高速动车风挡玻璃的硬度有多强，其抗冲击性能与结构是如何设计？

文|农夫

高速动车铁路线会穿过山林、涵洞、隧道等，山体的碎石、涵洞、隧道的顶部均有可能掉落碎石块，高速运行过程中任何碰撞都有可能引起灾难性的后果。

国内轻轨、动车在运行过程中鸟撞事件时有发生，高速动车被鸟撞伤而停车的事故也不少见。

从图1的照片中可以看到高速动车车头上的斑斑血迹，可以看出鸟撞是经常发生的事情。

为保证动车安全可靠运行，车头风挡玻璃、灯罩、车体材料等都要有一定抗鸟撞防护能力，特别是风挡玻璃，如果被鸟撞穿则会伤及动车司机。

2011年3月8日武广高铁G1024次列车发生撞鸟事故，当时行驶速度达到340km/h，风挡玻璃轻度损伤，2012年和2013年京沪线两次发生飞鸟撞击风挡玻璃事件。

那么，高速动车风挡玻璃的硬度有多强？在什么速度下可以承受撞鸟事件呢？其抗冲击性能与结构是如何设计的？

国内外标准比较

（一）抗硬物冲击

不同国家对模拟石块冲击使用了不同试验冲击物，根据列车的设计运行速度，挑选不同的冲击体和不同的速度进行试验。

英国标准英国标准BR566《高抗冲击车窗规范》使用的是边长70mm左右的立方体钢弹，弹重0.9kg，弹体形状如图2-a所示。

该标准按运行速度分为三个等级：类型1为最高车速小于130km/h，类型2为最高车速小于180km/h，类型3为最高车速小于240km/h。

试验要求的冲击速度分别为：类型1最低试验速度为220km/h，类型2最低试验速度为290km/h，类型3最低试验速度为350km/h。

国际铁路联盟标准国际铁路联盟标准UIC651《机车、动车、动车组和驾驶拖车的司机室设计》使用的是顶端为半球型的圆柱体铝弹，弹重1.0kg，弹体形状和尺寸如图2-b所示。

试验速度为最高运行速度加160km/h，即（Vmax+160）km/h。

欧洲标准欧洲标准EN15152《铁道车辆应用-驾驶室前窗玻璃使用》和UIC651相同的弹体，试验速度要求也相同，不同的是其要求试验分别在20℃和0℃两种温度下进行。

法国标准法国标准NF15818《铁路车辆前风窗玻璃》根据车速分为4个类型，类型1为车速小于90km/h，类型2车速小于160km/h，类型3车速小于220km/h，类型4车速大于220km/h。

冲击弹体类型有三种，一是来福枪弹，二是UIC铝弹，三是4kg圆锥形铝弹，4kg圆锥形铝弹形状和尺寸如图3所示。

类型1车要求做来福枪弹和UIC铝弹试验，类型2车做来福枪弹和4kg圆锥形弹，类型3和类型4车做4kg圆锥形弹。

类型1的试验速度为最大运行速度加上会车速度，具体值由订货时规定；类型2的试验速度为大于130km/h，类型3的试验速度为大于200km/h，类型4的试验速度为大于250km/h。

法标也规定试验应分别在20℃和0℃两种温度下进行。

国内标准于2015年10月公布的国标GB/T32058《高速动车组风挡玻璃及车体材料抗鸟撞、抗硬物冲击试验方法》。

采纳了和UIC651标准相同的圆柱体铝弹作为模拟石块等硬物冲击，同时也规定了试验应分别在20℃和0℃两种温度下进行。

此外还有一些国家或企业标准中用混凝土块、酒瓶等不同弹体，图3是各国标准要求的弹体照片。

（二）抗鸟撞冲击

鸟撞本是飞机设计不可缺少的重要试验项目，采纳的标准有ASTM330和GJB2464A等，这些标准中规定的鸟弹重量有0.9kg、1.8kg和3.6kg几种，根据机型和部位的不同进行挑选。

