國外機車前風擋玻璃抗沖擊測試標準解析及應對策略

董磊

摘 要：本文主要以海外市場認可度較高的兩種安全標準：歐盟和美國最新標準為例，對機車車輛前窗風擋玻璃的抗沖擊標準進行了解析并提出了影響其抗沖擊強度的關鍵因素，從玻璃表面要求、玻璃邊緣處理、玻璃外形設計三個方面提出滿足上述抗沖擊性能的應對策略。

關鍵詞：前風擋玻璃；國外標準；抗沖擊性；影響因素；應對策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.031

1 國外風擋玻璃的抗沖擊標準解析

隨著全球市場需求不斷壯大，中國中車也在不斷拓展自己的海外市場，越來越多的海外市場要求我方采用國外玻璃安全技術標準。本文針對海外市場認可度較高的歐盟EN15152標準對抗沖擊測試和美國49 CFR FRA Part223標準做沖擊試驗，均完全通過標準測試。

2 影響前風擋玻璃抗沖擊強度因素分析

目前，關于影響前風擋玻璃沖擊強度分析的著作文獻有很多。其中陳晶晶等借助于Weibull分布函數(shù)，對玻璃受沖擊情況下的斷裂強度進行了分析[1]。林榮會等通過建立有限元模型，應用ABAQUS軟件對夾層玻璃受冰雹沖擊的強度進行了分析[2]。楊愛蓮等對列車前窗玻璃的抗飛彈性能進行了仿真分析[3]。楊建軍等利用“升降法”原理，結合數(shù)理統(tǒng)計技術，對安全玻璃的抗沖擊強度進行了評價[4]。歐迎春等通過實驗模擬的方法，針對不同膠片對玻璃抗沖擊強度的影響進行了分析[5]。通過上述文獻參考及多年設計制造經(jīng)驗，筆者認為主要影響前風擋玻璃抗沖擊強度的因素可歸納為以下幾個方面。

2.1 夾層玻璃的組合結構

夾層玻璃的組合結構是機車前窗風擋玻璃強度設計的首要因素。合理的組合結構，既能保證整塊前窗風擋玻璃滿足力學性能要求，又能減輕重量和降低成本，還會降低后期車輛運營后出現(xiàn)質量問題的風險。

根據(jù)不同的設計需求，目前的前窗玻璃組合結構有：2層無機玻璃（中間夾PVB膜）、3層無機玻璃（中間夾2層PVB膜）、2層無機玻璃1層PC板（中間夾PU膜）等多種形式。

2.2 風擋玻璃的熱處理方式

從2000年初到現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)對前風擋玻璃產(chǎn)品所用的無機玻璃的熱處理方式逐步已形成清晰的認識。從最初要求的“物理鋼化玻璃”，過渡到“半鋼化熱增強玻璃”再到“化學鋼化玻璃”。在這幾種玻璃中由于化學鋼化玻璃表面附有金屬離子所以表面硬度最為優(yōu)異，目前已經(jīng)成為前窗玻璃設計的主流形式。

2.3 膠片的材質

夾層結構風擋玻璃的夾層有以下幾種材質，常規(guī)的夾層玻璃采用PVB膠片，但在低溫條件下抗沖擊要求較高的夾層玻璃，常規(guī)的PVB膠片難以滿足使用要求，采用PU膠片則可滿足低溫韌性這一要求。同時國外采用一種超薄的聚酯鍍膜與常規(guī)PVB配合使用的復合膠片材料。為滿足速度等級高的抗沖擊強度，常規(guī)的做法是加厚中間層的PVB或PU。但夾層的加厚直接影響產(chǎn)品的副像偏離及霧度。針對這一問題，目前市場上應運而生了一種低霧度、防眩暈的改性PVB材料。

2.4 防飛濺膜的應用

夾層玻璃本身已經(jīng)具有很高的抗沖擊性能，但個別業(yè)主要求夾層玻璃在破裂后內(nèi)層不能存在飛濺物，為了滿足這一要求，夾層玻璃需要在內(nèi)層粘接防飛濺膜，采用不同性能的聚酯膜層或PC板作為玻璃的防飛濺內(nèi)層可以大大提高玻璃制品的抗沖擊性能。

