應力。1a測量點的最大主應力隨溫度變化不大；2a測量點的最大主應力隨溫度升高而略有增加；3a測量點的最大主應力在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窗玻璃的應力分布具有一定影響：低溫下最大主應力出現(xiàn)在高速動車組側窗玻璃的角點位置；高溫下最大主應力轉移至側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窗應力分布的重要因素[7]，在-50℃低溫時，窗框與玻璃之間的密封膠出現(xiàn)部分結晶發(fā)硬[8]，拉伸強度和模量增大，角點拉扯作用較強，應力較大；在40℃高溫時，密封膠變軟，彈性力學特性增強，最大主應力轉移至側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，導致鋁合金窗框的最大主應力在40℃高溫時較20℃有所下降。

圖5 各測量點最大主應力

試驗過程中，測得高速動車組側窗玻璃和鋁合金窗框的最大主應力均小于相應材料的破壞強度，未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，說明現(xiàn)有側窗結構設計合理，能夠承受風壓載荷作用而保持結構完好。

2.4 密封性

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

3 結論

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

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

3）高速動車組側窗的結構設計合理，在-50℃～40℃溫度范圍內能夠承受±6000Pa風壓載荷作用，保持結構完好。