城际轨道交通车辆车窗设计概要.ppt

轨道交通车辆车窗设计的总体介绍轨道交通车辆车窗设计的总体介绍 王达纬 2010110241轨道交通车辆车窗设计的总体介绍轨道交通车辆车窗设计的总体介绍 铁路客车是一个活动的建筑，人们要求在客车内生活得舒适方便，希望有充足的光照、柔和的轻风、适宜的温度、安静的环境、良好的视野等。但是客车毕竟与固定建筑不同，它是以一定速度运行的“活动建筑”，人们要求在旅途中从车窗处能欣赏窗外的风景，在停站时能递送和购买东西。因此，客车车窗不仅是影响客车外观的部件，而且是影响客车使用功能及舒适度的重要部件之一。如果说客车车厢是“旅客之家”的话，那么客车的车窗应该是旅客的“方便之窗”。所以，作为一个车辆设计师首先要考虑到如何使车窗满足旅客舒适和方便的要求。轨道车辆车窗的功能轨道车辆车窗的功能 透光及透视功能：车窗透光率应在80%左右,在长时间紫外线照射后(例如3000h)，透光率变化不大于1%。轨道车辆车窗的特点轨道车辆车窗的特点抗冲击性抗冲击性：风挡玻璃必须保证足够的防穿透能力。冲击强度高（尤其是低温下的冲击强度），击而不碎，或击后只出现裂纹但不裂断，不产生危及司机及乘客安全的碎块。司机室车窗试验方法就是当风挡玻璃在喷过漆的框架中安装之后，要经过1kg质量的物体以vp=460 km/h的速度（UIC依据 651:2002-07-01，第2.7.4，“前窗强度”，物体冲撞速度vp=运行速度300 km/h+相向速度160 km/h）冲撞,风挡玻璃不能被穿透。隔热性隔热性：保证夏季空调和冬季采暖的效果。一般以传热系数k表示，它表明在玻璃两侧温差为1时，在l面积内可传递的热量(功率),单位为W/(C)。隔音性隔音性：车窗应是良好的隔音材料。一般按DIN52210-75标准测定。隔音性能取决于车窗玻璃硬度、厚度和结构。抗老化性：抗老化性：国外一般在频率为2Hz、负荷为4kPa的正弦波形冲击下进行10万次疲劳老化试验和频率为0.5Hz、负荷为5kPa的25万次的疲劳老化试验。难燃性难燃性：达到DIN4102标准的A级(不燃级)和B1级（难燃级）。加工性加工性：易切割，易钻孔；利用一定加工方法可弯曲成一定曲率半径的拱形，使机车前车窗具有一定的采光艺术设计，又提高了承载能力。自重小：随着高速机车车辆的轻型化，要求车窗玻璃自重小。抗压力波抗压力波：当高速列车会车时和通过隧道时会产生很大的压力差,车窗玻璃应能承受这巨大的压力波。轨道车辆车窗的种类轨道车辆车窗的种类 车窗分为装有单层玻璃或隔层玻璃的金属窗框(轻合金或不锈钢)的侧窗，以及装有其他金属窗框的侧窗和无窗框的玻璃窗。侧窗又分为固定车窗、气窗、开启或半开启车窗、以及滑动窗。固定车窗由其结构与材料可分为:（1）中空车窗玻璃）中空车窗玻璃 在两层玻璃间留有空腔，并充入干燥气体；或除此之外,在外侧玻璃空气层侧涂上一层隔热性能好的特殊金属膜。这种玻璃有良好的隔热、隔音性能，可消除太阳辐射热引起的不舒适感。（2）夹层车窗玻璃夹层车窗玻璃 在两片或多片玻璃间嵌夹透明塑料薄片，经热压或灌浆粘合而成。使用不同玻璃和中间夹层材料可获得耐光、耐热、耐湿、耐寒等特殊性能。此种玻璃抗冲击强度高，碎后不飞散，只产生辐射状裂纹，耐高温、耐寒、耐湿且透光率在80%左右。（3）聚碳酸酯板车窗玻璃聚碳酸酯板车窗玻璃 聚碳酸酯属于综合性能优良的热塑性塑料，通过压制或挤压方法可制成聚碳酸酯保温透光板(Lexam Thermoclear Sheet,以下简称LTC板)。国外已用LTC板作车窗玻璃。