2.5 玻璃的內(nèi)應力控制

在以往多個項目中，曾發(fā)生過前窗風擋玻璃在無明顯撞擊的情況下發(fā)生“開裂”現(xiàn)象。除了玻璃外形與車頭吻合度差、車頭鋼結構發(fā)生較大變形這兩類較為明顯的外部因素之外，玻璃的內(nèi)應力不符合質量要求（特別是打孔處、邊緣部位、大曲率變形部位的內(nèi)應力）也是導致這一現(xiàn)象的主要的誘因之一。一旦玻璃的內(nèi)應力過大，將造成其機械強度大大縮減，進而顯著影響整個夾層玻璃的整體抗沖擊強度。

3 風擋玻璃滿足抗沖擊強度的應對策略

風擋玻璃材料的理論強度很高，但實際應用中其強度卻比理論值低了1-2個數(shù)量級。在車輛運營中，為了讓風擋玻璃更好地滿足抗沖擊要求，我們需要在如下幾個方面進行考慮：

首先，盡量減少各類玻璃表面的劃傷，特別是外側化學鋼化玻璃表面。因為如果玻璃表面損傷層的厚度超過了化學鋼化玻璃的壓應力層，那么化學鋼化層的抗沖擊效果即將不明顯。即使不超過，也會因為玻璃表面微裂紋的存在而導致化學鋼化強度的明顯降低[6]。

其次，加強玻璃邊緣部位的處理，防止因微裂紋而引起的破損。邊緣部位是玻璃的薄弱部位，也是玻璃與車體結構接觸并承受壓力的部位，玻璃的破損多數(shù)是從邊緣部位往中心延伸的。不同的邊緣部位處理工藝會帶來不同的內(nèi)應力水平。

最后，合理優(yōu)化玻璃的外形設計。面對十分大型的、異常復雜的流線型設計需求，目前玻璃制造行業(yè)的裝備以及工藝還不能完全適應。在生產(chǎn)過程中，常常需要局部加溫或局部印刷大面積的絲網(wǎng)印圖案，這些都會給玻璃本身帶來較為明顯的溫差并產(chǎn)生難以完全消除的內(nèi)應力，為強度下降埋下了隱患。因此，設計人員在進行機車車頭設計時，應適當考慮工藝制作難度。

4 結語

雖然國外標準針對機車車輛風擋玻璃抗沖擊測試有著不同型式的要求，但是宗旨只有一條，那就是要求風擋玻璃能夠滿足在特定環(huán)境下的特定抗沖擊性能要求。由于風擋玻璃的強度與風擋玻璃的組合結構、熱處理方式、膠片的材質等多方面因素有關，所以設計時單從某一方面考慮是不能應對標準要求的，必須綜合考慮各方面因素影響。只有將風擋玻璃設計貫穿到研制的每個細節(jié)中去，才能使風擋玻璃具有良好的抗沖擊性能。

參考文獻：

[1]陳晶晶.夾層玻璃動態(tài)沖擊下斷裂機理研究[D].清華大學，2014.

[2]林榮會，楊冉，龔宇龍.夾層玻璃受冰雹沖擊的有限元模擬和沖擊點的動態(tài)響應[J].硅酸鹽通報，2016，35（11）：3562-3568.

[3]楊愛蓮，劉海濤.列車前窗玻璃抗飛彈性能仿真分析[J].中國建材科技，2018（01）：1-3.

[4]楊建軍.安全玻璃抗沖擊強度的評價及其應用[A].中國加工玻璃年會暨首屆研討會，2005.

[5]歐迎春.膠片性能對夾層玻璃抗沖擊能力的影響[A].全國玻璃技術交流研討會，2010.

[6]白曉光.化學鋼化玻璃/PU/PC輕質復合結構玻璃的制備與研究 [D].東華大學，2014.