標(biāo)準(zhǔn)化動車組車窗（門）氣壓疲勞試驗的裝置研究

秦建忠，朱正邦，李 杰

（1. 常州今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，常州 213000； 2. 天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201100）

標(biāo)準(zhǔn)化動車組車窗（門）氣壓疲勞試驗的裝置研究

秦建忠1，朱正邦2，李 杰2

（1. 常州今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，常州 213000； 2. 天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201100）

標(biāo)準(zhǔn)化動車組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對樣車的車窗（門）需進(jìn)行交變氣壓載荷疲勞試驗，以驗證車窗（門）結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)有通用的車窗（門）氣壓疲勞實驗裝置，設(shè)計了另外一種新型的試驗裝置。本裝置原理簡單，操作方便，通用性能很強(qiáng)，能適用于不同的壓力、頻率、波形的試驗條件，并可以采集到車窗（門）在交變載荷下的應(yīng)變、形變值，為驗證動車組車窗（門）在交變氣壓載荷下的疲勞強(qiáng)度特性提供了重要的試驗手段。

動車組車窗（門）；氣壓疲勞試驗；疲勞強(qiáng)度；試驗裝置

列車交匯或通過隧道時會產(chǎn)生空氣壓力波（膨脹波和壓縮波），該壓力使車內(nèi)外形成壓差并隨著列車運(yùn)行持續(xù)不斷發(fā)生，對列車車體產(chǎn)生較大沖擊，列車在整個行駛壽命中要承受百萬多次空氣壓力波的沖擊[1]。目前國內(nèi)的鐵路大幅度提速，而列車行駛速度越高，產(chǎn)生的空氣壓力波也越大。作為一種瞬態(tài)沖擊波，交變壓力波對列車側(cè)窗、車門的沖擊最為明顯：車體受壓部件中的焊接接頭、結(jié)構(gòu)不連續(xù)及開孔等區(qū)域常常會產(chǎn)生很高的局部峰值應(yīng)力，可能使車體材料晶粒間發(fā)生滑移和位錯，逐漸形成微裂紋，隨著交變氣壓載荷的不斷循環(huán)，微裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)而形成宏觀疲勞裂紋貫穿整個壁厚，最終導(dǎo)致車體發(fā)生疲勞斷裂，危及列車和乘客的安全[2]。

目前的試驗中，側(cè)窗膠黏劑、鋁合金壓條、固定座以及固定螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)件均出現(xiàn)不同程度的損壞，中空玻璃剛度以及結(jié)構(gòu)件的固定方式是影響車窗疲勞性能的主要因素。因此，需要進(jìn)行交變氣壓載荷疲勞強(qiáng)度試驗。通過試驗?zāi)M真實載荷，分析車窗（門）的結(jié)構(gòu)性能，將有效地發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而提高車窗（門）的使用壽命[3-4]。

1 國內(nèi)通用試驗裝置簡介

目前國內(nèi)通用的交變氣壓載荷裝置都是用風(fēng)機(jī)實現(xiàn)的，具有代表性的是國家安全玻璃及石英玻璃質(zhì)量監(jiān)督

檢驗中心研發(fā)的一套風(fēng)載疲勞實驗設(shè)備，其性能如下：可在車窗上產(chǎn)生 0～±8000Pa 以內(nèi)的正弦載荷，載荷頻率為 1～8Hz，載荷幅值偏差為±100Pa以內(nèi)。其基本原理如下：由風(fēng)機(jī)提供氣體壓力，通過管道上的控制開關(guān)及微調(diào)開關(guān)對壓力的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過對伺服電機(jī)的控制來實現(xiàn)壓力方向的改變及切換頻率，并記錄循環(huán)次數(shù)。這種試驗裝置的優(yōu)點(diǎn)是精度高，穩(wěn)定性好，操作設(shè)置方便，工裝簡單。但是試驗裝置的核心部件是伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的造價較高，增加了試驗成本，其次此試驗裝置的切換頻率不高，在8Hz以下，受到了電機(jī)的機(jī)械特性的制約。

另外一種試驗裝置是采用三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為壓力源，氣動蝶閥配合單向閥作為正負(fù)壓切換控制元件，這樣鼓風(fēng)機(jī)只要一直單向工作即可實現(xiàn)交變載荷。此裝置的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)成本低，控制方便。但系統(tǒng)的壓力控制曲線不光滑，且風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱量可能會進(jìn)入試驗件，導(dǎo)致試驗件過熱。系統(tǒng)的頻率受制于閥門的切換速度，而氣動蝶閥的切換速度較慢。

