風(fēng)沙流對(duì)列車車窗玻璃破壞能力的試驗(yàn)測(cè)試

許良中，梁習(xí)鋒，劉堂紅，王中鋼

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

風(fēng)沙對(duì)鐵路危害的主要形式有3 種：(1) 路基風(fēng)蝕；(2) 沙埋路基；(3) 大風(fēng)對(duì)鐵路上部建筑和客貨列車行車的危害[1-2]。國內(nèi)很多學(xué)者對(duì)風(fēng)沙災(zāi)害的特征以及防風(fēng)固沙的措施進(jìn)行了研究，研究的重點(diǎn)是以風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)圍繞如何防風(fēng)治沙這一關(guān)鍵性問題[3-5]，采取有效的工程措施如修建截沙溝、擋沙堤、防沙礫柵欄、高立式尼龍網(wǎng)柵欄等[6]，在鐵路防風(fēng)治沙方面取得了很多顯著的成果。然而，在蘭新(蘭州—新疆烏魯木齊)線百里風(fēng)區(qū)、南疆線前百里風(fēng)區(qū)等大風(fēng)鐵路路段，列車車窗玻璃在風(fēng)沙流作用下被擊碎的情況幾乎年年發(fā)生，甚至出現(xiàn)整列列車迎風(fēng)側(cè)車窗玻璃完全被擊碎的情況，嚴(yán)重危及乘客安全[7]。近些年，張克姝等[8]對(duì)高原列車車窗玻璃低壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了研究，并研制了一種自呼吸式的中空玻璃來解決這個(gè)問題；此外，王立闖[9]對(duì)磁懸浮列車側(cè)窗玻璃進(jìn)行了風(fēng)壓載荷疲勞試驗(yàn)研究。這些研究都取得了很多成果，但都集中在壓力載荷對(duì)車窗玻璃的影響上，未對(duì)車窗玻璃所能承受的瞬態(tài)風(fēng)壓及靜態(tài)壓差極限進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)側(cè)窗玻璃所進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)參考的標(biāo)準(zhǔn)為UIC566(《國際鐵路聯(lián)盟客車車體結(jié)構(gòu)分析標(biāo)準(zhǔn)》)；在蘭新線等大風(fēng)地區(qū)以及高海拔地區(qū)車窗所承受的疲勞載荷譜具有特殊的地域性，應(yīng)該根據(jù)真實(shí)的疲勞載荷譜考核交變壓力對(duì)車窗玻璃的破壞能力。為此，本文作者針對(duì)這一特殊問題采用試驗(yàn)手段，研究風(fēng)沙二相流對(duì)車窗玻璃的破壞極限，分析車窗玻璃的破壞原因，以便為大風(fēng)礫漠地貌下的安全行車指揮提供依據(jù)。列車車窗玻璃在風(fēng)沙流作用下所受到的沖擊可劃分為以下幾個(gè)方面：瞬態(tài)風(fēng)壓、靜態(tài)壓差、交變疲勞載荷、礫石沖擊等，試驗(yàn)針對(duì)這幾個(gè)因素研究車窗玻璃所能承受的限值以及在風(fēng)壓與礫石耦合作用下對(duì)車窗玻璃的破壞能力。試驗(yàn)中所采用的玻璃樣本均為長(zhǎng)×寬為1 212 mm×962 mm 的車窗玻璃，經(jīng)過湖南省玻璃陶瓷制品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心抽樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表面應(yīng)力為94～109 MPa，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但由于每片鋼化玻璃之間的表面應(yīng)力存在差異，為使得到的結(jié)果具有代表性，以下所有試驗(yàn)均采取多次重復(fù)試驗(yàn)取平均值的方法確定試驗(yàn)結(jié)果。

