高寒動(dòng)車組塞拉門性能優(yōu)化

李文彪，陳建芳，孫國棟

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

高速動(dòng)車組在我國北方冬季運(yùn)行時(shí)，側(cè)門會(huì)受到雨雪和冷凝水冰凍的影響，導(dǎo)致無法正常開啟或關(guān)閉，不僅影響乘客上下車和乘車舒適度，還會(huì)因門系統(tǒng)各部件在低溫下動(dòng)作失靈而使側(cè)門處于癱瘓狀態(tài)[1-6]。目前高速動(dòng)車組側(cè)門大多采用單扇電動(dòng)電控塞拉門系統(tǒng)，為保證動(dòng)車組正常運(yùn)營，本文將對(duì)動(dòng)車組塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行低溫性能優(yōu)化。

1 動(dòng)車組塞拉門結(jié)構(gòu)

動(dòng)車組塞拉門(圖1)主要由驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置、側(cè)面鎖閉裝置、門扇、門框等部件組成。

驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置是塞拉門的承載和動(dòng)作單元，是車門的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其上集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電子門控器、傳動(dòng)絲杠、攜門架、上導(dǎo)軌、承載導(dǎo)向桿等部件。

圖1 動(dòng)車組塞拉門組成示意圖

側(cè)面鎖閉裝置是塞拉門的鎖閉單元，其集成了塞拉門的鎖閉及其他輔助裝置。側(cè)面鎖閉裝置的主要設(shè)備有主鎖單元、輔助鎖單元、隔離鎖、氣路模塊、檢測開關(guān)以及供氣管路等部件。

門扇為夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)，門扇上設(shè)置中空玻璃。

塞拉門的密封結(jié)構(gòu)采用雙道密封(圖2)。外側(cè)膠條采用耐老化性能好的三元乙丙橡膠，起到初步密封，防沙、防塵、防雨，保護(hù)內(nèi)側(cè)膠條的作用；內(nèi)側(cè)膠條為“八字”結(jié)構(gòu)，安裝于門扇與車體之間，在車門被鎖緊時(shí)密封膠條被壓緊，即實(shí)現(xiàn)了車門的密封。

圖2 塞拉門雙道密封結(jié)構(gòu)

2 高寒動(dòng)車組塞拉門性能優(yōu)化

高寒動(dòng)車組需在-40 ℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)用中動(dòng)作正常無故障，同時(shí)塞拉門的各零部件應(yīng)在-40 ℃的環(huán)境下存放無損壞，以適應(yīng)高寒環(huán)境停放需求。因此，塞拉門的門扇、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置、側(cè)面鎖閉裝置以及門框等需從整體結(jié)構(gòu)、材料、零部件選型和冷凝水防護(hù)等各方面進(jìn)行高寒環(huán)境的性能優(yōu)化。

2.1 門扇

塞拉門門扇為鋁骨架框體結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)采用高強(qiáng)度的鋁合金型材焊接骨架，內(nèi)外表面為鋁合金蒙皮。為滿足高寒環(huán)境要求，提高門扇的隔熱系數(shù)，門扇內(nèi)部填充聚氨酯發(fā)泡材料并粘貼隔熱板。

門扇上設(shè)置固定式中空玻璃，玻璃厚度和門板相同。中空玻璃的露點(diǎn)溫度達(dá)-50 ℃，確保-40 ℃環(huán)境下玻璃中空層不結(jié)露。

門扇密封膠條為整體密封式，采用耐低溫性能良好的硅橡膠，滿足-40 ℃高寒環(huán)境下的使用要求。密封膠條潤滑脂采用Kluber.Barrierta.KL-092、ITW-OT20等低溫潤滑脂，滿足-40 ℃高寒環(huán)境下的使用要求。

受客室內(nèi)環(huán)境的影響，在高寒環(huán)境下車門內(nèi)側(cè)不可避免會(huì)產(chǎn)生冷凝水，為防止冷凝水流到門扇下部導(dǎo)軌和車內(nèi)地板，在門板下部增加集水槽以收集冷凝水，并由保潔人員定期擦拭，避免冷凝水直接流下凍結(jié)下滑軌或門扇膠條而導(dǎo)致無法開門的問題發(fā)生。

