风沙流对列车车窗玻璃破坏能力的试验测试

许良中，梁习锋，刘堂红，王中钢

(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

风沙对铁路危害的主要形式有3 种：(1) 路基风蚀；(2) 沙埋路基；(3) 大风对铁路上部建筑和客货列车行车的危害[1-2]。国内很多学者对风沙灾害的特征以及防风固沙的措施进行了研究，研究的重点是以风沙流运动规律为基础围绕如何防风治沙这一关键性问题[3-5]，采取有效的工程措施如修建截沙沟、挡沙堤、防沙砾栅栏、高立式尼龙网栅栏等[6]，在铁路防风治沙方面取得了很多显著的成果。然而，在兰新(兰州—新疆乌鲁木齐)线百里风区、南疆线前百里风区等大风铁路路段，列车车窗玻璃在风沙流作用下被击碎的情况几乎年年发生，甚至出现整列列车迎风侧车窗玻璃完全被击碎的情况，严重危及乘客安全[7]。近些年，张克姝等[8]对高原列车车窗玻璃低压问题进行了研究，并研制了一种自呼吸式的中空玻璃来解决这个问题；此外，王立闯[9]对磁悬浮列车侧窗玻璃进行了风压载荷疲劳试验研究。这些研究都取得了很多成果，但都集中在压力载荷对车窗玻璃的影响上，未对车窗玻璃所能承受的瞬态风压及静态压差极限进行相关研究，对侧窗玻璃所进行的相关试验参考的标准为UIC566(《国际铁路联盟客车车体结构分析标准》)；在兰新线等大风地区以及高海拔地区车窗所承受的疲劳载荷谱具有特殊的地域性，应该根据真实的疲劳载荷谱考核交变压力对车窗玻璃的破坏能力。为此，本文作者针对这一特殊问题采用试验手段，研究风沙二相流对车窗玻璃的破坏极限，分析车窗玻璃的破坏原因，以便为大风砾漠地貌下的安全行车指挥提供依据。列车车窗玻璃在风沙流作用下所受到的冲击可划分为以下几个方面：瞬态风压、静态压差、交变疲劳载荷、砾石冲击等，试验针对这几个因素研究车窗玻璃所能承受的限值以及在风压与砾石耦合作用下对车窗玻璃的破坏能力。试验中所采用的玻璃样本均为长×宽为1 212 mm×962 mm 的车窗玻璃，经过湖南省玻璃陶瓷制品质量监督检测中心抽样检测，检测结果表面应力为94～109 MPa，均符合相关标准。但由于每片钢化玻璃之间的表面应力存在差异，为使得到的结果具有代表性，以下所有试验均采取多次重复试验取平均值的方法确定试验结果。

1 风压破坏能力试验分析

1.1 瞬态风压冲击

为了研究这个问题，建立一套提供瞬态高气压冲击载荷的空气炮试验装置，通过不断提高作用在车窗玻璃上的冲击压力直至玻璃破碎为止的方法测试玻璃承受瞬态强风压冲击能力。其试验原理是通过空气压缩机对空气炮进行高压充气，当空气炮罐体内到达一定压力时，瞬间释放罐体内气体，从而获得一个很大的空气压力射流。由于射流在传输过程中存在损失，通过调整玻璃与空气炮的距离控制空气炮对玻璃的冲击压力。应用带放大器的多通道采集集成系统，配合计算机实时采集压力。

在玻璃迎风面安装感压片，测定不同冲击工况下玻璃的表面压力分布情况，以确定空气压力对玻璃的破坏程度。玻璃承受的最大瞬态冲击压力见表1，瞬态载荷图谱见图2。当车窗玻璃中心最大瞬态冲击载荷从18.12 kPa 逐渐提升至69.38 kPa 时车窗玻璃仍然没有被破坏。在实际工况下，兰新线最大实测风速为60 m/s，与车速耦合后车窗实际所受到的最大风载荷为4.00 kPa 左右，可见瞬态风压冲击不具备直接破坏车窗玻璃的能力。

图1 实测机车前窗风压Fig.1 Wind pressure load on locomotive front window

图2 中心点瞬态冲击最大压力Fig.2 Maximum transient pressure on center of window

表1 瞬态冲击结果Table 1 Result of transient impact test

1.2 静态耐压极限

TB/T 3107—2011《(铁道客车辆单元式组合车窗》)规定车窗抗风压性能：变形压力差p≥3.0 kPa，安全压力差p≥3.5 kPa[10]。标准中对车窗玻璃所能承受的压力差值上限并未进行规定，而在高原等低气压区双层中空车窗玻璃内外所承受的差压远远大于标准中规定值[8,11]，因此，需得到车窗玻璃静态耐压极限值，以分析低气压区中空玻璃内外压差是不是玻璃破碎的原因。

