冰雹撞击对地铁车辆挡风玻璃影响分析

冰雹撞击对地铁车辆挡风玻璃影响分析

杨云帆张治强 何子聪

中车南京浦镇车辆有限公司

摘 要：随着近年来冰雹灾害频发，冰雹对城市交通造型的破坏也逐渐引起重视。越来越多冰雹砸坏车辆玻璃的消息见诸报端。地铁车辆虽然大部分时候在地下运行，但也有部分线路在地面之上，在本文中，有针对性的对冰雹的运动过程进行分析，来判断其对于地铁司机的安全是否会产生影响

关键词：冰雹；地铁司机室；撞击；运动分析

1冰雹的形成与尺寸

冰雹的形成是一个复杂的过程，主要发生在强烈对流的积雨云（又称为冰雹云）内部。由于全球变暖以及城市的热岛效应，近年来频繁出现冰雹坠落砸坏车辆及道路设施的报道。

常见冰雹的尺寸范围很广，但大多数冰雹的直径通常在5毫米到50毫米之间。这个范围内，冰雹的大小可以从如同绿豆、黄豆那样小的颗粒，到类似栗子、鸡蛋大小的冰块。然而，在某些罕见的情况下，冰雹的直径甚至可以超过10厘米，达到异常巨大的尺寸。

2冰雹运动过程分析

2.1冰雹形成与理想坠落状态

冰雹形成的高度一般在3000米到4000米的逆温层和7000米左右的-20℃层高度，最高不会超过10000米。冰雹受到重力的作用向下做加速运动，理想状态下，根据自由落体公式，冰雹速度v2=2gh，当冰雹从10000米高空落下，速度可以达到442m/s。

2.2实际运动过程

但是，就像雨滴落到身上不会感到痛一样，实际上冰雹下落的速度不可能线性递增，当冰雹速度达到一定值之后，空气阻力将会不断增大，最终达到一个平衡状态，此时冰雹的重力与空气阻力相等，冰雹最后做匀速运动。

其中ρ为空气密度，C为空气阻力系数，A为冰雹迎风面积。

可以得出冰雹下落速度与其大小直接相关，且差异显著。现实中遇到较大的冰雹一般不会超过10cm，以直径为10cm即0.1m带入计算，得出速度v=28m/s

2.3其他影响因素

考虑极端天气情况，冰雹坠落的同时伴随着大风。风力为水平方向，速度为32m/s（12级台风风速）。此风速视为冰雹拥有的水平分速度。

3碰撞分析计算

本章节对冰雹撞击到挡风玻璃上的过程进行运动分析，计算出撞击的瞬时速度，与挡风玻璃的飞弹试验条件对比。

3.1 挡风玻璃状态

取常规的80km/h的地铁车辆前挡玻璃进行测算：

图1 杭4面罩挡风玻璃安装角度        图2杭1面罩挡风玻璃安装角度

常规地铁的挡风玻璃的安装角度一般在60°~70°之间。

3.2 撞击瞬间分析

冰雹坠落后在风力作用下，撞击到挡风玻璃表面。根据UIC 651的飞弹冲击试验，挡风玻璃需要满足1kg的铝弹沿垂直于玻璃表面的方向以160km/h+车辆最高运行速度冲击不被穿透。下图是冰雹沿垂直挡风玻璃方向的速度分解：

图3 撞击速度分析

其中Vy=28m/s，V0=32m/s。θ为60~70°，垂直撞击速度V=Vycosθ+V0sinθ

下面分别进行计算：

θ为60°时，冰雹垂直于挡风玻璃的瞬时速度为28cos60°+32sin60°=14+27.7=41.7m/s

θ为70°时，冰雹垂直于挡风玻璃的瞬时速度为28cos70°+32sin70°=9.6+30=39.6m/s

取其中较大值，Vmax=41.7m/s=150km/h

3.3结果分析

考虑到列车以80km/h的最大速度运行，此速度在垂直挡风玻璃上的速度为80sinθ<80km>，10cm的冰雹体积为0.001m3，冰的密度为900kg/m3,此冰雹重量为0.9kg。

即0.9kg（<1kg）的冰雹垂直于挡风玻璃表面以150km/h+80sinθ（<160km/h+80km/h）的速度撞击到玻璃表面，可以发现，产生的冲击力小于飞弹试验的冲击力。

综上所述，挡风玻璃不会被坠落的冰雹击穿。

4结语

如考虑到冰雹的硬度和自身破坏强度，撞击到硬度7H的玻璃上，在达到180公里速度在玻璃表面就会碎成颗粒，而且玻璃中有3.8mm有机层，冰雹颗粒是无法穿透玻璃的。直径40mm、速度302km/h的冰雹才能损坏玻璃，超过冰雹本身速度极限。

从具体的计算情况可以很明显的看出，冰雹的坠落不会击穿地铁司机室的前挡玻璃对司机造成伤害。在我们这篇文章中，深入细致的分析计算了冰雹坠落及其与挡风玻璃碰撞的过程，结合分析和计算来进行分析得出结论，同时，该结论不仅适用于地铁，还适用于高铁、市域车、有轨电车以及其余特种车辆。

参考文献：

[1]杨爱莲,刘海涛，列车前窗玻璃抗飞弹性能仿真分析[J].中国建材科技. 2018,第001期

[2]陈曦，轨道客车侧顶窗玻璃抗冰雹冲击仿真分析[J].中国建材科技，2021.5：16~18