基于TRIZ理論的高鐵外門門扇膠條優(yōu)化設(shè)計(jì)

王輝

摘要：針對(duì)高速列車塞拉門在運(yùn)用過程中出現(xiàn)的門扇周邊膠條易破損、維護(hù)性差的問題，利用TRIZ理論建立矛盾矩陣，并根據(jù)矛盾矩陣提供的創(chuàng)新原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的周邊膠條在滿足車門性能要求的前提下，破損頻率、維護(hù)工作量及備件成本顯著降低。

關(guān)鍵詞：PLC;高速列車;外門;塞拉門;膠條;TRIZ理論;矛盾矩陣

0 引言

當(dāng)前高速列車外門系統(tǒng)主要采用塞拉門結(jié)構(gòu)，車門維護(hù)工作所占整車維護(hù)檢修工作的比重較大，車門應(yīng)用的可靠性直接影響著行車秩序和行車安全。隨著高速列車運(yùn)行數(shù)量的不斷增加、運(yùn)用頻率的不斷提高，車門設(shè)計(jì)也需持續(xù)優(yōu)化，以提高其使用可靠性，滿足用戶需求。

產(chǎn)品在改善某個(gè)參數(shù)或者某方面性能時(shí)，往往會(huì)使其他參數(shù)和某些性能惡化，在實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮各種工況，尋找最佳解決方案。TRIZ理論是一套著力于創(chuàng)造性解決問題的理論方法，其核心理念之一就是分析與解決矛盾[1]。利用TRIZ理論，通過問題對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)尋找矛盾，然后應(yīng)用發(fā)明原理解決矛盾[2]。本文針對(duì)高速列車塞拉門在運(yùn)用過程中出現(xiàn)的門扇膠條易破損、維護(hù)性差等問題，利用TRIZ理論實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，滿足用戶實(shí)際需求。

1 車門膠條結(jié)構(gòu)及存在問題

1.1? ? 車門膠條安裝結(jié)構(gòu)示意

高速列車塞拉門采用多重密封技術(shù)，門扇上安裝有周邊膠條、密封膠條以及護(hù)指膠條，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1? ? 周邊膠條

周邊膠條安裝在門扇最外層，關(guān)門后與門框搭接，用于門扇周圈防塵，并具有一定的防水效果。

在門扇后側(cè)（靠近開門方向）及上、下部區(qū)域，周邊膠條均為唇邊結(jié)構(gòu)，如圖2所示;而在門扇前側(cè)（靠近關(guān)門方向），周邊膠條截面變?yōu)閳A形帶空腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示。前側(cè)周邊膠條空腔內(nèi)安裝有敏感電阻，當(dāng)車門在關(guān)閉過程中觸碰障礙物時(shí)，可以激活敏感電阻，實(shí)現(xiàn)車門的防擠壓保護(hù)功能。

高鐵外門低溫工況要求滿足-40 ℃條件下存儲(chǔ)、-25 ℃條件下運(yùn)用的要求。周邊膠條作為車門密封的第一道屏障，其膠條唇邊需要能夠在低溫環(huán)境下仍起到一定的密封作用。因此，高鐵外門的周邊膠條一般選用硅膠材質(zhì)，確保在低溫工況下膠條彈性良好。

另外，前側(cè)密封周邊膠條空腔內(nèi)穿有敏感電阻，為了避免雨水滲入膠條空腔，通常使周邊膠條前側(cè)與上、下側(cè)在門扇圓角處硫化過渡，形成一個(gè)封閉的整體。周邊膠條接角處結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

1.1.2? ? 密封膠條

密封膠條采用“八”字形唇邊，關(guān)門后膠條唇邊展開并緊貼門框密封面，實(shí)現(xiàn)車門氣密。

1.1.3? ? 護(hù)指膠條

護(hù)指膠條安裝于門扇內(nèi)側(cè)前部（靠近關(guān)門方向），在門扇即將關(guān)門到位時(shí)可以防止手指停留在門框邊沿，避免夾傷。同時(shí)，護(hù)指膠條前端也設(shè)計(jì)有空腔，其內(nèi)穿入敏感電阻，也可實(shí)現(xiàn)車門防擠壓保護(hù)功能。

1.2? ? 周邊膠條存在的問題

既有車門在運(yùn)用過程中常出現(xiàn)前側(cè)周邊膠條破損問題，如圖5所示，原因是乘客在上、下車過程中行李刮蹭膠條。膠條破損后，其內(nèi)部敏感邊易脫出空腔，造成車門防擠壓功能異常。另外，因膠條設(shè)計(jì)為整圈封閉結(jié)構(gòu)，接角處硫化成型，當(dāng)前部膠條破損時(shí)需要將整圈膠條同步更換。膠條與門板之間縫隙需要涂密封膠防水，故更換周邊膠條時(shí)需先拆卸門扇，更換新的膠條，重新打膠并靜置24 h以上等待密封膠固化，最后將門扇重新組裝到車上。整個(gè)過程工作量大，作業(yè)周期長。