为了确定玻璃在静压条件下的耐压极限及不同静载压力下的玻璃中心挠度[12]，建立了静态水压试验平台。该平台主要由密封装置、水槽、加压装置、水压和挠度采集系统等几部分组成。采用与列车车窗相同的密封方案，以橡胶垫圈作为弹性缓冲结构，将车窗玻璃平放在水压试验台上，将水密封在水槽内，通过水力打压设备，对密闭水域加压，最终将压力传递到玻璃面上。加压过程以2 kPa 作为加载梯度，每个梯度加载的时间不小于1 min，可认为水槽内的压力为静态载荷。

在玻璃上表面布置位移传感器以测试玻璃的变形挠度。在水槽内布置水压传感器测试水槽内的水压，图3 所示为测试玻璃中心点挠度随压力变化曲线。由图3 可见：当5 mm 厚单层玻璃破碎压力为29.5 kPa，对应表面中心位置最大挠度31.2 mm 时，玻璃发生破碎；8 mm 厚单层玻璃在压力为41.4 kPa，中心挠度为25.3 mm 时，发生破碎。该压力(29.5 kPa)即为车窗玻璃的静态耐压极限。当车窗玻璃的内外压差达到这一值时，车窗玻璃就会发生破碎。

图3 车窗玻璃中心挠度随水压变化曲线Fig.3 Relationship between pressure and deflection in center of glass

1.3 交变疲劳载荷

根据UIC566 疲劳载荷测试的规定，最大交变疲劳载荷为±2.5 kPa，且测试的目的是测试车窗框架整体的密封性及强度，对车窗玻璃疲劳强度的考虑较少。根据《新疆铁路大风环境下列车空气动力学及防风设施试验研究报告》，机车玻璃表面压力最大值为3～4 kPa[13]，根据这一试验结果，考核交变疲劳载荷对车窗玻璃的破坏能力，应该将交变疲劳载荷设定为±4 kPa。

水压疲劳试验台是在水压试验台的基础上，增加一套阀门压力控制装置改装而来。利用真空泵改变水槽内水的压力，通过继电器阀门来控制循环周期及玻璃受压峰值，模拟5 mm 厚单片车窗玻璃在最恶劣环境下的疲劳工况：在±4 kPa 交变载荷下累计循环10万个周期。疲劳试验台提供的水压疲劳载荷为±4 kPa交变载荷，循环周期为2.45 s，水压疲劳载荷图谱如图4所示。水压疲劳试验耗时较长，共完成了3片5 mm厚车窗玻璃的疲劳测试试验，试验的疲劳周期都在10万次以上，试验结果如表2 所示。随机挑选3 块车窗玻璃加载10 万次疲劳载荷后均未破碎。

图4 疲劳载荷图谱Fig.4 Fatigue load spectrum

2 沙粒破坏能力试验分析

试验模拟实际工况下车窗玻璃受颗粒冲击情况。沙石采用兰新铁路沿线采集的各粒径等级的样本，试验工况包括单颗和多颗粒垂直冲击以及倾斜冲击等，研究无风压载荷工况下各粒径沙石破坏车窗玻璃所需具备的速度。主要试验装置为空气炮沙粒冲击试验装置，将粒石放入空气炮喷嘴处，利用空气炮释放的高压气体对粒石进行加速。该装置主要由空气炮和粒石测速系统2 部分组成。空间粒石速度测量系统是基于机器视觉的专门为风沙灾害问题研制的，用于分析风沙流中沙粒运动速度的高灵敏检测装置，实现对空间渡越的粒石速度和粒径的实时测量。其基本原理是由偏振激光片光源发射系统发射2 片扇形平行光幕，当空间粒石先后穿越这2 片平行光幕时，形成光反射，高灵敏度光传感器接收到的光信号发生突变并转换成电信号，通过并行AD 多通道采集将信号输送至计算机，计算机再计算并记录飞越粒石的速度及其粒径。

2.1 单颗垂直击打

玻璃在静态条件下，从单颗沙粒入手，研究单颗沙粒垂直击打车窗玻璃时沙粒的破坏速度，有利于明确单颗沙粒的破坏能力及玻璃的粒石抗冲击能力。试验玻璃为单片5 mm 厚车窗玻璃，沙粒对车窗玻璃的损坏程度按严重程度分为擦痕、碎点(图5)、破碎(图6)3 个等级；定义造成这3 种程度损伤沙粒所必须具备的速度分别为擦痕速度、碎点速度以及破碎速度。

图5 碎点损伤图Fig.5 Photos of broken point

图6 5 mm 车窗玻璃破碎裂纹Fig.6 Crack of broken glass

表3 所示为每个粒径等级单颗垂直击打玻璃工况下沙粒击碎玻璃速度。试验未能测试出2 mm 以下粒径等级的沙粒对车窗玻璃的击碎速度。兰新线实测最高风速为60 m/s，根据风沙两相单颗粒运动模型[14]，在长时间加速情况下，沙粒会无限接近风速但不会超过风速的规律判断，沙粒运动速度无法超越兰新线实测的最高风速60 m/s，由此可以判断：粒径在1 mm以下的沙粒对车窗玻璃不具备破坏能力，5 mm 以下沙粒对车窗玻璃不具备直接破坏能力，但均存在对车窗玻璃造成碎点的能力；6 mm 以上沙粒在铁路沿线各种地形地貌环境下，通过集沙仪集沙分析基本未发现。5～6 mm 粒径沙粒可以直接击碎车窗玻璃又可以在较低速度下对车窗玻璃造成破碎，该范围是最危险的粒径范围。将各个粒径等级的碎点速度、破碎速度与平均粒径之间进行拟合发现：碎点速度、破碎速度与平均粒径之间存在幂函数关系，幂约为-0.72，见图7。