1 風(fēng)壓破壞能力試驗(yàn)分析

1.1 瞬態(tài)風(fēng)壓沖擊

為了研究這個(gè)問題，建立一套提供瞬態(tài)高氣壓沖擊載荷的空氣炮試驗(yàn)裝置，通過不斷提高作用在車窗玻璃上的沖擊壓力直至玻璃破碎為止的方法測(cè)試玻璃承受瞬態(tài)強(qiáng)風(fēng)壓沖擊能力。其試驗(yàn)原理是通過空氣壓縮機(jī)對(duì)空氣炮進(jìn)行高壓充氣，當(dāng)空氣炮罐體內(nèi)到達(dá)一定壓力時(shí)，瞬間釋放罐體內(nèi)氣體，從而獲得一個(gè)很大的空氣壓力射流。由于射流在傳輸過程中存在損失，通過調(diào)整玻璃與空氣炮的距離控制空氣炮對(duì)玻璃的沖擊壓力。應(yīng)用帶放大器的多通道采集集成系統(tǒng)，配合計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集壓力。

在玻璃迎風(fēng)面安裝感壓片，測(cè)定不同沖擊工況下玻璃的表面壓力分布情況，以確定空氣壓力對(duì)玻璃的破壞程度。玻璃承受的最大瞬態(tài)沖擊壓力見表1，瞬態(tài)載荷圖譜見圖2。當(dāng)車窗玻璃中心最大瞬態(tài)沖擊載荷從18.12 kPa 逐漸提升至69.38 kPa 時(shí)車窗玻璃仍然沒有被破壞。在實(shí)際工況下，蘭新線最大實(shí)測(cè)風(fēng)速為60 m/s，與車速耦合后車窗實(shí)際所受到的最大風(fēng)載荷為4.00 kPa 左右，可見瞬態(tài)風(fēng)壓沖擊不具備直接破壞車窗玻璃的能力。

圖1 實(shí)測(cè)機(jī)車前窗風(fēng)壓Fig.1 Wind pressure load on locomotive front window

圖2 中心點(diǎn)瞬態(tài)沖擊最大壓力Fig.2 Maximum transient pressure on center of window

表1 瞬態(tài)沖擊結(jié)果Table 1 Result of transient impact test

1.2 靜態(tài)耐壓極限

TB/T 3107—2011《(鐵道客車輛單元式組合車窗》)規(guī)定車窗抗風(fēng)壓性能：變形壓力差p≥3.0 kPa，安全壓力差p≥3.5 kPa[10]。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)車窗玻璃所能承受的壓力差值上限并未進(jìn)行規(guī)定，而在高原等低氣壓區(qū)雙層中空車窗玻璃內(nèi)外所承受的差壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值[8,11]，因此，需得到車窗玻璃靜態(tài)耐壓極限值，以分析低氣壓區(qū)中空玻璃內(nèi)外壓差是不是玻璃破碎的原因。

為了確定玻璃在靜壓條件下的耐壓極限及不同靜載壓力下的玻璃中心撓度[12]，建立了靜態(tài)水壓試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要由密封裝置、水槽、加壓裝置、水壓和撓度采集系統(tǒng)等幾部分組成。采用與列車車窗相同的密封方案，以橡膠墊圈作為彈性緩沖結(jié)構(gòu)，將車窗玻璃平放在水壓試驗(yàn)臺(tái)上，將水密封在水槽內(nèi)，通過水力打壓設(shè)備，對(duì)密閉水域加壓，最終將壓力傳遞到玻璃面上。加壓過程以2 kPa 作為加載梯度，每個(gè)梯度加載的時(shí)間不小于1 min，可認(rèn)為水槽內(nèi)的壓力為靜態(tài)載荷。

在玻璃上表面布置位移傳感器以測(cè)試玻璃的變形撓度。在水槽內(nèi)布置水壓傳感器測(cè)試水槽內(nèi)的水壓，圖3 所示為測(cè)試玻璃中心點(diǎn)撓度隨壓力變化曲線。由圖3 可見：當(dāng)5 mm 厚單層玻璃破碎壓力為29.5 kPa，對(duì)應(yīng)表面中心位置最大撓度31.2 mm 時(shí)，玻璃發(fā)生破碎；8 mm 厚單層玻璃在壓力為41.4 kPa，中心撓度為25.3 mm 時(shí)，發(fā)生破碎。該壓力(29.5 kPa)即為車窗玻璃的靜態(tài)耐壓極限。當(dāng)車窗玻璃的內(nèi)外壓差達(dá)到這一值時(shí)，車窗玻璃就會(huì)發(fā)生破碎。

