城市轨道交通车辆挡风玻璃结构设计浅析

周洁  王闯

摘要：城市轨道交通车辆挡风玻璃安装于车辆前端，为司机提供安全保护和足够的视觉效果。挡风玻璃为夹层式、具有加热系统起到除霜除雾功能，且原片进行了化学强化的透明安全玻璃，挡风玻璃具有粘结力强、抗冲击强度高、耐光、耐寒、耐热、耐湿、隔音等特点。

关键词：浮法玻璃；化学钢化；PVB中间膜；

引言：随着城市轨道交通的快速发展，开通轨道交通线路的城市越来越多，各类城市及城市间线路条件、运营环境也是不尽相同，挡风玻璃是轨道交通车辆结构设计工作中极为重要的一环。本文主要对城市轨道交通车辆挡风玻璃结构设计进行简要的分析与研究。

一、挡风玻璃功能要求及布局

司机室挡风玻璃安装于车辆前端，用于司机观测前方轨道及（视觉）信号，挡风玻璃不得改变信号颜色，透过挡风玻璃看到的物体不得有任何明显变形，且具有良好的抗冲击性能，当玻璃被击打或打破时，玻璃仍留在原来位置，为司机提供安全保护和足够的视觉效果，以便司机能够安全制动停车或车辆维持限速运营。

二、挡风玻璃结构组成

挡风玻璃为夹层式、具有加热系统起到除霜除雾功能，且原片进行了化学强化的透明安全玻璃；夹层玻璃是指由一层或多层有机材料作为中间层，粘结两层或更多层经处理的玻璃组成的一种安全玻璃，结合车辆最高运行速度或顾客需求，相应调整玻璃层及PVB层的厚度及层数。挡风玻璃即夹层玻璃的原片为浮法玻璃，原片(浮法)玻璃经过热弯及热浸全钢化后，与中间PVB层通过高温高压粘和为一体，挡风玻璃具有粘结力强、抗冲击强度高、耐光、耐寒、耐热、耐湿、隔音等特点。

三、挡风玻璃关键零部件性能特点及工艺流程

挡风玻璃的成型经由切裁、磨边、印刷、热弯、化学钢化、商标、合片、高温高压、清理检验包装等九道工序制作而成。

1.原片（浮法）玻璃

浮法是指熔融的玻璃液漂浮在浮抛介质上进行成型的一种玻璃生产方式。浮法玻璃的成型原理主要是熔融的玻璃液在锡液面上充分的摊开抛光，通过控制锡槽温度、拉边机参数及退火窑的拉引速度而形成规定厚度、厚薄差及板宽的平板玻璃。浮法玻璃平整度好，透光率高。根据外观质量等级划分为：合格品、一等品和优等品。挡风玻璃所选用的原片玻璃颜色为透明白玻，常用厚度为4mm、5mm、6mm、8mm，主要规格为：2440×3660mm、2750×3300mm、2440×3300mm、2800×3660mm，玻璃厚度不同其透光率略有差异。

2.化学钢化玻璃

2.1　化学钢化玻璃原理

化学钢化玻璃是指通过离子交换，玻璃表面碱金属离子被熔盐中的其他碱金属离子置换，使机械强度提高的玻璃。通常采用低温离子交换法，低温是指交换温度不高于玻璃转变温度，将玻璃放置于（低于玻璃转变温度）熔融盐溶液中，熔融盐的主要成分为硝酸钾，俗称钾盐，利用离子交换法使玻璃表层中半径较小的钠离子与熔融盐溶液中半径较大且活泼的钾离子交换，利用离子体积上的差别，半径较大的钾离子挤进钠离子退出的小空间，在玻璃表面层形成嵌挤压应力的方式来强化玻璃。

2.2　化学钢化玻璃性能特点

化学钢化玻璃是经过离子交换过程得到的增强玻璃。离子交换过程可以有效地提高玻璃的机械强度，尤其适合用于增强超薄、尺寸较小或形状复杂的玻璃制品。

化学钢化玻璃耐急热急冷冲击，可耐120℃温差，玻璃不破坏。

化学钢化玻璃拥有良好的抗冲击性能，227g的钢球从2m高度自由落下，冲击后玻璃不破坏。

玻璃经离子交换处理后不会产生明显的光学变形。

虽然化学钢化玻璃表面压应力非常高，但与之相平衡的中间张应力很小，因此化学钢化玻璃不存在自爆现象。

由单片普通退火玻璃经离子交换制成的化学钢化玻璃不是安全玻璃，其破碎后的碎片状态类似于普通退火玻璃破碎后的状态，当其用于涉及人身安全的场所时，需对其进行进一步加工，如制成夹层玻璃等。

