城軌車輛車門氣密性研究及設(shè)計

郭 蕾 宋元全 王天宇

(中車大連機車車輛有限公司 遼寧 大連 116021)

目前城軌車輛主要為車輛速度小于80 km/h的輕軌和地鐵，車輛速度在80～120 km/h的城軌客車以及車輛速度大于120 km/h的城際客車[1]。隨著軌道車輛速度的不斷提升，在車輛進出隧道或車輛交會時會產(chǎn)生較大的壓力波動，如果車輛沒有良好的密封性，會對人耳產(chǎn)生沖擊，使得乘客不適，影響乘坐舒適性體驗。

1 車門系統(tǒng)概述

城市軌道車輛車門系統(tǒng)的密封性一直是人們廣泛關(guān)注并研究的問題，密封性包含水密性和氣密性兩個方面，以往關(guān)注車門系統(tǒng)的密封性能主要是水密性，然而隨著車輛速度的提升，氣密性更應(yīng)該被關(guān)注。

目前城軌車輛上應(yīng)用的車門形式主要有塞拉門、內(nèi)藏門、外掛門、外掛密閉門等，塞拉門和外掛密閉門較內(nèi)藏門和外掛門具有更好的密封性，外掛密閉門由于關(guān)門后門扇與機構(gòu)位于車輛外側(cè)，因而具有較大的車輛運行阻力?？紤]車輛整車氣密性要求，高速城軌車輛推薦使用密封性最好同時兼顧美觀性的塞拉門系統(tǒng)。

車門系統(tǒng)是車輛運用頻次很高的部件，車門系統(tǒng)密封性會直接影響整車密封性能。本文將從整車氣密、車門結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗驗證幾個方面闡述如何保證在車門系統(tǒng)滿足整車水密性、氣密性要求。

2 整車氣密指數(shù)及舒適性分析研究

整車氣密性是指在列車完成整備狀態(tài)之后，關(guān)閉列車與外界相通的所有開孔(包括通過門和空調(diào)設(shè)備的開孔)，車內(nèi)壓力相對車外壓力變化的密封性能。整車密封性能的評價標準主要由對車內(nèi)壓力變化的允許值規(guī)定來體現(xiàn)，通過氣密性試驗驗證[2]。

車輛的密封性指標一般通過靜態(tài)或動態(tài)密封指數(shù)來描述。在車廂內(nèi)外空氣壓差的作用下，會出現(xiàn)車廂內(nèi)外空氣質(zhì)量傳遞的現(xiàn)象，車廂外部的壓力波動會造成車廂內(nèi)部的壓力變化。若車內(nèi)外壓力差為Δp，車內(nèi)壓力變化梯度為dp/dt，則氣密性常數(shù)τ為：

當車外壓力隨時間變化時，氣密性常數(shù)τ為動態(tài)密封指數(shù)，動態(tài)密封指數(shù)用來描述列車實際運行時的氣密性能。一般可以用靜態(tài)密封指數(shù)來估計動態(tài)密封指數(shù)，靜態(tài)密封指數(shù)約為動態(tài)密封指數(shù)的2～3倍[2]。

最大壓力變化幅值、最大壓力變化梯度和單一時間間隔內(nèi)的最大壓力變化幅值，是評價氣壓變化環(huán)境下人體舒適度的3種常用方法。表1為目前國內(nèi)外列車所采用的舒適度指標標準。

表1 國內(nèi)外列車舒適度指標標準

目前我國針對快速地鐵車輛舒適性設(shè)計指標尚無規(guī)范依據(jù)可循，此方面的研究工作尚處于起步階段，僅在GB 50157——2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》中有規(guī)定：當隧道內(nèi)空氣總的壓力變化超過700 Pa時，其壓力變化率不得大于415 Pa/s，以此作為車內(nèi)乘客壓力舒適度標準。

為了滿足乘坐舒適性需要，以時速120 km/h車輛設(shè)計為例，開展車輛頂層設(shè)計時，以線路技術(shù)條件以及車輛動態(tài)密封參數(shù)、車輛速度等參數(shù)作為輸入，按照不同工況可以進行空氣動力學仿真模擬計算來達到以下目的：確定車外氣壓波動變化情況，明確車外壓力分布；確定車內(nèi)氣壓變化情況并判斷是否滿足乘坐舒適度標準。

根據(jù)仿真結(jié)果可以明確整車氣密性試驗初始及結(jié)束時氣壓差數(shù)據(jù)，進而確定氣密性試驗時間(泄漏時間)即明確整車氣密性試驗標準，并以此作為車輛設(shè)計和生產(chǎn)制造的依據(jù)。

根據(jù)整車氣密性試驗標準配合各個部件泄漏當量進行大部件氣密性指標分配(車體結(jié)構(gòu)、車門、空調(diào)、車窗、貫通道、各種穿“墻”管路)。分配后可確定車門系統(tǒng)的氣密性指標，并以此作為車門系統(tǒng)氣密性的設(shè)計依據(jù)。因為車門系統(tǒng)使用頻率很高，頻繁開合使車門系統(tǒng)成為影響整車密封性的關(guān)鍵部件。以下將從車門結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗等方面對車門系統(tǒng)氣密性設(shè)計進行闡述。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計對其氣密性有重要影響，塞拉門典型的密封結(jié)構(gòu)主要是通過門扇周邊膠條與密封框的壓接，以及中縫膠條的擠壓對接來實現(xiàn)，密封框型式、膠條斷面、兩者之間的搭接配合情況、門扇強度以及車門安裝調(diào)整等因素跟車門系統(tǒng)的氣密性能都息息相關(guān)。

