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飞驰中的高铁玻璃被时速355千米的铝弹击中,会碎吗?

蓝兰

有一个关于高铁的实验是这样的:用1千克重的铝弹以时速355千米的速度冲向高铁列车上的玻璃,你猜会怎么着?

答案是,高铁玻璃碎了一地。但是,这个实验结果竟然可以说明高铁玻璃“坚不可摧”,这是怎么回事?

高铁玻璃的秘密多着呢,例如不管列车速度有多快,你通过车窗眺望远方的美景时并没有感到眩晕等。下面我们就来一一解答。

为何在高铁上看窗外不眩晕,景物不变形?

高铁车前窗玻璃属于双曲面的结构,玻璃本身有好多层,层与层之间保持高度的吻合,这样不会影响玻璃的光学效果,看东西还不变形。

高铁上的风景(拍摄者:本文作者)

高铁侧窗玻璃视觉效果优良,改善了玻璃在厚度、平面度上的误差,并且做到了玻璃材质成分的充分均质,保证各处的折射率相同,所以看景物不会变形,甚至有和没有玻璃一样的视觉效果,看起来就舒服,不会晃眼。

而普通玻璃由于存在一定的光畸变,透过玻璃看景物会产生变形,同时,对于高速运动的景物会产生速度的叠加,造成晃眼,带来晕眩感。高铁动车组列车的减震性能好,使不规则的颠簸减少,景物晃动变小,运行非常平稳、宁静;给乘客以慢的感觉,使乘客久坐也不会有晕眩感。

所以,答案就是——高铁玻璃折射率相同,列车减震性能好。

高铁运行过程中碰到小石子会被击破吗?

当前高铁列车的最高运行时速为380千米。高速度也就意味着高风险。高速行驶的列车会将周围的空气压缩,空气阻力大大提升,这让列车在行驶过程中犹如穿过一道道砖墙,阻力之大可想而知。因此,为了保证列车的安全性,列车中最脆弱的挡风玻璃都必须做到坚不可摧。

高铁玻璃冲击试验

正如我们上述实验中所提到的,1千克重的铝弹以时速355千米冲向高铁列车上的玻璃,尽管满地都是碎玻璃,窗上被铝弹砸出了一个大坑,但是玻璃并没有被穿透及脱框,窗后并没有玻璃碴飞溅,用手敲打撞击部位依然很牢固。所以,那项实验是符合标准的,说明实验成功了。

高铁特别注重玻璃材料的高速撞击性能,这也是玻璃加工企业生产技术上的一道门槛。以投入运行的CRH380A动车组为例,其要求前风窗玻璃能够经受得住1千克铝弹以540千米每小时的速度撞击而不能被穿透。侧窗玻璃要求具有良好的视觉性能、安全性能、节能性能和环保性能。

两车交会时,就不会产生“破窗”事故?

中国标准动车组在郑徐客运专线进行的会车试验中,以420千米每小时的交会速度刷新了列车高速试验纪录。这也是世界上首次在实际运行的轨道上进行的高速列车会车试验。

如此高的交会速度,对高铁玻璃质量是一次巨大的考验。

为什么这么说呢?因为当两辆列车会车或列车进入隧道时,会在列车之间、列车与隧道之间产生极高的风压,会给交会车辆的侧窗造成很大的冲击,有可能出现破窗事故。

在2007年没有提速以前,铁轨上长期跑的是时速160千米的车,两车交会时,就曾出现过一次时速200千米的车把时速160千米的车的车窗玻璃吸走,车窗掉下来的事故。

因此,侧窗也必须具有较高的机械强度和抗冲击强度。

此外,当车窗受到外力破坏破裂时,也要求玻璃产生的碎片必须要形成蜂窝状碎小钝角颗粒,外层玻璃均达到无碎渣剥离,内层玻璃完好。

这样的玻璃是怎么造出来的?

要想使玻璃能应用在时速300千米以上的高速列车上,高铁前窗玻璃必须解决三大难题:一是玻璃结构须更加优化,通过计算机辅助控制精密成型技术,可满足城际动车超大弧度全景式流线型设计需要,从而提高玻璃的光学性能;二是化学钢化工艺要有质的突破,这是决定前窗玻璃力学性能强度的关键;三是要设计出一种计算机控制加热丝布线技术,通电后加温均匀性达到相关标准要求。

解决这三大难题还得各个学科配合,并最终在工厂生产中实验:机械学科负责曲面优化及热弯工艺研发;材料、化学学科联合突破化学钢化工艺;计算机学科则负责数值模拟加热丝布线技术。

铯盐与钾盐要“搭配”合理

普通的玻璃生产工艺是先从配料开始,然后将配置好的材料高温加热,形成均匀的无气泡的玻璃液,再让它冷却成形。

这配料也得有讲究,玻璃的力学强度要求在这摆着呢。所以,科研人员调整了化学钢化试剂的配方。通过考察铯离子含量对单片玻璃力学性能的影响,科研人员最终发现当铯盐与钾盐质量比达到某一数值时,单片化学钢化玻璃平均抗弯强度可以达到705兆帕,相当于一个7万多吨的东西压在1平方米大小的水平面上承受的压力。

实验室和工厂的热炉不一样!

而到了高温加热这一步又有一个问题,最初实验室里出来的每块玻璃力学性能都不一样,最初的性能指标连车速200千米每小时的都达不到,何况是400千米每小时。

后来,科研人员发现,实验用的500摄氏度高温炉与实际生产用的电脑控制的高温炉在加热环境中存在差异。果然,对实验用高温炉改进后,加工后的玻璃性能稳定性大大提高。

钨丝加热竟然不是灯泡是玻璃?

电加热性能是影响高铁玻璃功能、可靠性、寿命的重要指标。电加热玻璃是具有一定光透过率,通电后可实现加热的光学透明材料。高铁前窗加热玻璃里面就缝着一根长达1500米细如发丝的钨丝,钨丝就是用来电加热的。

不同形状的前窗玻璃布丝通电后各点温差要小于2摄氏度,才能确保前窗玻璃电加热的均匀性。然而,传统的手工S形布丝,电加热玻璃温度场分布不均匀,导致内应力和光畸变,从而严重影响了玻璃安全性能。

科研人员通过计算机分析整理出布丝图不同区域的温度场分布,模拟了现有布丝工艺温度分布效果,还优化设计了多线布丝、曲线环形布丝等多种布丝方案,最后找到了钨丝形状和间距的合理配置方案,以波浪形布丝方式,建立了高精度计算机辅助布丝技术。

在2007年之前,中国高铁的前挡风玻璃一直依赖国际市场。那时,时速在300千米以上的高速列车所用的高强度挡风玻璃只能从法国圣戈班和意大利ISOCLIMA进口,交货周期长,成本也极高。

目前,经过一系列技术攻关,中国高铁玻璃的核心技术及产品已实现了国产化,国内企业占据90%的市场份额。 Na0+i+2hhscWQAL9RyBT7PHpc5/mhRSU8n7Ne35X0cVt/dhnaAA3cuySV8Bsql+n

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