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江苏大学科研团队致力高铁前窗玻璃新改观

www.jyb.cn 2016年09月05日  来源:中国教育新闻网—中国教育报

高铁前窗玻璃新改观 

  “整个车头玻璃有一半面积都裂了,开裂形状是从一个中心点向四周发散的。”2013年6月,钱先生去南京出差所要乘坐的G38次列车缓缓进站时,正在站台上候车的他突然发现列车子弹状的车头有惊人异样。尔后,该次列车乘客被要求下车换乘其他列车。

  撞到车头玻璃,导致列车停运的到底是什么东西?有乘客说:“列车离开镇江南站时,一只鸽子撞到车头致玻璃破裂。”

  小鸟的撞击威力竟有这么大?那么,高铁车头玻璃又究竟能承受多大力量撞击?

  “这次事故的高铁前窗玻璃来自于国外进口,那么,中国制造的高铁前窗玻璃能否承受这种撞击?”于是,江苏大学副校长程晓农教授带领科研团队展开攻关。

  科学研究始于问题责难

  自1997年我国铁路连续进行六次大面积提速,部分铁路的设计时速已达350Km/h,这就对整车安全装备也有了更高的要求。

  然而,江苏铁锚玻璃股份有限公司作为国家铁道部唯一指定生产轨道交通前窗玻璃厂家,却仅能生产200Km/h的动车组轨道交通用安全玻璃,因而时速在300Km/h以上的高速列车所用的高强度风挡玻璃一度被法国、意大利等外国公司所垄断,交货周期长,成本也极高。

  于是,对科研有着不解情怀的程晓农在江苏省海安市科技局的支持下,带领科研团队深入铁锚,了解困扰企业发展的关键技术问题。

  基于长期从事高性能新材料的设计与理论、材料的强化与功能化研究的基础,程晓农与铁锚工程技术人员进行深度交流后达成共识:车速从200 Km/h提升到400Km/h,高铁前窗玻璃三大难点问题的解决是重中之重——

  一是玻璃结构需更加优化,通过计算机辅助控制精密成型技术,满足城际动车超大弧度全景式流线型设计需要,提高玻璃的光学性能;二是作为决定前窗玻璃力学性能强度的关键,化学钢化工艺要有质的突破;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。

  学科抱团搞科研

  核心攻关问题确定后,程晓农迅速组建了一支集材料、机械、化学、计算机等多学科交叉的科研团队。

  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。各学科各展所长、分工合作,奏响了一首科研协作创新的协奏曲。

  曲面优化及热弯工艺研发率先取得突破,并在工厂生产验证中取得良好效果。然而,科研之路注定不是径情直遂的。

  “一下子觉得这项工作难以突破。”从事无机材料研究的杨娟说,从实验室出来的每块玻璃力学性能都不一样,而且性能指标连车速200Km/h的都达不到,何况是400Km/h。

  为了解决这一难题,杨娟和队友围着500℃的高温炉一轮轮摸索,终于发现了问题的症结:实验用的高温炉与实际生产用的电脑控制的高温炉在加热环境中是存在差异的。于是,杨娟团队对实验用高温炉进行优化改进,加工后的玻璃性能稳定性确实有了很大提高。

  可是,问题一波刚平,一波又起:力学强度指标距离铁锚的要求还有很大差距。

  “是否可以通过调整化学钢化试剂的配方提升玻璃力学性能?”杨娟按照这一猜想,和化学学科同事一同展开研究,考察铯离子含量对单片玻璃力学性能的影响。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705Mpa,相当于一个七万多吨的东西压在1平方米大小的水平面上承受的压力。

  这一发现使该项研究进展有了相当大的进步。

  企业需求作科研标杆

  高铁前窗玻璃上缝着一根长达1500米细如发丝的钨丝。不同形状的前窗玻璃布丝通电后各点温差要小于2℃,才能确保前窗玻璃电加热的均匀性。然而,传统的手工S型布丝,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。

  “工厂有数据,而我们会分析。”计算机学院曾兰玲副教授充分发挥领域特长,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,并在数据模拟中取得良好效果。

  谁知,她们提交给企业最好的布丝方案因与企业擅长的波浪形布丝不符而操作难度大,甚至被认为会导致一系列未知问题。

  “理论行,但实际不一定行,还是要不断和企业对接,到生产一线去检验。”曾兰玲决定主攻波浪形布丝方式,最终找到钨丝形状和间距的合理配置方案,建立了适合于企业实际的高精度计算机辅助布丝技术。

  经过刻苦攻关,江苏大学与铁锚公司联合开发的超薄新头型试验高速动车组前窗玻璃最终通过了国家安全玻璃检测中心检测,现已广泛应用于城际轨道列车和北京、广州地铁,并出口至美国、新加坡等国,取得丰厚经济效益的同时,也获得了显著的环境效益。

  《中国教育报》2016年9月5日第7版



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{ 编辑:彭诗韵 }

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