3.1 密封門框

密封門框為膠條提供搭接壓緊的平面，通常固定在車體上，周邊與車體縫隙打膠密封。典型的塞拉門結(jié)構(gòu)一般采用上、左、右框及門檻等單個散件拼接而成的密封框，搭接處采用螺栓連接(見圖1)，這種結(jié)構(gòu)搭接處會存在密封不良的問題；氣密性塞拉門則需采用焊接結(jié)構(gòu)的整體密封框(見圖2)，杜絕搭接處密封不良的問題。

圖1 拼接密封框 圖2 整體密封框

3.2 膠條

門扇周邊和中部均設(shè)置密封膠條，車門關(guān)閉后密封膠條與密封框緊密貼合，起到密封作用。膠條的整體布置、截面形狀、處理工藝等對于車門的密封性能都有重要影響。目前國外車輛也有采用充氣膠條密封的結(jié)構(gòu)。

周邊膠條截面有多種形式，圖3、圖4示意了兩種膠條截面及其與密封框的搭接，二者需要保證一定的搭接量和壓緊量，以此來阻斷車內(nèi)外空氣的流通。當車輛運行速度較高時，車廂內(nèi)部產(chǎn)生正壓，車門受到向車外方向的擠壓力，空氣通過膠條密封處有向外流通的趨勢，圖3所示膠條唇邊易產(chǎn)生變形，圖4膠條截面有兩個小唇邊，中間有一空腔，這種截面在車門受到壓力時不易變形，密封性更好，目前越來越多的城軌車輛車門周邊膠條采用的是類似的雙向密封結(jié)構(gòu)。中部護指膠條也可考慮多邊密封的結(jié)構(gòu)。

圖3 單向密封膠條斷面

圖4 雙向密封膠條斷面

3.3 氣密拉緊

雙開門系統(tǒng)在門扇關(guān)閉并鎖閉到位后，膠條無法完全壓緊到位，尤其是當車輛內(nèi)外壓力突然發(fā)生變化時，很容易使門扇局部受壓變形甚至產(chǎn)生縫隙，此時門系統(tǒng)就不具有氣密性能，因此可以考慮在門扇中下部增加一套輔助裝置來提供一個主動壓緊力。這個輔助裝置可以是用于高速車輛車門系統(tǒng)上的氣動輔助鎖裝置(見圖5)，也可以是與門扇配合的鎖鉤或平衡輪裝置，可根據(jù)車輛的具體設(shè)計速度要求進行配置。

圖5 輔助鎖裝置示意圖

輔助鎖采用氣動自復位結(jié)構(gòu)，采用一個電磁閥控制輔助鎖。電磁閥受速度信號控制，當電磁閥得電，輔助鎖壓緊；電磁閥失電，輔助鎖自動釋放。輔助鎖壓緊時，通過內(nèi)擺臂與鎖舌滾輪相互作用，壓緊鎖舌，給門扇提供向車內(nèi)方向的拉緊力。

3.4 門扇

地鐵塞拉門門扇一般為鋁合金骨架框體結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外覆蒙皮，內(nèi)部為蜂窩材料，為獲得較好的隔音隔熱性能，也可填充隔音隔熱復合材料。門扇必須具有一定的機械強度來滿足車輛以最高設(shè)計速度運行的要求。GB/T 30489——2014《城市軌道車輛客室側(cè)門》標準中對門扇的機械強度有明確的要求，以2 500 N/m的力垂直作用于門扇寬度內(nèi)5 min，卸載后無永久變形。除此之外，為滿足車輛高速運行氣密性的要求，門扇強度還必須滿足車廂內(nèi)外最大壓差所形成的氣動載荷，門扇的機械強度可以通過模擬計算或試驗方法予以驗證。

4 試驗驗證

在整車落成后，對車廂采取內(nèi)部充氣和抽真空的方法進行氣密性試驗，以泄壓時間作為密封性能指標。目前還沒有針對城市軌道車輛車門系統(tǒng)的氣密性標準，TB/T 3454.1——2016《動車組車門第1部分：客室側(cè)門》中給出了動車組氣密性要求和試驗方法，壓力由4 kPa降至1 kPa時間大于210 s，或門系統(tǒng)等效泄漏面積不大于20 mm2。城軌車輛氣密性車門系統(tǒng)可參照上述標準的試驗方法，進行氣密性試驗，但由于城軌車輛速度一般不超過160 km/h，對于降壓幅值、時間及泄漏面積可低于動車標準。經(jīng)過相關(guān)試驗驗證，對于門扇厚度為32 mm的車門系統(tǒng)，增加輔助鎖閉裝置后，在保證組裝工藝、精益安裝的條件下，車門系統(tǒng)打壓可達2.6 kPa，壓力由2.6 kPa降至1 kPa時間可大于70 s。

5 結(jié)論

綜上所述，上述措施可以提升快速城市軌道車輛的氣密性能，從而提升車輛的乘坐舒適性。今后可以通過對車輛速度和氣密性指標的關(guān)系方向來進行下一步深化研究，促進快速軌道車輛車門系統(tǒng)密封性的進一步提升。