圖3 車窗玻璃中心撓度隨水壓變化曲線Fig.3 Relationship between pressure and deflection in center of glass

1.3 交變疲勞載荷

根據(jù)UIC566 疲勞載荷測(cè)試的規(guī)定，最大交變疲勞載荷為±2.5 kPa，且測(cè)試的目的是測(cè)試車窗框架整體的密封性及強(qiáng)度，對(duì)車窗玻璃疲勞強(qiáng)度的考慮較少。根據(jù)《新疆鐵路大風(fēng)環(huán)境下列車空氣動(dòng)力學(xué)及防風(fēng)設(shè)施試驗(yàn)研究報(bào)告》，機(jī)車玻璃表面壓力最大值為3～4 kPa[13]，根據(jù)這一試驗(yàn)結(jié)果，考核交變疲勞載荷對(duì)車窗玻璃的破壞能力，應(yīng)該將交變疲勞載荷設(shè)定為±4 kPa。

水壓疲勞試驗(yàn)臺(tái)是在水壓試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，增加一套閥門壓力控制裝置改裝而來。利用真空泵改變水槽內(nèi)水的壓力，通過繼電器閥門來控制循環(huán)周期及玻璃受壓峰值，模擬5 mm 厚單片車窗玻璃在最惡劣環(huán)境下的疲勞工況：在±4 kPa 交變載荷下累計(jì)循環(huán)10萬個(gè)周期。疲勞試驗(yàn)臺(tái)提供的水壓疲勞載荷為±4 kPa交變載荷，循環(huán)周期為2.45 s，水壓疲勞載荷圖譜如圖4所示。水壓疲勞試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，共完成了3片5 mm厚車窗玻璃的疲勞測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)的疲勞周期都在10萬次以上，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。隨機(jī)挑選3 塊車窗玻璃加載10 萬次疲勞載荷后均未破碎。

圖4 疲勞載荷圖譜Fig.4 Fatigue load spectrum

2 沙粒破壞能力試驗(yàn)分析

試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工況下車窗玻璃受顆粒沖擊情況。沙石采用蘭新鐵路沿線采集的各粒徑等級(jí)的樣本，試驗(yàn)工況包括單顆和多顆粒垂直沖擊以及傾斜沖擊等，研究無風(fēng)壓載荷工況下各粒徑沙石破壞車窗玻璃所需具備的速度。主要試驗(yàn)裝置為空氣炮沙粒沖擊試驗(yàn)裝置，將粒石放入空氣炮噴嘴處，利用空氣炮釋放的高壓氣體對(duì)粒石進(jìn)行加速。該裝置主要由空氣炮和粒石測(cè)速系統(tǒng)2 部分組成。空間粒石速度測(cè)量系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺的專門為風(fēng)沙災(zāi)害問題研制的，用于分析風(fēng)沙流中沙粒運(yùn)動(dòng)速度的高靈敏檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間渡越的粒石速度和粒徑的實(shí)時(shí)測(cè)量。其基本原理是由偏振激光片光源發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射2 片扇形平行光幕，當(dāng)空間粒石先后穿越這2 片平行光幕時(shí)，形成光反射，高靈敏度光傳感器接收到的光信號(hào)發(fā)生突變并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過并行AD 多通道采集將信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再計(jì)算并記錄飛越粒石的速度及其粒徑。

2.1 單顆垂直擊打

玻璃在靜態(tài)條件下，從單顆沙粒入手，研究單顆沙粒垂直擊打車窗玻璃時(shí)沙粒的破壞速度，有利于明確單顆沙粒的破壞能力及玻璃的粒石抗沖擊能力。試驗(yàn)玻璃為單片5 mm 厚車窗玻璃，沙粒對(duì)車窗玻璃的損壞程度按嚴(yán)重程度分為擦痕、碎點(diǎn)(圖5)、破碎(圖6)3 個(gè)等級(jí)；定義造成這3 種程度損傷沙粒所必須具備的速度分別為擦痕速度、碎點(diǎn)速度以及破碎速度。