2 活塞式交變氣壓載荷裝置

2.1 裝置介紹

本試驗裝置的原理圖見圖1，裝置簡圖見圖2。裝置由液壓驅(qū)動系統(tǒng)、剛性固定支架、傳動機(jī)構(gòu)、活塞機(jī)構(gòu)、密封腔、檢測系統(tǒng)組成?；驹砣缦拢豪靡簤合到y(tǒng)使作動器往復(fù)運(yùn)動，作動器通過萬向軸承連接到活塞上，從而驅(qū)動活塞在套筒內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行，進(jìn)而壓縮、抽拉密封腔內(nèi)的空氣，密封腔內(nèi)體積發(fā)生變化的同時，壓強(qiáng)也發(fā)生交替的變化，故可以通過調(diào)節(jié)作動器的行程和頻率來實現(xiàn)車窗密封腔的正負(fù)壓強(qiáng)變化。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)：本系統(tǒng)采用比例開環(huán)式的控制方式，系統(tǒng)流量120L/min，額定壓力21Mpa，采用雙出桿式的液壓作動器，作動器的行程和切換頻率由波形發(fā)生器進(jìn)行控制：在波形發(fā)生器中輸入設(shè)定的波形（正弦波、三角波、方波等），即可通過電壓信號驅(qū)動比例閥，從而控制液壓缸的動作。系統(tǒng)采用電子比例式調(diào)壓，根據(jù)

設(shè)定程序自由改變作動器的推力大小，并采用蓄能器吸收加載過程中的沖擊。

圖1 裝置原理圖

圖2 裝置簡圖

傳動機(jī)構(gòu)：裝置采用了一個萬向軸承連接活塞法蘭和作動器的螺紋桿，解決了加載系統(tǒng)的安裝精度問題，同時有效地避免了在往復(fù)動作中的卡死問題。

活塞機(jī)構(gòu)：本裝置采用了直徑500mm的活塞，活塞與活塞套筒采用間隙配合，并安裝導(dǎo)向帶和密封圈，保證活塞在套筒內(nèi)自由的運(yùn)動并在試驗要求壓力內(nèi)不漏氣?？梢愿鶕?jù)實際的壓力大小，修改活塞的尺寸，活塞越大，試驗的壓力值就越大。

密封腔：密封腔用以安裝試驗件，將試驗件的外側(cè)朝向密封腔的內(nèi)側(cè)，即氣壓載荷直接作用在試驗件的外側(cè)。用西卡膠將試驗件的邊框型材與密封腔腔體密封，同時在密封區(qū)域安裝壓板以防止密封膠抗拉強(qiáng)度不夠。同時螺釘安裝處均需要安裝密封墊，防止漏氣。

檢測系統(tǒng)：系統(tǒng)采用壓力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變花來分別檢測試驗件的壓力、撓度、應(yīng)變值。其中壓力傳感器分別安裝在密封腔中間區(qū)域和邊緣區(qū)域，實際顯示的壓力曲線是兩處壓力的平均值；位移傳感器分別安裝在試驗件玻璃的中心區(qū)域、玻璃的邊緣和鋁型材的邊框上；應(yīng)變片的位置和位移傳感器相近，試驗件內(nèi)外側(cè)均粘貼應(yīng)變花。載荷曲線通過數(shù)據(jù)采集儀存儲，并在計算機(jī)上進(jìn)行實時監(jiān)控。

2.2 裝置性能

車窗的一般尺寸在850*1600mm之間，厚度不等。裝好車窗后密封腔的氣體體積在64L左右，活塞的直徑為500mm。則根據(jù)波以耳定律，定溫定量的氣體，其壓力與體積的關(guān)系如下：

式中，P表示理想氣體的壓強(qiáng)；V表示理想氣體的體積；n表示氣體物質(zhì)的量； T表示理想氣體的熱力學(xué)溫度；R表示理想氣體常數(shù)。

則對于正壓情況：

則對于負(fù)壓情況：

式中，P0表示大氣壓強(qiáng)105pa；V0表示密封腔的氣體初始體積；P△表示試驗要求的壓力變化量；V△表示密封腔的氣體體積變化量。

如果試驗要求±4.5kpa，則理論上活塞的壓縮量L1=14.1mm，活塞的伸長量為L2=15.4mm；如果試驗要求±6kpa，則理論上活塞的壓縮量L1’=18.6mm，活塞的伸長量為L2’=20.9mm。

為了滿足試驗的正負(fù)壓力值，活塞必須在規(guī)定的頻率內(nèi)達(dá)到規(guī)定的行程值，活塞的控制由泵站的壓力和比例閥的開度以及切換頻率控制。系統(tǒng)壓力越高，活塞的行程越大；比例閥的開度越大，活塞的行程越大；比例閥的切換頻率即為活塞的運(yùn)動頻率。

