石琳 劉海濤 韓蕾

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

0 引言

動(dòng)車組列車在進(jìn)出隧道或會(huì)車時(shí)，其側(cè)窗會(huì)經(jīng)受近似正弦波形式的空氣交會(huì)壓力波作用。按照現(xiàn)行動(dòng)車組設(shè)計(jì)使用壽命，在整個(gè)服役過程中側(cè)窗要承受百萬次的循環(huán)交會(huì)壓力波沖擊作用[1]，這要求動(dòng)車組車窗具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，以抵抗風(fēng)壓循環(huán)載荷作用而不被破壞。為保證動(dòng)車組車窗的使用安全性，英國、中國等多個(gè)國家的鐵道車輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-4]均要求列車車窗執(zhí)行120萬次循環(huán)風(fēng)壓疲勞載荷性能檢測。然而，目前這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測溫度條件都是室溫，未考慮動(dòng)車組列車車窗在實(shí)際使用過程中外部環(huán)境溫度的變化，國內(nèi)外也尚無相關(guān)研究報(bào)道。因此，本文重點(diǎn)研究溫度變化對風(fēng)壓疲勞載荷長期作用下動(dòng)車組車窗應(yīng)力變化的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為動(dòng)車組列車的側(cè)窗，由中空玻璃、密封膠、鋁合金窗框和部分車體組成，尺寸（含鋁合金窗框）為1592mm×922mm×60mm。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括機(jī)車側(cè)窗壓力疲勞試驗(yàn)機(jī)、GDW-5000高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱、CYB17-400B壓力變送器、LMS SCM05動(dòng)態(tài)信號分析儀、BE120-CA電阻應(yīng)變計(jì)等。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 安裝試驗(yàn)樣品

將試驗(yàn)樣品安裝在機(jī)車側(cè)窗壓力疲勞試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)樣品的室外側(cè)朝向試驗(yàn)機(jī)，室內(nèi)側(cè)朝向外部，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)樣品安裝照片

1.3.2 粘貼應(yīng)變片

在試驗(yàn)樣品設(shè)定測量點(diǎn)（1a-4a）粘貼直角三向應(yīng)變花，具體位置示意見圖2。測量點(diǎn)1a在車窗玻璃幾何中心，測量點(diǎn)2a在車窗玻璃上側(cè)長邊中部，測量點(diǎn)3a在車窗玻璃下側(cè)角部，測量點(diǎn)4a在窗框下側(cè)中部。應(yīng)變片粘貼好后，將應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)信號分析儀相連。

圖2 應(yīng)變測量點(diǎn)示意圖

1.3.3 安裝高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱

安裝高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱，使試驗(yàn)樣品的玻璃和窗框均位于試驗(yàn)箱內(nèi)部，如圖3所示。

圖3 高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱安裝照片

1.3.4 開始試驗(yàn)

為考察溫度變化對動(dòng)車組車窗抗風(fēng)壓疲勞載荷性能的影響，按照表1的試驗(yàn)過程依次設(shè)置風(fēng)壓載荷幅值、風(fēng)壓載荷頻率、風(fēng)壓載荷循環(huán)次數(shù)、試驗(yàn)溫度等試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)開始前，每個(gè)試驗(yàn)溫度均保溫24h。保溫完成后，啟動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品共完成120萬次循環(huán)風(fēng)壓載荷試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)過程及參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力計(jì)算方法

通過試驗(yàn)測量并記錄各應(yīng)變測量點(diǎn)在0°、45°、90°三個(gè)方向上的應(yīng)變值。通過公式（1）計(jì)算各測量點(diǎn)的最大主應(yīng)變值。通過公式（2）計(jì)算各測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力值。計(jì)算中，玻璃彈性模量為0.72×105MPa，鋁合金彈性模量為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。