LTC板较之普通玻璃有许多优点，主要是质轻；冲击强度高；隔热性能好;隔声优良；阻燃性好；透光性不差；耐候性好；易切割。轨道车辆车窗的设计要求轨道车辆车窗的设计要求 【1】车窗应满足旅客方便和舒适的要求车窗应满足旅客方便和舒适的要求 （1）通风）通风 对于没有空调的客车，车窗的通风是极为重要的。良好的通风性能应使旅客既感到凉爽宜人，又感到和风轻拂。在列车运行时开启车窗进入车内的迎面风速度都较高，所以要达到上述目的，车窗的开启位置很重要。1）一扇上开窗）一扇上开窗 我国现有22型客车的一扇上开窗，具有开启方便，结构简单的优点，车窗关闭时视野也较好。它的缺点是通风性能不理想，尤其是硬座车，坐在迎风侧的人，风速过急，坐在背风侧的人，因受座椅靠背的阻挡又吹不到风，这样的状况在春秋季节或夏季晚上更为突出，因此迎风侧的旅客休息时要求关闭车窗,致使车内空气极为污浊。2）一扇下开窗）一扇下开窗 一扇下开窗的通风性能良好,因为风在靠背以上吹入，不受阻挡，迎风侧及背风侧的人均能得益，气流位置在头部以上，能达到使车内凉爽而不直接吹人的目的。另外还可用调节车窗开启的大小来调节车内温度,以适应季节变化及白天黑夜温度不同的要求。但是下开窗的最大弊病是排水困难，致使钢结构腐蚀严重，所以这种结构 已逐渐淘汰。3）横拉窗）横拉窗 横向拉窗不需要平衡车窗重量的均衡装置(目前很多公路大客车采用这种开启型式),结构简单，并且在整个车窗高度内均能有风吹入。但是,车窗只能开启一半，迎风侧与背风侧进风的差距很大，密封性能较差，所以在铁路客车上极少采用。4）两截式车窗）两截式车窗 两截式车窗按开启方式的不同有以下几种形式:上窗上开、下窗固定式;上窗下开、下窗固定式;上窗上开、下窗上开式;上窗下开、下窗上开式,以及下窗固定、上窗横向拉动或侧开或向里翻开等多种型式。两截式车窗具有下开窗通风性能 良好的特点，又无下开窗钢结构腐蚀严重的缺点。下窗固定的两截窗具有人坐高度内密封性能较好的优点，也适用于一些空调客车中的活动窗及非空调客车的车窗。车窗的开启高度与固定高度的比例,因各国情况不同及应用席别不同而不同。在空调客车中，可开启部分通常只占全车窗的 1/3，而在普通客车中可占1/2。由于我国人口多,车内拥挤,夏季炎热地区要求具有较大的通风量,以消暑气，所以可开启部分的高度可取为全车窗的2/3。由于两截式车窗的优点较多，所以目前世界上采用这种型式的车窗较多。对于采用固定车窗的高速列车则采用通风系统解决车厢内通风问题。（2）视野）视野 旅客从车内向车外观光景色，车窗尤如一幅画的镜框,车外景色在镜框内活动。合理的镜框应使车外景色均在人的视线范围内，即车内旅客坐在座位上观看景色时不挡视线。据资料介绍，中国人坐势平均视线高度是,男性为1181毫米,女性为1110毫米,人们在注视事物时,距视线中15的角度内最清楚,判断的正确性也最高。因此称此角度的视野为直接视野,距视线中心15角度以外的可见范围内,注视事物就较模糊，也不能正确判断事物，称为间接视野。两 眼可见范围为上方不大于50、下方不大于70，左右方向视野为200。由于人颈左右转动比上下抬头、低头方便，因此车窗设计成横向宽、上下窄是比较合理的。（3）采光与隔热）采光与隔热 从采光考虑，车窗越大，阳光越充足，车内越明亮。但是车窗越大，辐射热也越强，通常在现有客车中，从车窗中接受的辐射热约 4000一5000 千卡/时左右，以一般空调车总热量30000千卡/时计算,从车窗进入的热量约占全车的1/6 1/7。另一方面车窗又是全车隔热的薄弱环节。1982年四方车辆研究所曾对25.5米客车的局部传热系数进行了测定，虽然车窗是双层玻璃，但是传热系数仍很大，约为2.53一3.374千卡/米时，由于车窗占整车面积8.4一12.01%,因此对整车K值影响很大。