溫度變化對風壓疲勞載荷作用下動車組車窗應力的影響

石琳 劉海濤 韓蕾

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

0 引言

動車組列車在進出隧道或會車時，其側窗會經受近似正弦波形式的空氣交會壓力波作用。按照現行動車組設計使用壽命，在整個服役過程中側窗要承受百萬次的循環交會壓力波沖擊作用[1]，這要求動車組車窗具有良好的機械強度，以抵抗風壓循環載荷作用而不被破壞。為保證動車組車窗的使用安全性，英國、中國等多個國家的鐵道車輛相關標準[2-4]均要求列車車窗執行120萬次循環風壓疲勞載荷性能檢測。然而，目前這些標準規定的檢測溫度條件都是室溫，未考慮動車組列車車窗在實際使用過程中外部環境溫度的變化，國內外也尚無相關研究報道。因此，本文重點研究溫度變化對風壓疲勞載荷長期作用下動車組車窗應力變化的影響。

1 試驗

1.1 試驗樣品

試驗樣品為動車組列車的側窗，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 試驗儀器

試驗儀器包括機車側窗壓力疲勞試驗機、GDW-5000高低溫環境試驗箱、CYB17-400B壓力變送器、LMS SCM05動態信號分析儀、BE120-CA電阻應變計等。

1.3 試驗過程

1.3.1 安裝試驗樣品

將試驗樣品安裝在機車側窗壓力疲勞試驗機上，試驗樣品的室外側朝向試驗機，室內側朝向外部，如圖1所示。

圖1 試驗樣品安裝照片

1.3.2 粘貼應變片

在試驗樣品設定測量點（1a-4a）粘貼直角三向應變花，具體位置示意見圖2。測量點1a在車窗玻璃幾何中心，測量點2a在車窗玻璃上側長邊中部，測量點3a在車窗玻璃下側角部，測量點4a在窗框下側中部。應變片粘貼好后，將應變片與動態信號分析儀相連。

圖2 應變測量點示意圖

1.3.3 安裝高低溫環境試驗箱

安裝高低溫環境試驗箱，使試驗樣品的玻璃和窗框均位于試驗箱內部，如圖3所示。

圖3 高低溫環境試驗箱安裝照片

1.3.4 開始試驗

為考察溫度變化對動車組車窗抗風壓疲勞載荷性能的影響，按照表1的試驗過程依次設置風壓載荷幅值、風壓載荷頻率、風壓載荷循環次數、試驗溫度等試驗參數。試驗開始前，每個試驗溫度均保溫24h。保溫完成后，啟動試驗，試驗樣品共完成120萬次循環風壓載荷試驗。

表1 試驗過程及參數

2 結果與討論

2.1 應力計算方法

通過試驗測量并記錄各應變測量點在0°、45°、90°三個方向上的應變值。通過公式（1）計算各測量點的最大主應變值。通過公式（2）計算各測量點的最大主應力值。計算中，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。

2.2 應力變化分析

圖4為風壓載荷幅值為±4500Pa時，分別在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃溫度下，風壓載荷循環20萬次前后，各測量點的最大主應力值及循環前后最大主應力的變化率。可以看出，1a測量點在經過風壓疲勞載荷作用后，最大主應力均明顯提升，變化率為14.1%～37.5%，其中最大變化率37.5%出現在0℃時；2a測量點的最大主應力在試驗溫度范圍內經過風壓疲勞載荷作用后，總體來說變化不大，變化率僅為0.0%～11.2%；3a測量點的最大主應力與2a測量點的結果相似，變化率均小于10%（-9.7%～2.6%）；4a測量點的最大主應力則表現出不同的變化趨勢，當溫度較低時（-50℃和-25℃），循環后最大主應力增加，當溫度較高時（0℃、20℃和40℃），循環后最大主應力減小，其中在20℃時變化率高達-29.5%，這可能是因為窗框與玻璃之間的硅酮密封膠在低溫下會結晶[5]，隨著風壓疲勞載荷作用后模量增大，應力較大，而在較高溫度時，硅酮密封膠受風壓疲勞載荷作用后軟化，緩沖作用增強，導致最大主應力減小。綜上，動車組車窗各點應力變化的主要影響因素并不相同，其中玻璃幾何中心1a點受風壓疲勞載荷作用影響，比受環境溫度影響更大；鋁合金窗框長邊中部4a點同時受環境溫度和風壓疲勞載荷影響；玻璃長邊中部2a點和玻璃角部3a點則受環境溫度和風壓疲勞載荷的影響都較小。

圖4 風壓疲勞載荷幅值為±4500Pa時各測量點最大主應力及循環20萬次前后最大主應力的變化率

圖5為風壓疲勞載荷幅值為±6000Pa時，分別在-50℃、-25℃、0℃、20℃、40℃溫度下，風壓載荷循環4萬次前后，各測量點的最大主應力值及循環前后最大主應力的變化率。相較風壓疲勞載荷幅值為±4500Pa時，±6000Pa時各測量點的最大主應力值均有所增加。1a測量點最大主應力的變化率為9.8%～27.2%，其中最大變化率27.2%出現在20℃時；2a測量點最大主應力的變化率為-5.4%～17.3%，其中最大變化率17.3%出現在-50℃時；3a測量點最大主應力的變化率為-17.3%～8.0%，其中最大變化率-17.3%出現在-25℃時；4a測量點最大主應力的變化率為-37.4%～42.2%，其中最大變化率42.2%出現在-25℃時。總體而言，隨著風壓載荷幅值的增大，循環前后的最大主應力變化率會進一步增大，但循環前后的最大主應力變化趨勢與±4500Pa時基本一致。

圖5 風壓載荷幅值為±6000Pa時各測量點最大主應力及循環4萬次前后最大主應力的變化率

考慮到動車組車窗在實際使用時是一種多變溫度多變載荷復雜耦合條件下的服役過程，圖6展示了不同溫度、不同風壓疲勞載荷作用下，試驗樣品各個測量點的最大主應力變化情況。在整個120萬次循環試驗過程中，試驗樣品的側窗玻璃和鋁合金窗框的最大主應力均不超過45MPa，均小于相應材料的破壞強度，玻璃和窗框均未出現開裂損壞現象，表明試驗樣品能夠承受變溫條件下的長期風壓疲勞載荷作用。

圖6 不同溫度、不同風壓疲勞載荷作用下各測量點的最大主應力

3 結論

1）影響動車組車窗不同部位應力的主要因素各不相同，其中玻璃幾何中心受風壓疲勞載荷作用影響，比受環境溫度影響更大；鋁合金窗框長邊中部受環境溫度和風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境溫度和風壓疲勞載荷的影響均較小。

2）在完成不同溫度（-50℃～40℃）、不同風壓載荷（±4500MPa、±6000MPa）條件下的120萬次循環試驗過程后，動車組側窗樣品的玻璃、鋁合金窗框的最大主應力均不超過45MPa，均小于相應材料的破壞強度，未出現開裂、損壞等現象。