城軌車(chē)輛貫通道折棚優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析

李小英，錢(qián)靖，李河盟，劉仰

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院城市軌道交通學(xué)院，四川 成都 610000）

隨著城市軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于城軌車(chē)輛的舒適性、美觀度和安全性要求越來(lái)越高。貫通道作為兩節(jié)車(chē)廂之間的柔性部件，不僅要吸收兩車(chē)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還是連接各個(gè)車(chē)廂的通道。良好的貫通道設(shè)計(jì)、安裝的好壞直接影響著乘客的乘坐舒適感和安全性。本文以成都地鐵十號(hào)線城軌車(chē)輛貫通道折棚系統(tǒng)故障歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將挑選故障率較高的典型問(wèn)題進(jìn)行分析，從材質(zhì)選擇、安裝工藝方面對(duì)貫通道提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)意見(jiàn)；并以成都地鐵十號(hào)線線路為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)理論，對(duì)折棚波數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，找到更適合的貫通道折棚波數(shù)。

1 貫通道基本結(jié)構(gòu)和功能

貫通道的功能是在兩節(jié)車(chē)之間形成一個(gè)可靠、安全、無(wú)阻礙的乘客通道，并能在列車(chē)的任何運(yùn)行條件下均保證整列車(chē)的連接，此外，還具有良好的隔音、隔熱、低噪聲、密封性、耐磨及阻燃性等功能。能很好地滿足車(chē)輛半壽命周期中提出的維護(hù)成本低，性能安全可靠等要求。

貫通道系統(tǒng)基本組成包括：側(cè)護(hù)板組成、頂板組成、踏板組成、渡板組成、渡板支撐、護(hù)板支撐座組成、磨耗板組成和折棚組成等，如圖1所示。其中折棚組成主要由棚布、端框和面料框組成。每個(gè)折棚組成是由多個(gè)環(huán)狀雙層折棚構(gòu)成，折棚由特制材料制成，需具有防火性、耐磨損、防老化等特性。折棚布縫制邊緣均用鋁型材制成的中間框進(jìn)行壓夾處理，折棚端部與連接框和端框相連。端框由鋁型材焊接而成，表面進(jìn)行噴塑處理，并通過(guò)安裝螺栓與車(chē)端相連。

圖1 貫通道結(jié)構(gòu)組成

2 常見(jiàn)故障現(xiàn)象

對(duì)地鐵10號(hào)線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)至今，貫通道折棚系統(tǒng)的主要故障類(lèi)型和故障比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。其中發(fā)生較高的故障現(xiàn)象是折棚褶皺，褶皺可分為輕微褶皺和嚴(yán)重褶皺。

圖2 折棚主要故障類(lèi)型及故障比例統(tǒng)計(jì)

2.1 輕微褶皺

當(dāng)褶皺為如下條件時(shí)為輕微褶皺，如圖3所示。

圖3 輕微褶皺

（1）貫通道單側(cè)有褶皺且褶皺圈數(shù)小于等于2圈；（2）貫通道單圈的褶皺小于等于4處；（3）貫通道每圈單個(gè)褶皺起點(diǎn)至終點(diǎn)長(zhǎng)度＜500mm。

2.2 嚴(yán)重褶皺

當(dāng)褶皺為如下條件時(shí)為嚴(yán)重褶皺，如圖4所示。

圖4 嚴(yán)重褶皺

（1）貫通道單側(cè)有褶皺且褶皺圈數(shù)大于2圈；（2）貫通道單圈的褶皺超過(guò)4處；（3）貫通道每圈單個(gè)褶皺起點(diǎn)至終點(diǎn)長(zhǎng)度＞500mm。

3 折棚優(yōu)化設(shè)計(jì)