若把车窗高度改为800毫米，即车窗面积减少17%，从车窗进入的辐射热也按比例变化，即辐射热由4000 5000千卡/时可降为3500 4000千卡/时左右，车窗面积占整车面积的8.412.01%也降为7.3 10%，因此传热量也相应减少。此外，采用吸热玻璃或反射玻璃对空调客车是有利的，因为吸热玻璃或反射玻璃能使阳光中的红外线80 90%被反射，而仍能保证有50%的透明度（国产滤色玻璃的透明率为78%)。虽然滤色玻璃比普通玻璃的成本约高一倍，但是由于辐射热减小，空调机组的冷负荷亦可减小，所以是经济合理的。（4）隔声与密封性）隔声与密封性 车窗隔声性能的好坏取决于两个因素：窗玻璃的厚度及双层玻璃间的空气层厚度；车窗本身及车窗与侧墙之间的密封性。1）窗玻璃的厚度及其双层玻璃间的空气层厚度）窗玻璃的厚度及其双层玻璃间的空气层厚度 窗玻璃及其双层玻璃间空气层厚度越厚则隔声量越大，但是窗玻璃的厚度受重量限制，不宜过厚，一般采4 一 5毫米;玻璃间空气层的厚度也受侧墙厚度限制，不可能太厚。玻璃厚度为5毫米，空气层厚度为6毫米的中空玻璃隔声量约为29分贝。车窗隔声是全车的薄弱环节,减小窗口面积同样对全车隔声有利。2）车窗及车窗与侧墙之间的密封）车窗及车窗与侧墙之间的密封 若窗的孔缝仅占窗面积的1%,车窗的隔声量只有20分贝，即使玻璃和空气层再厚，整个车窗的隔声量不会太大,所以车窗的密封处理相当重要。为了提高客车的防寒性能,对客车的各种孔缝必须严加控制,其中也包括数量多、影响大的车窗密封处理。试验证明，若以内端墙为界进行全车隔热性能试验时,测得普通客车内泄热量占总热量的8.06一11.99%,具有较大的热损失，所以改进车窗的密封对客车的防寒性能也具有一定的作用。此外，车窗的密封处理还涉及到高速运行时车内空气压力的变化，当列车以高速通过隧道时，车内的压力变化可达100毫米水柱以上。由于这种压力的瞬时变化，使人耳特别难受，因此要保证客室内的压力不受车体外压力的影响，必须做好客车的密封，其中包括车窗的密封。（5）非常时期的安全性）非常时期的安全性 在非常时期，即列车发生事故时，往往由于车门变形而不能开启，车窗必须能很方便地开启，以供出入。在空调客车的固定式车窗中，应考虑设有安全措施。例如德国二等试验客车的车窗，在窗的上方设有手柄,平时由一小块玻璃复盖，在发生事故等非常时期时，可以打碎小玻璃，拉动手柄，就可抽出固定玻璃的橡胶条，玻璃由上下两根分别为5厘米和60厘米的不锈钢丝绳将其挡住，不会打伤旅客，旅客能方便的由此窗口出来。在一些高速列车内可以使用安全玻璃。这种玻璃由两块玻璃组合，中间有透明塑料将两层玻璃粘合，用安全锤玻璃打碎时，玻璃碎片被塑料粘住，不会打伤人。（6）车窗的外形及色调）车窗的外形及色调 车窗外形要与车体侧墙协调一致，比例要合适，两截式车窗除开启形式有优点外，也增加了客车表面的层次感。车窗的外形，除受结构限制，尺寸受到一定约束外，应尽可能使比例符合美学的法则，例如长宽比要符合黄金比(即长宽比为1.618),长宽比为5、2等均是美的比例，当然不必追求绝对的算术比，近似符合，也能达到一定的效果。在色调方面要与车内外协调一致,要和谐均匀统一。【2】车窗应满足运用维修方便的要求车窗应满足运用维修方便的要求 （1）提高耐久性，减少维修量）提高耐久性，减少维修量 由于车窗是客车中数量较多的大部件，因此应经久耐用，以减小其维修工作量。设计师的任务是要分析利弊、权衡得失、综合考虑，以选择最佳方案。