2.2 應(yīng)力變化分析

圖4為風(fēng)壓載荷幅值為±4500Pa時(shí)，分別在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃溫度下，風(fēng)壓載荷循環(huán)20萬次前后，各測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力值及循環(huán)前后最大主應(yīng)力的變化率。可以看出，1a測量點(diǎn)在經(jīng)過風(fēng)壓疲勞載荷作用后，最大主應(yīng)力均明顯提升，變化率為14.1%～37.5%，其中最大變化率37.5%出現(xiàn)在0℃時(shí)；2a測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)經(jīng)過風(fēng)壓疲勞載荷作用后，總體來說變化不大，變化率僅為0.0%～11.2%；3a測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力與2a測量點(diǎn)的結(jié)果相似，變化率均小于10%（-9.7%～2.6%）；4a測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力則表現(xiàn)出不同的變化趨勢，當(dāng)溫度較低時(shí)（-50℃和-25℃），循環(huán)后最大主應(yīng)力增加，當(dāng)溫度較高時(shí)（0℃、20℃和40℃），循環(huán)后最大主應(yīng)力減小，其中在20℃時(shí)變化率高達(dá)-29.5%，這可能是因?yàn)榇翱蚺c玻璃之間的硅酮密封膠在低溫下會(huì)結(jié)晶[5]，隨著風(fēng)壓疲勞載荷作用后模量增大，應(yīng)力較大，而在較高溫度時(shí)，硅酮密封膠受風(fēng)壓疲勞載荷作用后軟化，緩沖作用增強(qiáng)，導(dǎo)致最大主應(yīng)力減小。綜上，動(dòng)車組車窗各點(diǎn)應(yīng)力變化的主要影響因素并不相同，其中玻璃幾何中心1a點(diǎn)受風(fēng)壓疲勞載荷作用影響，比受環(huán)境溫度影響更大；鋁合金窗框長邊中部4a點(diǎn)同時(shí)受環(huán)境溫度和風(fēng)壓疲勞載荷影響；玻璃長邊中部2a點(diǎn)和玻璃角部3a點(diǎn)則受環(huán)境溫度和風(fēng)壓疲勞載荷的影響都較小。

圖4 風(fēng)壓疲勞載荷幅值為±4500Pa時(shí)各測量點(diǎn)最大主應(yīng)力及循環(huán)20萬次前后最大主應(yīng)力的變化率

圖5為風(fēng)壓疲勞載荷幅值為±6000Pa時(shí)，分別在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃溫度下，風(fēng)壓載荷循環(huán)4萬次前后，各測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力值及循環(huán)前后最大主應(yīng)力的變化率。相較風(fēng)壓疲勞載荷幅值為±4500Pa時(shí)，±6000Pa時(shí)各測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力值均有所增加。1a測量點(diǎn)最大主應(yīng)力的變化率為9.8%～27.2%，其中最大變化率27.2%出現(xiàn)在20℃時(shí)；2a測量點(diǎn)最大主應(yīng)力的變化率為-5.4%～17.3%，其中最大變化率17.3%出現(xiàn)在-50℃時(shí)；3a測量點(diǎn)最大主應(yīng)力的變化率為-17.3%～8.0%，其中最大變化率-17.3%出現(xiàn)在-25℃時(shí)；4a測量點(diǎn)最大主應(yīng)力的變化率為-37.4%～42.2%，其中最大變化率42.2%出現(xiàn)在-25℃時(shí)?？傮w而言，隨著風(fēng)壓載荷幅值的增大，循環(huán)前后的最大主應(yīng)力變化率會(huì)進(jìn)一步增大，但循環(huán)前后的最大主應(yīng)力變化趨勢與±4500Pa時(shí)基本一致。

圖5 風(fēng)壓載荷幅值為±6000Pa時(shí)各測量點(diǎn)最大主應(yīng)力及循環(huán)4萬次前后最大主應(yīng)力的變化率

考慮到動(dòng)車組車窗在實(shí)際使用時(shí)是一種多變溫度多變載荷復(fù)雜耦合條件下的服役過程，圖6展示了不同溫度、不同風(fēng)壓疲勞載荷作用下，試驗(yàn)樣品各個(gè)測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力變化情況。在整個(gè)120萬次循環(huán)試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)樣品的側(cè)窗玻璃和鋁合金窗框的最大主應(yīng)力均不超過45MPa，均小于相應(yīng)材料的破壞強(qiáng)度，玻璃和窗框均未出現(xiàn)開裂損壞現(xiàn)象，表明試驗(yàn)樣品能夠承受變溫條件下的長期風(fēng)壓疲勞載荷作用。

圖6 不同溫度、不同風(fēng)壓疲勞載荷作用下各測量點(diǎn)的最大主應(yīng)力

3 結(jié)論

1）影響動(dòng)車組車窗不同部位應(yīng)力的主要因素各不相同，其中玻璃幾何中心受風(fēng)壓疲勞載荷作用影響，比受環(huán)境溫度影響更大；鋁合金窗框長邊中部受環(huán)境溫度和風(fēng)壓疲勞載荷作用影響均較大；玻璃長邊中部和玻璃角部則受環(huán)境溫度和風(fēng)壓疲勞載荷的影響均較小。

2）在完成不同溫度（-50℃～40℃）、不同風(fēng)壓載荷（±4500MPa、±6000MPa）條件下的120萬次循環(huán)試驗(yàn)過程后，動(dòng)車組側(cè)窗樣品的玻璃、鋁合金窗框的最大主應(yīng)力均不超過45MPa，均小于相應(yīng)材料的破壞強(qiáng)度，未出現(xiàn)開裂、損壞等現(xiàn)象。