以上種種原因造成車門周邊膠條更換頻繁且維護(hù)性差、維護(hù)成本較高。門扇周邊膠條優(yōu)化需要在不影響車門系統(tǒng)各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上從兩個(gè)方面進(jìn)行改善：一是減少膠條破損情況;二是提升膠條維護(hù)性。

2 運(yùn)用TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1? ? 拙見方案——優(yōu)化膠條材質(zhì)

常見的用于車門密封條的材質(zhì)還包括三元乙丙橡膠（EPDM）。通常來說，三元乙丙橡膠相比硅膠強(qiáng)度更好，因此減少膠條破損的改進(jìn)思路是將周邊膠條材質(zhì)更改為三元乙丙。但同時(shí)三元乙丙在低溫工況下彈性降低明顯，作為門扇膠條，適應(yīng)低溫環(huán)境的能力弱于硅膠。

本文分別根據(jù)《硫化橡膠或熱塑性橡膠 撕裂強(qiáng)度的測(cè)定（褲形、直角形和新月形試樣）》（GB/T 529—2008）[3]以及《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓縮永久變形的測(cè)定 第2部分：在低溫條件下》（GB/T 7759.2—2014）[4]對(duì)兩種材質(zhì)膠條的性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：三元乙丙橡膠的抗撕裂強(qiáng)度明顯由于硅膠，在受到外力刮碰時(shí)，不易產(chǎn)生大面積破損;另外，在低溫條件下，三元乙丙橡膠的壓縮永久變形明顯大于硅膠，這會(huì)導(dǎo)致車門在低溫工況運(yùn)行時(shí)密封性能有所下降。

本文根據(jù)改進(jìn)思路提出了拙見方案（更改膠條材質(zhì)），但拙見方案中包含著矛盾，即改善某一方面性能參數(shù)時(shí)會(huì)帶來另一方面性能參數(shù)的惡化。TRIZ理論中通常采用矛盾矩陣來解決這種沖突現(xiàn)象。將拙見方案的有利和不利之處與39個(gè)工程參數(shù)建立聯(lián)系，有利之處對(duì)應(yīng)欲改善的參數(shù)，不利之處對(duì)應(yīng)欲惡化的參數(shù)，然后利用矛盾矩陣找出發(fā)明原理啟發(fā)問題的解決方案。TRIZ理論解決問題的流程如圖6所示。

2.2? ? 沖突分析和矛盾矩陣

根據(jù)上文所述，減少膠條破損的拙見方案是將周邊膠條材質(zhì)更換為三元乙丙。其有利之處為增加了膠條的抗撕裂性能，不利之處為降低了膠條適應(yīng)低溫工況的能力。

將上述利弊與39個(gè)工程參數(shù)中的改進(jìn)參數(shù)和惡化參數(shù)分別進(jìn)行匹配，得到表2所示的結(jié)果。其中改善的參數(shù)——強(qiáng)度，惡化的參數(shù)——適應(yīng)性、通用性。

根據(jù)工程參數(shù)，查閱矛盾矩陣得到創(chuàng)新原理：15（動(dòng)態(tài)特性）、3（局部質(zhì)量）、32（顏色改變），每種創(chuàng)新原理對(duì)應(yīng)的釋義如下：

動(dòng)態(tài)特性：使物體或其環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其在每個(gè)動(dòng)作階段的性能都達(dá)到最佳狀態(tài)。

局部質(zhì)量：將均勻的物體結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境變成不均勻的;讓物體的各個(gè)部分執(zhí)行不同的功能;使物體的各個(gè)部分具有不同的功能。

顏色改變：改變物體或者周圍環(huán)境的顏色;改變難以觀察的物體或者過程的透明度，以提高可視性;引入有色添加劑來提高宏觀物體或者其作用過程的可視性。

2.3? ? 基于矛盾矩陣的改進(jìn)方案

出于提升周邊膠條維護(hù)性的思路，并考慮操作性和成本投入，本文選擇創(chuàng)新原理3（局部質(zhì)量）來進(jìn)行改進(jìn)：因周邊膠條的破損均發(fā)生在前側(cè)，考慮將前側(cè)的周邊膠條單獨(dú)采用三元乙丙橡膠，而其他三邊仍保留硅膠材質(zhì)。

前側(cè)周邊膠條截面形狀為圓形中空，主要起到激活防擠壓功能的作用，在門扇關(guān)閉后并不會(huì)產(chǎn)生變形，不起到密封作用。因此，將此段膠條的材質(zhì)改為三元乙丙不會(huì)對(duì)車門的密封作用產(chǎn)生不良影響，反而會(huì)大大提升抗撕裂性能，降低破損風(fēng)險(xiǎn);其他周邊膠條為唇邊形狀，在關(guān)門后與門框緊貼，因此仍采用硅膠材質(zhì)，確保車門在低溫工況下的密封性能不受影響。

與此同時(shí)，因前側(cè)膠條獨(dú)立于其他三邊，即使發(fā)生破損也可以單獨(dú)更換，并且更換時(shí)無需將門扇整個(gè)拆卸，更換作業(yè)相比以往大大簡化，維護(hù)性顯著提升。

