城際動車組塞拉門密封膠條設計研究

王寶星 趙小聰 李滔

摘要：本文主要從城際動車組塞拉門密封性能著手，研究了門扇密封膠條對動車組塞拉門密封性能影響，通過分析膠條截面、壓縮量等特性，提出了對高速列車密封膠條設計要求。

關鍵詞：密封膠條;城際動車組;密封

0? 引言

城際動車組運行速度一般為160km/h～200km/h，良好的密封性能對保證車內乘客舒適度，降低車內噪音有著重要意義。列車塞拉門作為乘客上下車通道，其密封性能直接決定整車密封性。因此，提高列車塞拉門密封性能至關重要。門扇密封膠條作為塞拉門重要部分，不僅對門系統(tǒng)密封性起決定作用，還對門系統(tǒng)隔音、防塵、緩沖具有一定影響，因此，合理的密封膠條設計，將提高塞拉門整體性能。

1? 城際動車組塞拉門密封設計

1.1 密封膠條設計原則

車門、門框和密封膠條構成了塞拉門的密封結構，其設計要領為兩點[1]：

1.1.1 膠條密封面壓縮量：車體與門框之間的縫隙，密封膠條填充其中。密封膠條接觸面方向上的壓縮量和接觸面積直接決定密封性能，如果接觸面積和壓縮量偏小，則會因外部載荷變化、車體變形或者制造誤差造成密封失效;如果接觸面積和壓縮量偏大，導致膠條反彈力偏大，關門力增加，造成關門困難。

1.1.2 密封膠條結構型式：不同的密封膠條結構型式在相同負載情況下密封面積和密封壓縮量均不相同，因此直接決定密封好壞。

密封膠條型式[2]分為兩部分，一部分為密封膠條的整體外形布局，是整體封閉結構，還是間段封閉結構;一部分是膠條的截面形狀，采用唇形密封還是壓力密封。整體密封結構是將不同截面的膠條或者相同截面的膠條硫化成一個密封環(huán)，可以實現(xiàn)很好的密封效果。間段封閉結構是通過粘接的型式，將不同截面或者相同截面的膠條粘接在一起，形成密封環(huán)。因為粘接面積制約，始終存在缺陷，且使用壽命較短。

密封膠條的截面雖各不相同，但從密封原理上還是分為唇形密封和壓力密封。唇形密封的膠條截面型式如圖1所示，唇形密封最大的優(yōu)點就是不需要很大的初始密封壓緊力，氣壓越大，獲得的密封壓緊力就越大，其缺點是在氣壓建立的初始階段泄漏量較大。壓力密封的膠條截面如圖2所示，其優(yōu)點是始終獲得穩(wěn)定的壓緊密封力，隨著車外氣壓p增加，膠條會緊緊貼著壓條，缺點是結構復雜。

1.2 整體密封方案

目前已經(jīng)運行的城際動車組有雙開塞拉門和單開塞拉門兩種類型，本文中以CRH6F城際動車組為主，對雙開塞拉門進行密封方案分析。由于雙開門特有的型式，門系統(tǒng)不僅在車體橫向上與門框保持正向壓縮形成密封，還要在兩門扇之間形成密封，如圖3所示。結合雙門特有的型式在左門和右門周圈各安裝密封膠條，形成門系統(tǒng)的周邊密封，當兩門關閉后，再形成中間密封。

1.3 現(xiàn)有密封膠條型式分析

目前地鐵車輛塞拉門均為電動雙開塞拉門，其門扇膠條可以分為周邊膠條和中間護指膠條。其中門扇周邊膠條和中間護指膠條連接部分采用粘接型式。周邊膠條密封方案如圖4所示。如果當車外壓力大于車內壓力時，此時密封效果較為理想，如果內側壓力大于外側壓力時（兩車交會），門板變形加上膠條的變形，密封面消失，密封失效。對于這種單唇密封結構，膠條壓縮量一般為3～5mm，此種密封結構缺陷無法滿足高速運行軌道車輛。

1.4 塞拉門密封膠條設計

城際列車塞拉門密封膠條可以也分為周邊密封膠條和中間護指膠條兩種型式，結合城際動車組需要滿足充氣達到5.2kPa要求，門扇密封膠條采用整體式，將周邊膠條和中間膠條硫化，形成一個密封圈。

城際列車塞拉門塞拉位置運動軌跡如圖5所示，當設定周邊膠條壓縮量e=5mm，中間護指膠條壓縮量i=5mm，當門扇運動到X1位置時，周邊膠條開始接觸門框，隨著門扇的運動，膠條一遍發(fā)生壓縮，一邊于門框進行滑動摩擦，再然后，中間護指膠條接觸，發(fā)生壓縮，直至門扇最終關閉完成。門系統(tǒng)運動軌跡曲線函數(shù)[3]如下：（R=150mm，H=62mm），其中