圖5 碎點(diǎn)損傷圖Fig.5 Photos of broken point

圖6 5 mm 車窗玻璃破碎裂紋Fig.6 Crack of broken glass

表3 所示為每個(gè)粒徑等級(jí)單顆垂直擊打玻璃工況下沙粒擊碎玻璃速度。試驗(yàn)未能測(cè)試出2 mm 以下粒徑等級(jí)的沙粒對(duì)車窗玻璃的擊碎速度。蘭新線實(shí)測(cè)最高風(fēng)速為60 m/s，根據(jù)風(fēng)沙兩相單顆粒運(yùn)動(dòng)模型[14]，在長(zhǎng)時(shí)間加速情況下，沙粒會(huì)無限接近風(fēng)速但不會(huì)超過風(fēng)速的規(guī)律判斷，沙粒運(yùn)動(dòng)速度無法超越蘭新線實(shí)測(cè)的最高風(fēng)速60 m/s，由此可以判斷：粒徑在1 mm以下的沙粒對(duì)車窗玻璃不具備破壞能力，5 mm 以下沙粒對(duì)車窗玻璃不具備直接破壞能力，但均存在對(duì)車窗玻璃造成碎點(diǎn)的能力；6 mm 以上沙粒在鐵路沿線各種地形地貌環(huán)境下，通過集沙儀集沙分析基本未發(fā)現(xiàn)。5～6 mm 粒徑沙?？梢灾苯訐羲檐嚧安Ａв挚梢栽谳^低速度下對(duì)車窗玻璃造成破碎，該范圍是最危險(xiǎn)的粒徑范圍。將各個(gè)粒徑等級(jí)的碎點(diǎn)速度、破碎速度與平均粒徑之間進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)：碎點(diǎn)速度、破碎速度與平均粒徑之間存在冪函數(shù)關(guān)系，冪約為-0.72，見圖7。

表3 單顆垂直擊打試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Vertical impact results of single gravel m/s

圖7 垂直沖擊工況下碎點(diǎn)速度、破碎速度與粒徑關(guān)系Fig.7 Relationship between gravel size and broken velocity in vertical impact condition

2.2 單顆45°傾斜擊打

由于在實(shí)際工況中，粒石并不一定垂直擊打在玻璃表面，很有可能以一定角度沖擊玻璃[15-17]，因此，研究粒石以一定角度擊打玻璃對(duì)傾斜打擊的規(guī)律顯得很重要?？紤]到傾斜45°沖擊車窗玻璃比較具有代表性，故選用此工況開展試驗(yàn)。

依據(jù)多次打擊取平均值的試驗(yàn)方法得到在傾斜45°的工況下各個(gè)粒徑等級(jí)在不同速度下對(duì)鋼化玻璃的破壞情況。表4 所示為單顆垂直擊打破碎平均速度，根據(jù)表數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到碎點(diǎn)速度、擊碎速度與平均粒徑之間的冪函數(shù)關(guān)系，如圖8 所示。從圖8 可見：在傾斜沖擊工況下，碎點(diǎn)速度和擊碎速度比垂直沖擊工況下都要大，根據(jù)擬合公式判斷碎點(diǎn)速度是垂直沖擊工況下的1.20 倍，擊碎速度是垂直沖擊工況下的1.12 倍。

表4 單顆傾斜45°擊打試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Single gravel impact results in 45° angle m/s

圖8 傾斜沖擊工況下碎點(diǎn)速度、擊碎速度與粒徑關(guān)系Fig.8 Correlation between gravel size and broken velocity in inclined impact condition