車(chē)輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，一旦出現(xiàn)貫通道折棚褶皺、貫通道折棚金屬框開(kāi)裂、折棚鎖緊裝置變形、折棚解鎖裝置失效等故障時(shí)，會(huì)使得正常的運(yùn)營(yíng)出現(xiàn)極大的安全隱患。通過(guò)不斷嘗試與改進(jìn)，接下來(lái)將從折棚波數(shù)的設(shè)計(jì)、材料、制造三大方面去優(yōu)化貫通道折棚，從根本上解決以上問(wèn)題。接下來(lái)我們從折棚波數(shù)、棚布材料、制造工藝三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化用以降低貫通道折棚故障率。

3.1 折棚波數(shù)的設(shè)計(jì)

目前城軌車(chē)輛使用最多的折棚風(fēng)擋是雙層對(duì)波結(jié)構(gòu)，折棚分為外、內(nèi)折棚兩個(gè)部分，如圖5～7所示。外折棚側(cè)部與頂部為波形開(kāi)口向內(nèi)的單層折棚。除與其他位置相同的單層折棚，底部通過(guò)連接棚布，增加了波形朝外的反波結(jié)構(gòu)。內(nèi)折棚為三面波形向外的單層折棚，內(nèi)折棚型材端部隱藏于裙布內(nèi)。

圖5 折棚整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 上部和側(cè)部棚布對(duì)波結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 底部棚布反波結(jié)構(gòu)示意圖

折棚設(shè)計(jì)中折棚波數(shù)尤為重要，折棚波數(shù)越少，折棚重量越輕，對(duì)于現(xiàn)在輕量化的整車(chē)來(lái)說(shuō)是好的。但車(chē)輛在通過(guò)彎道時(shí)，折棚受到的拉力就會(huì)變大，所以較少的波數(shù)會(huì)使貫通道的曲線通過(guò)能力降低。如果折棚長(zhǎng)時(shí)間在較大的拉脫力工況下工作會(huì)使得棚布疲勞受損，導(dǎo)致折棚破損撕裂，甚至折棚脫框，最終影響貫通道的密封性。折棚波數(shù)越大，折棚重量越重，但較多的波數(shù)會(huì)使得貫通道的曲線通過(guò)能力增強(qiáng)，但兩波之間的棚布擠壓力越大，棚布的磨損會(huì)更大，長(zhǎng)時(shí)間處于該工況下，易導(dǎo)致棚布摩擦破損，同樣影響貫通道的密封性能。

故折棚的波數(shù)需根據(jù)列車(chē)車(chē)端距和使用地區(qū)規(guī)劃線路的惡劣程度來(lái)計(jì)算。以800車(chē)端距的A型車(chē)、線路曲線半徑為R150米車(chē)場(chǎng)線為例，當(dāng)列車(chē)處于R150米曲線時(shí)，考慮車(chē)鉤拉伸至極限狀態(tài)，此時(shí)折棚拉伸側(cè)為最大拉伸處。在固定波深的情況下，考慮安全系數(shù)1.5～2，可以計(jì)算出12環(huán)波數(shù)（單邊6環(huán)）為合適的波數(shù)，如表1所示。

表1 折棚波數(shù)影響因素對(duì)比表

3.2 棚布材料的優(yōu)化

棚布的褶皺和棚布的材料和規(guī)格有關(guān)，市場(chǎng)上的棚布可以分為海普龍和硅膠兩種材料，常用的厚度有1.0mm、1.5mm、2mm、2.5mm、2.8mm。按棚布分層結(jié)構(gòu)區(qū)分：海普龍分為：T3、T5；硅膠分為：S3、S5。海普龍棚布較硅膠棚布較硬，延展性略差，機(jī)械性能略優(yōu)。