2.4? ? 改進(jìn)方案的進(jìn)一步優(yōu)化

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，前側(cè)膠條與其他三邊膠條需要采用粘接的方式形成一體，兩部分的接縫處是周邊膠條的薄弱區(qū)域，在特殊工況（如大雨天氣）下，雨水易經(jīng)過膠條接頭處滲入前側(cè)膠條空腔內(nèi)，造成敏感電阻使用壽命下降或者誤觸發(fā)，使車門適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力下降。

針對(duì)此問題再次建立沖突分析：拙見方案為膠條采用分體式結(jié)構(gòu);有利之處是降低膠條更換的工作量，提高了膠條的維護(hù)性;不利之處在于使膠條接縫處滲水，適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力下降。

將上述利弊之處與39個(gè)工程參數(shù)進(jìn)行匹配，得到表3所示的結(jié)果。其中改善的參數(shù)——可維護(hù)性，惡化的參數(shù)——適應(yīng)性、通用性。

根據(jù)工程參數(shù)，查閱矛盾矩陣得到創(chuàng)新原理：7（嵌套原理）、1（分割原理）、4（增加不對(duì)稱）、16（未達(dá)到或者過度作用），每種創(chuàng)新原理對(duì)應(yīng)的釋義如下：

嵌套原理：把一個(gè)物體嵌入第二個(gè)物體，然后將這兩個(gè)物體再嵌入第三個(gè)物體，依次類推，一個(gè)物體穿過另一個(gè)物體的空腔。

分割原理：將一個(gè)物體分割成幾個(gè)獨(dú)立的部分;使物體成為易于組裝或者拆卸的幾個(gè)部分。

增加不對(duì)稱：將對(duì)稱物體變?yōu)椴粚?duì)稱;將不對(duì)稱物進(jìn)一步增加其不對(duì)稱性。

未達(dá)到或者過度作用：當(dāng)所期望的效果難以百分之百實(shí)現(xiàn)時(shí)，則可用同樣的方法完成“稍少于”或者“稍多于”期望的效果，使問題簡化。

結(jié)合周邊膠條的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用創(chuàng)新原理7（嵌套原理）來進(jìn)一步進(jìn)行方案優(yōu)化。因周邊膠條前側(cè)為空腔結(jié)構(gòu)，與之匹配的圓角處為實(shí)體結(jié)構(gòu)，改進(jìn)方案是將圓角末端增加凸臺(tái)，插入膠條空腔內(nèi)，形成嵌套結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，膠條相互拼接的兩部分之間涂密封膠，密封膠的結(jié)合面相比改進(jìn)前顯著增加，接頭的可靠性大大提高，如圖7所示。

根據(jù)TRIZ理論的周邊膠條優(yōu)化設(shè)計(jì)，既增加了膠條易破損區(qū)域的強(qiáng)度，又考慮了膠條接縫處薄弱區(qū)域的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，使優(yōu)化方案具備良好的實(shí)用性。

3 應(yīng)用效果

3.1? ? 膠條破損頻率降低

對(duì)某型號(hào)高速動(dòng)車組塞拉門周邊膠條進(jìn)行上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，跟蹤膠條的運(yùn)用情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，膠條破損的情況顯著減少，出現(xiàn)破損的膠條大多只是呈現(xiàn)小區(qū)域破損，而不是擴(kuò)散狀的裂紋，這是由于前側(cè)膠條改進(jìn)為三元乙丙后抗撕裂強(qiáng)度顯著提高。此類膠條破損只需要修補(bǔ)即可，無需更換，維護(hù)難度明顯降低。膠條改進(jìn)前后破損狀態(tài)對(duì)比如圖8所示。

3.2? ? 膠條維護(hù)性的提升

3.2.1? ? 膠條更換工序?qū)Ρ?/p>

優(yōu)化前：拆卸門扇→拆卸周邊膠條→更換新的周邊膠條→打膠固化→重新安裝并調(diào)整門扇。

優(yōu)化后：拆卸前側(cè)周邊膠條→更換新的膠條→打膠固化。

由對(duì)比可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后膠條更換工作量和工時(shí)顯著降低，維護(hù)性明顯提升。

3.2.2? ? 備件成本對(duì)比

優(yōu)化前：周邊膠條組件（周圈）。

優(yōu)化后：前側(cè)周邊膠條（單邊）。

單邊的膠條成本大大低于整圈周邊膠條，優(yōu)化設(shè)計(jì)后膠條備件的成本顯著降低。

4 結(jié)語

本文針對(duì)高速列車塞拉門在運(yùn)用過程中出現(xiàn)的門扇膠條易破損、維護(hù)性差的問題，利用TRIZ理論的矛盾沖突法分析初期方案存在的問題，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最終得到滿足用戶需求的更優(yōu)的周邊膠條方案。TRIZ理論是一種有效的技術(shù)創(chuàng)新方法，在解決實(shí)際工程技術(shù)問題方面有很大的應(yīng)用價(jià)值。

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[3] 硫化橡膠或熱塑性橡膠 撕裂強(qiáng)度的測(cè)定（褲形、直角形和新月形試樣）：GB/T 529—2008[S].

[4] 硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓縮永久變形的測(cè)定 第2部分：在低溫條件下：GB/T 7759.2—2014[S].