化学钢化玻璃可以切割，但新切边会引起强度降低。因此建议生产者在化学钢化之前完成所需的前处理加工过程。

2.3　化学钢化玻璃强度指标

化学钢化玻璃的强度与玻璃成分、表面和边缘状态、离子交换工艺过程及其使用环境等因素有关。表面应力、应力层深度是考量化学钢化玻璃强度的关键指标。化学钢化玻璃必须保持一定的交换层深度，交换层深度会随着交换时间的延长而增加，但表面压应力会随着交换时间的延长达到最大值，而后逐渐降低、；当交换时间太短时，离子交换不足，玻璃强度较小；当交换时间太长时，虽然可以使交换层的厚度增加，但是由于应力松弛现象，会造成玻璃强度逐渐降低，另外，温度越高，表面压应力下降的斜率越大。因此，一个适当的交换时间及温度对于化学钢化的效果和玻璃所获得的强度非常重要。

3.聚乙烯醇缩丁醛中间膜

挡风玻璃粘和层使用聚乙烯醇缩丁醛中间膜，聚乙烯醇缩丁醛（Polyvinyl butyral，简称 PVB），PVB 是一种热塑性树脂，用酸作为催化剂，加上专用的增塑剂塑化后，得到的一种具有优良理化性能的合成高分子材料，经过加热加压等过程制成较薄的膜片后，作为中间层用于挡风玻璃的夹层主材料。聚乙烯醇缩丁醛中间膜具有优异的拉伸强度和抗冲击强度、粘接强度高、透光率高、耐湿热、耐高温、耐寒、耐光等特点。常规中间膜公称厚度为0.38mm、0.76（0.78）mm、1.52mm，卷宽规格：2140mm、2000mm、1830mm、1550mm、1220mm，长度规格：400m、300m、250m等。

玻璃是一种典型的脆性材料，在应变非常小的情况下就会断裂。中间膜是一种粘弹性材料，在常温静载条件下表现为弹性体，在慢速加载时表现为粘弹性，而快速加载时表现为弹塑性甚至是脆性，玻璃与中间层的结合，使挡风玻璃具有一定的抗冲击能力和吸能缓冲作用。

 PVB中间膜能吸收冲击引起的振动并大幅减少冲击速度，由于中间膜具有较高的伸长率，当夹层玻璃受到不可抵抗的外力时，中间膜产生较大的塑性变形，可防止冲击物穿透夹层玻璃，同时，由于PVB中间膜粘接强度高，夹层玻璃碎裂产生的碎片大部分会粘附在中间层上，冲击后的夹层玻璃仍具有较好的整体性，中间膜可有效避免玻璃碎片掉落和飞溅造成司机人身伤害或者财产损失。

四、挡风玻璃PVB中间膜与玻璃结构设计原则

PVB中间膜即夹层，其厚度对夹层玻璃抗冲击穿透能力起主导作用，增加夹层厚度可使夹层玻璃的夹层吸收更多的冲击能量，夹层玻璃抗冲击穿透性能随着夹层厚度的增加而更好。玻璃的厚度对夹层玻璃的抗冲击破坏能力起主导作用，增加玻璃厚度能显著增强夹层玻璃的刚度和承载力，夹层玻璃抗冲击破坏性能随着玻璃厚度的增加而更好。

夹层玻璃受到冲击，夹层破坏后内层玻璃会发生层裂现象，在相同的冲击能量下，对于玻璃厚度不同而夹层厚度相同的夹层玻璃，玻璃越厚，内层玻璃吸收的冲击能量越多，层裂产生的碎片越多；对于玻璃厚度相同而夹层厚度不同的夹层玻璃，夹层越厚，内层玻璃吸收的冲击能量越少，层裂产生的碎片越少；适当加大夹层的厚度能有效分散冲击能量，减弱夹层玻璃的层裂现象，有效保护司机的人身安全。设计过程中也可适当调整内外片玻璃的厚度或在内层玻璃上增加防飞溅膜。

结束语：

由于玻璃的密度相较于夹层的密度更大，会大幅增加夹层玻璃的产品重量，而增加夹层厚度可小幅提高夹层玻璃的抗冲击穿透性能，对夹层玻璃总重的影响较小；即在对夹层玻璃的抗冲击破坏性能没有较高的要求下，可以适当增到夹层厚度以提升夹层玻璃强度。

参考资料及文献：

[1]张保军，等.化学钢化玻璃[M].北京：材料工程.

[2]GB/T32020－2015《夹层玻璃用聚乙烯醇缩丁醛中间膜》[S].北京：中国标准出版社，2015.

[3]王学勤．PVB 膜片的加工与应用[J]．塑料工程，1993，(4)：34-36