一般情況下，棚布厚度越厚，折棚制造成型越好，越美觀，產(chǎn)品的褶皺越少，但過(guò)厚的棚布會(huì)剮蹭相鄰的棚布，會(huì)造成棚破損，最終導(dǎo)致產(chǎn)品密封性降低，且棚布厚度過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致貫通道整體重量增加。棚布分層海普龍T3、T5；和硅膠S3、S5為棚布的層數(shù)，例如硅膠S5總共為5層，上下外層為硅膠布層，中間硅膠布層，硅膠布層中間為織布，織布為芳綸材質(zhì)。一般情況下棚布層數(shù)越多，折棚成型越好，但價(jià)格更高。

目前城軌列車(chē)的防火等級(jí)分為DIN5510、EN45545和BS6853。從防火等級(jí)上比較，海普龍棚布防火等級(jí)較低，只能滿足DIN5510防火等級(jí)，而對(duì)于更高要求的EN45545和BS6853標(biāo)準(zhǔn)目前國(guó)內(nèi)只能選擇硅膠棚布。以最為常用的EN45545和BS6853防火等級(jí)、隔音36dB(A)的A型車(chē)貫通道為例，為滿足防火等級(jí)，選擇硅膠材質(zhì)，但硅膠材質(zhì)的棚布略軟，成型效果較差，為解決此問(wèn)題，棚布的分層結(jié)構(gòu)選擇S5，適當(dāng)?shù)卦黾优锊嫉挠捕龋古锊贾圃旌蟾Π蚊烙^，消除褶皺。對(duì)于棚布厚度，通常選擇適中的棚布厚度2.0mm為宜，重量適中，隔音效果適中，制造成型適中。

3.3 折棚制造工藝優(yōu)化

貫通道折棚制造工藝主要由以下步驟：原材料棚布下料、棚布縫紉、鋁型材折彎、棚布夾制。棚布下料采用數(shù)控裁布機(jī)將原材料裁為縫紉所需的布料，布料分為彎頭布料、直段布料和搭接布料。

傳統(tǒng)的下料縫紉工藝很大程度上依賴于工人的操作水平，工人縫紉的水平?jīng)Q定了縫紉后的折棚美觀程度。而通過(guò)數(shù)控下料機(jī)下料，加上對(duì)下料圖的排版優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的一致性，提高產(chǎn)品的外觀，消除折棚褶皺。同時(shí)對(duì)生產(chǎn)制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，在下料圖中設(shè)計(jì)三角形對(duì)齊標(biāo)記，如圖8、圖9所示，可以準(zhǔn)確的定位布?jí)K，工人在縫紉時(shí)，只需將標(biāo)記對(duì)齊，如圖10所示，即可快速定位布?jí)K。

圖8 彎頭布料示意圖

圖9 直段布料示意圖

圖10 標(biāo)記位置對(duì)齊示意圖

折棚中的鋁型材在折彎后，也需要對(duì)各邊中點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，如圖11所示，這樣折棚在夾制過(guò)程中，只需要將棚布的中點(diǎn)標(biāo)記對(duì)齊型材中點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)布與框之間的準(zhǔn)確定位。夾制時(shí)，先將個(gè)中點(diǎn)處進(jìn)行定位夾制，之后再整圈夾制，這樣可以防止夾制過(guò)程棚布與夾框之間發(fā)生偏移而導(dǎo)致褶皺產(chǎn)生。

圖11 鋁型材各邊中點(diǎn)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵車(chē)輛在過(guò)曲線時(shí)貫通道較容易出現(xiàn)因形變量過(guò)大、接磨以及尺寸超標(biāo)等導(dǎo)致的車(chē)輛檢修維護(hù)難題，對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)造成了一定的影響。為保證運(yùn)營(yíng)安全，本文通過(guò)對(duì)折棚波數(shù)、棚布材料、折棚制造工藝三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效解決貫通道系統(tǒng)在地鐵線路運(yùn)營(yíng)出現(xiàn)的典型故障，提高貫通道系統(tǒng)的安全性和可靠性，對(duì)于地鐵車(chē)輛的故障預(yù)防和日常維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義，也在一定程度上為以后列車(chē)的貫通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。