由于本系統(tǒng)的油源為120L/min，壓力為21Mpa，作動器采用的是內(nèi)徑40mm的液壓缸，在1.5Hz的頻率下，行程能達(dá)到±84mm。所以行程遠(yuǎn)滿足試驗要求。試驗中可能存在正負(fù)壓力不對稱的情況，此時通過一個調(diào)壓閥實現(xiàn)壓力的補(bǔ)償平衡作用。調(diào)壓閥一端連接密封腔，一端連接氣泵或者真空泵，當(dāng)負(fù)壓較小時，啟動真空泵，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥按鈕，即可將壓力調(diào)至平衡位置；當(dāng)正壓較小時，啟動氣泵，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥按鈕，即可將壓力調(diào)至平衡位置。

對于試驗的密封腔較大時，即對于車門的疲勞試驗時，可增大活塞的面積。這樣，單位行程的體積變化量增大，即可滿足指標(biāo)。由于活塞面積增大，導(dǎo)致作動器的推力相應(yīng)增大，此時需要增加泵的工作壓力。

3 試驗案例與結(jié)果

由某公司提出的試驗需求，檢測逃生車窗抗交變正負(fù)壓強(qiáng)的強(qiáng)度特性，包括檢測車窗的變形、撓度、應(yīng)力、露點(diǎn)等參數(shù)指標(biāo)。試驗要求見表1。

表1 壓力循環(huán)條件

圖3 裝置加載狀態(tài)

圖4 產(chǎn)品安裝狀態(tài)

圖5 車窗實時壓力曲線(4500Pa)

圖6 車窗實時壓力曲線(6000Pa)

裝置的加載狀態(tài)見圖3，產(chǎn)品的安裝狀態(tài)見圖4，車窗密封在密封腔內(nèi)，密封腔與支架和地基固定，密封的一端安裝活塞機(jī)構(gòu)，活塞機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動?？刂坪靡簤鹤鲃悠鞯念l率和行程，即可達(dá)到試驗要求的條件。

圖5與圖6為車窗實際試驗壓力曲線，由截取的曲線可以看出：試驗壓力穩(wěn)定且精度在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，本試驗裝置可以滿足車窗在1.5Hz下±4.5kpa與±6kpa的試驗要求。

4 結(jié)論

1）本裝置以液壓泵作為動力源，液壓作動筒作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用了活塞式的加載方式，可以自由的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加載頻率及風(fēng)壓大小。其加載頻率在10Hz以上，風(fēng)壓大小可以根據(jù)作動筒的行程進(jìn)行控制，最大可實現(xiàn)±8kpa，此外針對腔體比較大的試驗件，可以增大活塞的面積。

2）本裝置的控制方式簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定，并有完整的壓力、擾度、應(yīng)變采集系統(tǒng)，能實時監(jiān)測試驗件的狀態(tài)。

3）相對于其他試驗裝置，本裝置的突出優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備成本相對較低；采用液壓加載，推力大，加載頻率高；壓力曲線比較平滑，近似的正弦波。

4）本試驗裝置能滿足標(biāo)準(zhǔn)化動車組車窗的疲勞載荷試驗。

[1] 王前選，梁習(xí)峰. 高速列車車體氣動載荷疲勞強(qiáng)度試驗裝置研究[J].中南大學(xué)學(xué)報,2014,4(8)：2884-2891.

[2] UIC 566—1990,客車車體及其零部件載荷[S].

[3] 王立闖,臧曙光,馬眷榮,等.高速列車側(cè)窗風(fēng)壓疲勞性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2010, 32(22)： 5-8.

[4]余思均. 高速列車氣動載荷車體疲勞強(qiáng)度研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實驗室, 2008： 1-30.

秦建忠，1966年7月，大專（東南大學(xué)，機(jī)械鑄造專業(yè)）、本科（南京大學(xué)，經(jīng)濟(jì)管理專業(yè)）,工程師，研究方向：軌道交通產(chǎn)品可靠性。

朱正邦，1988年11月，本科（江蘇大學(xué)，機(jī)械制造）、碩士（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，機(jī)械電子）助理工程師。

李杰，1984年3月本科（復(fù)旦大學(xué)，力學(xué)）、碩士（復(fù)旦大學(xué)，力學(xué)）工程師。

Device of Aerodynamic Load Fatigue Test for Window (Door) of Standardization of EMU

QIN Jian-zhong1, ZHU Zheng-bang2, LI Jie2
（1.KTK Co., Ltd., Changzhou 213000; 2. Shanghai Branch, Tianjin Aerospace Relia Technology Co., Ltd., Shanghai 201100）

The related standards of standardization of EMU require the window (door) in the train to withstand alternating pressure fatigue test, in order to verify the fatigue strength. In this paper, a new type of experiment device is designed based on the existing general pneumatic fatigue test device used for window (door) with the advantages of simple principle, convenient operation, and high applicability. Different test conditions of pressure, frequency and waveform can be realized and the strain and the deformation value of window (door) can be collected under alternating pressure. So this device provides an important test method to verify the fatigue strength of EMU window (door) under alternating pressure load.

EMU window (door); pneumatic fatigue test; fatigue strength; test device

TH113.2+3

A

1004-7204（2015）02-0062-04