根據(jù)EN14752-2015和塞拉門采購技術規(guī)范要求，塞拉門手動開關門力[4]不得超過300，塞拉門在塞拉段主要受到膠條阻力Fa，此力平行于門扇，膠條阻力Fb，此力垂直于門扇，其他機械阻力f。受力示意圖如圖6所示，如果膠條的阻力足夠大，則導致在150N關門力范圍內無法關門。由靜力學平衡可知：

假定周邊膠條和護指膠條的彈力線密度為q（N/m），周邊膠條的彈力線密度為q1;護指膠條的彈力線密度為q2，門扇寬度為w，門扇長度為L，周邊膠條理論壓縮量為e，護指膠條理論壓縮量為i：

塞拉門相關參數(shù)如表1所示。

經(jīng)過計算，周邊膠條和護指膠條的最大彈力線密度q=19.8N/m，故在進行膠條設計時，膠條截面的彈力密度不能超過19.8N/m，否則會導致開關門力過大。根據(jù)膠條斷面的彈性密度進行周邊膠條截面設計，模擬周邊最終密封狀態(tài)如圖7所示。

中間護指膠條的設計采用迷宮公母配合式，使氣壓經(jīng)過層層泄壓密封后，達到最終密封。其設計思路如圖8所示。

門扇最終關閉到達X1位置后后，中間護指膠條開始擠壓，其基本密封截面如圖9所示。

1.5 測試改進

結合已經(jīng)設計的密封膠條，將膠條安裝在門扇上進行氣密測試，其測試原理如圖10所示。首先將門系統(tǒng)按照理論尺寸安裝調試到位，進行充氣測試。測試要求：

①門系統(tǒng)能夠充氣達到5.2kPa;

②門系統(tǒng)氣壓從2.6kPa降到1kPa，時間超過210s。

經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)周邊膠條圓角處和中間密封都有不同程度泄露，氣壓根本無法達到5.2kPa。泄露現(xiàn)象為當內部氣壓達到2.6kPa左右，泄露明顯，有明顯氣流聲音，當氣壓達到4kPa時，內部氣壓無法再上升。

結合此現(xiàn)象，初步預判為兩點原因：①膠條局部太軟，當氣壓達到一定程度后，外壓大于內壓，出現(xiàn)氣壓串動;②密封型式不可靠，無法克服復雜外部環(huán)境，導致密封失效。所以結合現(xiàn)有的密封膠條截面進行密封分析，并進性改進。周邊密封膠條密封關門后后型式如圖11所示，區(qū)域1為膠條空腔部分，區(qū)域2為車內膠條壁，區(qū)域3為八字唇密封區(qū)。當車內壓力達到一定程度后，由于膠條截面區(qū)域1空腔過大，導致八字密封區(qū)域無明顯支撐，會隨著氣壓進行蠕動，導致無法密封，同時，區(qū)域2會受到車內氣壓，使密封區(qū)域3八字唇產(chǎn)生翻轉趨勢，導致車內側八字無法緊緊貼緊密封框。另外，密封膠條的主要密封為八字唇區(qū)域，但是此八字偏小，密封量不足，不能很好抗加工誤差及氣壓波動，結合上述分析，將周邊膠條截面改進如圖12所示。

新改進的密封膠條將中間密封空腔減小，同時將八字唇分開，將主密封區(qū)域改為泡型，八字用來輔助泄壓，這樣相當于設置了三道密封，同時中間密封區(qū)域面積較大，抗外部因素可能性更高。

結合圖9所示的中間護指膠條截面，左護指膠條的空腔相對太大，導致第一和第三密封區(qū)域根據(jù)無法泄壓，同時附帶在空腔上的八字主密封，會隨著空腔的大形變而出現(xiàn)各種不確定，導致八字密封失效，同時，CRH6F城際塞拉門為弧形門扇，在左右門扇配合過程中，至少出現(xiàn)1.5mm左右的誤差，導致八字很有可能致使單邊搭接，因此出現(xiàn)中間的泄露。結合上述，對中間密封膠條進行改進如圖13所示。改進后的中間密封結構，將左護指膠條的空腔減小，同時將八字密封改為泡型密封，增加密封量。

將新改進的膠條重新開模加工，再次驗證氣密性，可以滿足氣密要求。同時，測試膠條電動關門阻力，開關門正常，并不會誤觸發(fā)障礙物檢測。

2? 結論

綜上所述，好的密封膠條的設計，對城際列車塞拉門氣密性有關鍵性的作用。通過合理的正向設計方案，不僅提高塞拉門整體密封性能，還對塞拉門開關門力學性能有顯著提高。

參考文獻：

[1]王玉恒.車門密封條設計研究[J].設計研究，2013，03：29-32.

[2]李恒文.干線軌道車輛塞拉門的密封性能研究[D].南京：南京理工大學，2011.

[3]曾世文.城市軌道車輛塞拉門關門性能研究[D].南京：南京理工大學，2.

[4]EN14752：2015 Railway applications-Body side entrance systems for rolling stock[S].