有时结构虽然复杂，成本虽高一些，但能达到经久耐用、维修工作量小的目的，最后综合技术经济效果反而更好。车窗要达到经久耐用,从材料材质上改进也很有必要。在塑料工业及有色金属日益发达的今天应该充分利用这些材料的耐磨性，延长使用寿命。（2）提高互换性）提高互换性 零件的互换性好，给维修带来很多方便。要提高互换性，可以从两方面着手，一方面扩大标准化及统一结构；另一方面尽可能用模具制造及部件安装，减少手工操作机零件组装。【3】车窗设计应利于制造车窗设计应利于制造 （1）模具化）模具化 为了提高生产率及提高产品质量，设计应尽可能为使用模具创造条件。（2）合理利用新材料新工艺）合理利用新材料新工艺 新材料、新工艺的使用能大幅度的提高劳动生产率。轨道车辆车窗的质量评估检测轨道车辆车窗的质量评估检测 1 安全玻璃厚度及尺寸的检验 1.1 厚度的测定 1.2 尺寸的测定 1.3 弯曲度的测定 1.4 吻合度的测定 2 安全玻璃的外观检验 3 基本特性的试验 3.1 透射比试验 3.2 光畸变试验 3.3 耐热性试验 3.4 抗冲击性试验 3.4.1 试样 300 mm 300 mm 的钢化玻璃或夹层玻璃。3.4.2 试验装置 使用如图2 的试样支架和可使钢球可以自由落下的装置；质量为508g 3g（直径约50mm）表面光滑的钢球。3.4.3 试验程序 1)当试样为夹层玻璃时，试验前在232的温度下至少存放4h，钢化玻璃的试样温度取2015。2)将试样水平放置在支承架上，接触部位用符合GB/T531规定的硬度为邵尔A50的橡胶条垫衬，冲击面相当于安装到车辆上时的外侧面，试验弯型玻璃时，需要使用相应的辅助框架支撑。3)将钢球按表20规定的高度自由落下，冲击点应在距试样中心25mm的范围内。4)对每块试样的冲击仅限一次，并观察其冲击后的结果：当试样为钢化玻璃时，观察其是否破坏；当试样为夹层玻璃时，观察钢球是否穿透，用读数精确到0.5g的天平测定从冲击面反侧剥离的碎片总质量。3.5 碎片状态试验 3.5.1 试样 从制品中抽取。3.5.2 试验装置 曝光和晒图装置；尖端曲率半径为0.2mm0.05mm的锤子或冲头。3.5.3 试验步骤 1)将试样放在相同形状和尺寸的第二块试样上，在两块试样之间放上感光纸，并用透明胶带纸沿周边粘牢。2)在试样的最长边中心线上距离周边20mm左右的位置，用小锤或冲头进行冲击，使试样破碎 3)感光纸应在冲击后10s内开始曝光并且在冲击后3 min内结束。4)晒图后，除去周边20mm及距离冲击点75mm范围内的部分，从图中选择碎片最大的部分，使用50mm 50mm的计数框，数出框内碎片的个数。横跨计数框边缘的碎片按0.5个碎片计数。当该计数框内的碎片数不足40个时，使用100mm 100mm的计数框，数出包括这部分在内的碎片数。3.6 露点试验 3.6.1 试样 试样的尺寸为350mm 500mm。3.6.2 试验装置 使用如图 3 所示的钢板制容器及棒状温度计（刻度为 1，测定范围30-70）或与此同等以上精度的温度指示仪。3.6.3 试验程序 1）试验前将试样在232的环境中保持24h以上。2)向容器中注入乙醇或丙酮至A面上端，再加入干冰或其他制冷介质，并在试验中保持该温度。3)将试样垂直放置，确定任意测定位置用布擦净，在容器A表面（A面取ah面的中心）上涂一层乙醇或丙酮，并将试样紧贴在该面上按表21的时间保持。4）移开容器，在30s内，用手迅速擦去附着在玻璃表面的霜，并立刻观察试样的内表面有无结露或结霜。3.7 加速耐久性试验 3.8 耐辐照试验 3.9 抗穿透性