表3 单颗垂直击打试验结果Table 3 Vertical impact results of single gravel m/s

图7 垂直冲击工况下碎点速度、破碎速度与粒径关系Fig.7 Relationship between gravel size and broken velocity in vertical impact condition

2.2 单颗45°倾斜击打

由于在实际工况中，粒石并不一定垂直击打在玻璃表面，很有可能以一定角度冲击玻璃[15-17]，因此，研究粒石以一定角度击打玻璃对倾斜打击的规律显得很重要。考虑到倾斜45°冲击车窗玻璃比较具有代表性，故选用此工况开展试验。

依据多次打击取平均值的试验方法得到在倾斜45°的工况下各个粒径等级在不同速度下对钢化玻璃的破坏情况。表4 所示为单颗垂直击打破碎平均速度，根据表数据进行数据拟合得到碎点速度、击碎速度与平均粒径之间的幂函数关系，如图8 所示。从图8 可见：在倾斜冲击工况下，碎点速度和击碎速度比垂直冲击工况下都要大，根据拟合公式判断碎点速度是垂直冲击工况下的1.20 倍，击碎速度是垂直冲击工况下的1.12 倍。

表4 单颗倾斜45°击打试验结果Table 4 Single gravel impact results in 45° angle m/s

图8 倾斜冲击工况下碎点速度、击碎速度与粒径关系Fig.8 Correlation between gravel size and broken velocity in inclined impact condition

3 风沙耦合作用试验分析

根据乌鲁木齐铁路局《新疆铁路大风环境下列车空气动力学及防风设施试验研究报告》，大风环境下列车车体车窗位置处表面压力最大测量结果为3～4 kPa，为了较真实地模拟玻璃受到4 kPa 风压时沙粒的击碎速度，特研制负压仓装置。将玻璃安装在负压仓上，利用真空泵抽走部分仓内的空气，使玻璃的受击打面和背风面形成4 kPa 的稳定压差(内部为负压)，在这种条件下测试沙粒对玻璃的击碎速度。通过调节设备仓内的压力将玻璃的内压压差调至4 kPa，再用沙粒垂直打击，得到的结果与玻璃未承受负压工况的结果进行对比，研究风压对沙粒击碎玻璃速度的影响。试验结果如表5 所示。击碎速度比未加载-4 kPa 风压载荷垂直冲击工况试验结果要小，根据试验结果，3～5 mm粒径等级的沙粒在60 m/s 之内都具有直接击碎车窗玻璃的可能；击碎速度与粒径呈幂函数关系，且幂为-0.71，与垂直冲击工况以及倾斜冲击工况规律一致，见图9。从图9 可见：在-4 kPa 工况下击碎速度比未加载风压工况下小6%～7%。

表5 负压仓垂直击打破碎速度Table 5 Results of vertical impact under negative capsule

图9 各工况下沙粒击碎速度对比Fig.9 Comparison of broken velocity under different conditions

4 结论

(1) 车窗外层5 mm 厚车窗玻璃单片静态耐压为29.5 kPa，在瞬态纯空气69.4 kPa 冲击条件下，玻璃完好无损。根据《新疆铁路大风环境下列车空气动力学及防风设施试验研究报告》，机车玻璃表面压力最大值为3～4 kPa，客车车窗玻璃为1～2 kPa，远远小于瞬态冲击与静态水压压力，说明风沙环境下车窗玻璃破损受风压的影响较小。

(2) 经过10 万次正负压4 kPa 交变载荷疲劳试验，玻璃并未发生破坏。

(3) 由负压仓模拟玻璃在受到4 kPa 风压时的玻璃破碎速度比垂直单颗击打工况下的破碎速度小6%～7%，可见风压对玻璃破碎的作用较小，主要破碎的原因在于风沙流中沙粒的击打。

(4) 根据兰新线实测的最高风速60 m/s 判断，在纯沙粒冲击工况下，粒径在1 mm 以下沙粒对车窗玻璃不具备破坏能力，粒径在5 mm 以下沙粒对车窗玻璃不具备直接破坏能力，但均存在对车窗玻璃造成碎点的能力；沙粒粒径为5～6 mm 是造成车窗玻璃破碎的最为危险的粒径范围。

(5) 倾斜45°单颗击打的碎点速度和击碎速度都比垂直单颗击打工况下的要大，碎点速度约为垂直击打工况下的1.2 倍，击碎速度约为垂直击打工况下的1.12 倍。

(6) 在各工况下，击碎速度与平均粒径之间存在幂函数关系，幂为-0.71～-0.72。

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