国外机车前风挡玻璃抗冲击测试标准解析及应对策略
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摘 要：本文主要以海外市场认可度较高的两种安全标准：欧盟和美国最新标准为例，对机车车辆前窗风挡玻璃的抗冲击标准进行了解析并提出了影响其抗冲击强度的关键因素，从玻璃表面要求、玻璃边缘处理、玻璃外形设计三个方面提出满足上述抗冲击性能的应对策略。
关键词：前风挡玻璃；国外标准；抗冲击性；影响因素；应对策略
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.031
1 国外风挡玻璃的抗冲击标准解析
随着全球市场需求不断壮大，中国中车也在不断拓展自己的海外市场，越来越多的海外市场要求我方采用国外玻璃安全技术标准。本文针对海外市场认可度较高的欧盟EN15152标准对抗冲击测试和美国49 CFR FRA Part223标准做冲击试验，均完全通过标准测试。
2 影响前风挡玻璃抗冲击强度因素分析
目前，关于影响前风挡玻璃冲击强度分析的著作文献有很多。其中陈晶晶等借助于Weibull分布函数，对玻璃受冲击情况下的断裂强度进行了分析[1]。林荣会等通过建立有限元模型，应用ABAQUS软件对夹层玻璃受冰雹冲击的强度进行了分析[2]。杨爱莲等对列车前窗玻璃的抗飞弹性能进行了仿真分析[3]。杨建军等利用“升降法”原理，結合数理统计技术，对安全玻璃的抗冲击强度进行了评价[4]。欧迎春等通过实验模拟的方法，针对不同胶片对玻璃抗冲击强度的影响进行了分析[5]。通过上述文献参考及多年设计制造经验，笔者认为主要影响前风挡玻璃抗冲击强度的因素可归纳为以下几个方面。
2.1 夹层玻璃的组合结构
夹层玻璃的组合结构是机车前窗风挡玻璃强度设计的首要因素。合理的组合结构，既能保证整块前窗风挡玻璃满足力学性能要求，又能减轻重量和降低成本，还会降低后期车辆运营后出现质量问题的风险。
根据不同的设计需求，目前的前窗玻璃组合结构有：2层无机玻璃（中间夹PVB膜）、3层无机玻璃（中间夹2层PVB膜）、2层无机玻璃1层PC板（中间夹PU膜）等多种形式。
2.2 风挡玻璃的热处理方式
从2000年初到现在，业内对前风挡玻璃产品所用的无机玻璃的热处理方式逐步已形成清晰的认识。从最初要求的“物理钢化玻璃”，过渡到“半钢化热增强玻璃”再到“化学钢化玻璃”。在这几种玻璃中由于化学钢化玻璃表面附有金属离子所以表面硬度最为优异，目前已经成为前窗玻璃设计的主流形式。
2.3 胶片的材质
夹层结构风挡玻璃的夹层有以下几种材质，常规的夹层玻璃采用PVB胶片，但在低温条件下抗冲击要求较高的夹层玻璃，常规的PVB胶片难以满足使用要求，采用PU胶片则可满足低温韧性这一要求。同时国外采用一种超薄的聚酯镀膜与常规PVB配合使用的复合胶片材料。为满足速度等级高的抗冲击强度，常规的做法是加厚中间层的PVB或PU。但夹层的加厚直接影响产品的副像偏离及雾度。针对这一问题，目前市场上应运而生了一种低雾度、防眩晕的改性PVB材料。
2.4 防飞溅膜的应用
夹层玻璃本身已经具有很高的抗冲击性能，但个别业主要求夹层玻璃在破裂后内层不能存在飞溅物，为了满足这一要求，夹层玻璃需要在内层粘接防飞溅膜，采用不同性能的聚酯膜层或PC板作为玻璃的防飞溅内层可以大大提高玻璃制品的抗冲击性能。
2.5 玻璃的内应力控制
在以往多个项目中，曾发生过前窗风挡玻璃在无明显撞击的情况下发生“开裂”现象。除了玻璃外形与车头吻合度差、车头钢结构发生较大变形这两类较为明显的外部因素之外，玻璃的内应力不符合质量要求（特别是打孔处、边缘部位、大曲率变形部位的内应力）也是导致这一现象的主要的诱因之一。一旦玻璃的内应力过大，将造成其机械强度大大缩减，进而显著影响整个夹层玻璃的整体抗冲击强度。
3 风挡玻璃满足抗冲击强度的应对策略
风挡玻璃材料的理论强度很高，但实际应用中其强度却比理论值低了1-2个数量级。在车辆运营中，为了让风挡玻璃更好地满足抗冲击要求，我们需要在如下几个方面进行考虑：
首先，尽量减少各类玻璃表面的划伤，特别是外侧化学钢化玻璃表面。因为如果玻璃表面损伤层的厚度超过了化学钢化玻璃的压应力层，那么化学钢化层的抗冲击效果即将不明显。即使不超过，也会因为玻璃表面微裂纹的存在而导致化学钢化强度的明显降低[6]。
其次，加强玻璃边缘部位的处理，防止因微裂纹而引起的破损。边缘部位是玻璃的薄弱部位，也是玻璃与车体结构接触并承受压力的部位，玻璃的破损多数是从边缘部位往中心延伸的。不同的边缘部位处理工艺会带来不同的内应力水平。
最后，合理优化玻璃的外形设计。面对十分大型的、异常复杂的流线型设计需求，目前玻璃制造行业的装备以及工艺还不能完全适应。在生产过程中，常常需要局部加温或局部印刷大面积的丝网印图案，这些都会给玻璃本身带来较为明显的温差并产生难以完全消除的内应力，为强度下降埋下了隐患。因此，设计人员在进行机车车头设计时，应适当考虑工艺制作难度。
4 结语
虽然国外标准针对机车车辆风挡玻璃抗冲击测试有着不同型式的要求，但是宗旨只有一条，那就是要求风挡玻璃能够满足在特定环境下的特定抗冲击性能要求。由于风挡玻璃的强度与风挡玻璃的组合结构、热处理方式、胶片的材质等多方面因素有关，所以设计时单从某一方面考虑是不能应对标准要求的，必须综合考虑各方面因素影响。只有将风挡玻璃设计贯穿到研制的每个细节中去，才能使风挡玻璃具有良好的抗冲击性能。
参考文献：
[1]陈晶晶.夹层玻璃动态冲击下断裂机理研究[D].清华大学，2014.
[2]林荣会，杨冉，龚宇龙.夹层玻璃受冰雹冲击的有限元模拟和冲击点的动态响应[J].硅酸盐通报，2016，35（11）：3562-3568.
[3]杨爱莲，刘海涛.列车前窗玻璃抗飞弹性能仿真分析[J].中国建材科技，2018（01）：1-3.
[4]杨建军.安全玻璃抗冲击强度的评价及其应用[A].中国加工玻璃年会暨首届研讨会，2005.
[5]欧迎春.胶片性能对夹层玻璃抗冲击能力的影响[A].全国玻璃技术交流研讨会，2010.
[6]白晓光.化学钢化玻璃/PU/PC轻质复合结构玻璃的制备与研究 [D].东华大学，2014.
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