3 風(fēng)沙耦合作用試驗(yàn)分析

根據(jù)烏魯木齊鐵路局《新疆鐵路大風(fēng)環(huán)境下列車空氣動(dòng)力學(xué)及防風(fēng)設(shè)施試驗(yàn)研究報(bào)告》，大風(fēng)環(huán)境下列車車體車窗位置處表面壓力最大測(cè)量結(jié)果為3～4 kPa，為了較真實(shí)地模擬玻璃受到4 kPa 風(fēng)壓時(shí)沙粒的擊碎速度，特研制負(fù)壓倉裝置。將玻璃安裝在負(fù)壓倉上，利用真空泵抽走部分倉內(nèi)的空氣，使玻璃的受擊打面和背風(fēng)面形成4 kPa 的穩(wěn)定壓差(內(nèi)部為負(fù)壓)，在這種條件下測(cè)試沙粒對(duì)玻璃的擊碎速度。通過調(diào)節(jié)設(shè)備倉內(nèi)的壓力將玻璃的內(nèi)壓壓差調(diào)至4 kPa，再用沙粒垂直打擊，得到的結(jié)果與玻璃未承受負(fù)壓工況的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究風(fēng)壓對(duì)沙粒擊碎玻璃速度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。擊碎速度比未加載-4 kPa 風(fēng)壓載荷垂直沖擊工況試驗(yàn)結(jié)果要小，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，3～5 mm粒徑等級(jí)的沙粒在60 m/s 之內(nèi)都具有直接擊碎車窗玻璃的可能；擊碎速度與粒徑呈冪函數(shù)關(guān)系，且冪為-0.71，與垂直沖擊工況以及傾斜沖擊工況規(guī)律一致，見圖9。從圖9 可見：在-4 kPa 工況下?lián)羲樗俣缺任醇虞d風(fēng)壓工況下小6%～7%。

表5 負(fù)壓倉垂直擊打破碎速度Table 5 Results of vertical impact under negative capsule

圖9 各工況下沙粒擊碎速度對(duì)比Fig.9 Comparison of broken velocity under different conditions

4 結(jié)論

(1) 車窗外層5 mm 厚車窗玻璃單片靜態(tài)耐壓為29.5 kPa，在瞬態(tài)純空氣69.4 kPa 沖擊條件下，玻璃完好無損。根據(jù)《新疆鐵路大風(fēng)環(huán)境下列車空氣動(dòng)力學(xué)及防風(fēng)設(shè)施試驗(yàn)研究報(bào)告》，機(jī)車玻璃表面壓力最大值為3～4 kPa，客車車窗玻璃為1～2 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瞬態(tài)沖擊與靜態(tài)水壓壓力，說明風(fēng)沙環(huán)境下車窗玻璃破損受風(fēng)壓的影響較小。

(2) 經(jīng)過10 萬次正負(fù)壓4 kPa 交變載荷疲勞試驗(yàn)，玻璃并未發(fā)生破壞。

(3) 由負(fù)壓倉模擬玻璃在受到4 kPa 風(fēng)壓時(shí)的玻璃破碎速度比垂直單顆擊打工況下的破碎速度小6%～7%，可見風(fēng)壓對(duì)玻璃破碎的作用較小，主要破碎的原因在于風(fēng)沙流中沙粒的擊打。

(4) 根據(jù)蘭新線實(shí)測(cè)的最高風(fēng)速60 m/s 判斷，在純沙粒沖擊工況下，粒徑在1 mm 以下沙粒對(duì)車窗玻璃不具備破壞能力，粒徑在5 mm 以下沙粒對(duì)車窗玻璃不具備直接破壞能力，但均存在對(duì)車窗玻璃造成碎點(diǎn)的能力；沙粒粒徑為5～6 mm 是造成車窗玻璃破碎的最為危險(xiǎn)的粒徑范圍。

(5) 傾斜45°單顆擊打的碎點(diǎn)速度和擊碎速度都比垂直單顆擊打工況下的要大，碎點(diǎn)速度約為垂直擊打工況下的1.2 倍，擊碎速度約為垂直擊打工況下的1.12 倍。

(6) 在各工況下，擊碎速度與平均粒徑之間存在冪函數(shù)關(guān)系，冪為-0.71～-0.72。

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