飞机鸟撞试验鸟弹速度与飞机的巡航速度等有关。

对于飞机风挡玻璃来说，只要不产生非安全性的损坏，都是可以接受的，非安全性的破坏有：鸟体穿透、多层玻璃破碎且气密性丧失及内部有较大玻璃碎片剥离等情况。

对于高速动车玻璃来说，如果玻璃能够承受1kg铝弹的冲击，则遭受鸟撞冲击时不会产生非安全性的破坏，不会伤及司乘人员。

但鉴于动车鸟撞是一高概率事件，风挡玻璃必须有足够的抗鸟撞能力，并且撞击后玻璃不能有任何的损坏，否则风挡玻璃经常维修、更换，则不能保证车辆的经济运行。

考虑我国鸟类分布及地域等因素，在GB/T32058《高速动车组风挡玻璃及车体材料抗鸟撞、抗硬物冲击试验方法》选用了1.8kg的鸟作为试验冲击体。

冲击速度为动车最高设计运行速度Vmax+160km/h，冲击后玻璃不能有任何损伤。

（三）抗砾石冲击

因此，在欧洲标准、法国标准及中国铁路标准中，都对前风挡玻璃的抗砾石冲击性进行了要求。

采纳如图4所示的20g铝弹，以设计最高运行速度Vmax+20km/h的速度冲击，垂直撞击到玻璃表面，玻璃不能破裂。

高速动车风挡玻璃结构设计要点

一块风挡玻璃要实现在20℃和0℃两种环境下的抗1kg铝弹、1.8kg鸟弹及20g小铝弹的冲击，三种冲击体对风挡玻璃结构的破坏作用方式和作用机理不同，因此需要对风挡玻璃进行材料挑选和结构组合设计。

（一）材料挑选

为了抵抗鸟弹、铝弹的冲击和提高安全性，前风挡玻璃均为夹层玻璃结构，动车前风挡玻璃所用主要无机玻璃、中间层胶片和柔性防飞溅层材料。

这三种材料对风挡玻璃的结构安全性起到主要作用。其它材料如丝印油墨、电加热丝、封边剂等与结构安全性无关

（1）无机玻璃一定厚度的一般优等品的浮法玻璃，经过化学增强后，可满足动车玻璃抵抗3种弹体的抗冲击性要求。

如果能够选用锂铝硅系的高铝玻璃，抗冲击能力会更好。

从试验的统计分析结果看，采纳同样工艺条件下增强的无机玻璃，在总厚度一定的情况下，无机玻璃整体厚度越厚，则抗鸟撞能力越好；最外层无机越厚，抗砾石冲击能力越高。

（2）有机层合材料夹层玻璃常用的层合材料有PVB、PU、SGP等。

层合材料是汲取抗铝弹冲击的能量的主要材料，总的层合材料层种类和厚度是决定风挡玻璃整体抗铝弹冲击能力的关键。

因为PVB玻璃化温度（Tg）约-10℃左右，在低温情况下失去弹性。

因此，PVB材料不适合作为动车风挡玻璃的层合材料。相比较起来，多数的PU材料玻璃化温度（Tg）在-30℃，特别的PU材料Tg温度可以到-60℃。

PU材料有更广阔的弹性温度范畴，并且PU材料本身的拉伸强度和断裂延伸率也优于PVB。动车风挡玻璃应优选PU材料作为层合材料。

（3）防飞溅层材料图5无防飞溅层的风挡玻璃样品铝弹冲击高速摄像防飞溅层材料是PET类材料，其具有高的抗撕裂强度和高的延展性及抗划伤能力，放置在风挡玻璃结构的最内侧。

其最大的作用是阻止风挡玻璃破碎后的碎屑飞溅。

图5为没有防飞溅层的玻璃试样，虽然弹体没有穿透玻璃，但从高速摄像的照片中可以看到，样品背后玻璃内表面有大量的玻璃碎屑飞溅。

并且速度也非常高。此种情况下，对动车司机是非常危险的。

（二）高速动车风挡玻璃结构

目前高速动车风挡玻璃结构的设计还是以试验验证考核为主，有限元分析可以作为辅助手段。更多是基于以往设计经验进行结构调整，以满足新车型风挡玻璃的设计要求。

动车前风挡玻璃结构一般采纳两层无机玻璃、一层中间层材料和一层防飞溅材料层合而成。

外层采纳6mm或8mm的化学增强无机玻璃，中间层材料为6mm-10mm的PU胶片，内层玻璃为4mm~5mm的化学增强无机玻璃，最内层为3mm-4mm左右的防飞溅层材料。

如果对抗铝弹冲击性能要求不高，则可以采纳三层无机玻璃层合，减少PU胶片的用量，以降低成本。

结语

高速动车风挡玻璃抗冲击性能关系到动车的安全运营，材料挑选和结构设计是影响风挡玻璃安全性的关键。

一般PVB胶片已经不能满足动车风挡玻璃在低温环境下的抗冲击性能，采纳玻璃化温度更低的PU胶片为首选。

风挡玻璃需要同时满足1kg的大铝弹、1.8kg的鸟弹和20g的小铝弹的冲击，可以通过调整风挡玻璃结构的玻璃层和胶片层厚度的组合，优化设计后可同时满足3种弹体的冲击。

参考文献

（1）BR566：1989Specific ation for High impact resistant windows，14-15

（2）UIC6512002，Layoutofdriver’scabsin locomotives，railcars，multiple unit trains and driving trailers26-27

（3）EN/15152：2007Railway applications–Front windscreens for train cabs24-26

（4）NFF15-8181996Railway rolling stock.Frontal windscreens：32-34