2.2 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置

驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置上的門控器、接線端子排的上方設(shè)置了擋板，避免冷凝水滴落到電子器件內(nèi)部。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)防水等級(jí)為IP32，在冷凝水垂直滴落的工況下，電動(dòng)機(jī)可正常工作。為防止開門時(shí)門口金屬板材表面冷凝水滴落對(duì)門控器造成損害，門控器上方的擋板表面增加隔熱材，避免產(chǎn)生冷凝水。

門扇開啟與關(guān)閉動(dòng)作由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母副來執(zhí)行，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)攜門架運(yùn)動(dòng)，攜門架上的導(dǎo)向輪再通過與上導(dǎo)軌配合，實(shí)現(xiàn)門扇的運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)均需采用潤滑脂進(jìn)行潤滑，門機(jī)構(gòu)潤滑脂采用ISOFLEX LDS 18 SPECIAL A，滿足高寒環(huán)境下的使用要求。

2.3 側(cè)面鎖閉裝置

側(cè)面鎖閉裝置主鎖單元為機(jī)械式鎖閉，通過汽缸進(jìn)行解鎖。運(yùn)用中即使失去氣源，在壓力不足或無電的情況下，主鎖也能保持鎖閉。主鎖檢測開關(guān)設(shè)置防護(hù)罩以防止冷凝水進(jìn)入。外露連接器和限位開關(guān)防水等級(jí)為IP67。

氣路模塊包括調(diào)壓閥、壓力開關(guān)、過濾器、球閥、輔助鎖的電磁閥以及供氣管和接頭等，氣路系統(tǒng)為主鎖的解鎖和輔助鎖的鎖閉提供動(dòng)力。氣路模塊密封良好，不存在漏氣現(xiàn)象。電磁閥選型滿足-40 ℃高寒環(huán)境下的使用要求。

主鎖、輔助鎖等氣動(dòng)原件內(nèi)部的橡膠密封件采用HNBR橡膠(氫化丁腈橡膠)，其耐高溫性為130～180 ℃，耐寒性為-55～-38 ℃，機(jī)械性能優(yōu)良，可滿足-40 ℃高寒環(huán)境下的使用要求。

2.4 門框

門框?yàn)樾筒恼w焊接方式，弧度和車體外輪廓相匹配，外輪廓與理論值的最大偏差不大于1.5 mm，保證和門扇的吻合度以及良好的密封性能。門框所用材料為高強(qiáng)度鋁合金，內(nèi)部空腔在四角處與鑄角焊接而成。為提高整個(gè)門系統(tǒng)的隔熱性能，門框型材空腔內(nèi)填充聚氨酯發(fā)泡材料。

3 高寒動(dòng)車組塞拉門性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證高寒動(dòng)車組塞拉門性能，將塞拉門隨整車在氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行低溫運(yùn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)塞拉門進(jìn)行檢查，確保氣路供風(fēng)正常，輔助供電正常，塞拉門電動(dòng)開關(guān)動(dòng)作順利、無卡滯，整機(jī)功能完好。試驗(yàn)前塞拉門狀態(tài)檢測結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)前塞拉門狀態(tài)檢測結(jié)果

在氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行高寒動(dòng)車組塞拉門的3項(xiàng)試驗(yàn)：低溫結(jié)冰試驗(yàn)、低溫運(yùn)營試驗(yàn)、低溫存放試驗(yàn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證塞拉門的各項(xiàng)功能和性能是否滿足高寒環(huán)境的運(yùn)行要求。

3.1 低溫結(jié)冰試驗(yàn)

低溫結(jié)冰試驗(yàn)?zāi)M車輛表面覆蓋一層薄冰，此時(shí)檢驗(yàn)塞拉門是否能夠正常電動(dòng)開門。試驗(yàn)方法：被測試車輛上所有輔助設(shè)備供電，空調(diào)工作，車內(nèi)溫度10～20 ℃。將被測試車輛(安裝好塞拉門)放置于氣候風(fēng)洞中，將風(fēng)洞溫度逐漸降至(-25±2) ℃，在車輛1位側(cè)或2位側(cè)門板膠條兩側(cè)各100 mm范圍內(nèi)噴雪(帶有粘性的雪)，使雪粘附在車體和門板上，使表面均勻覆蓋2 mm厚雪層，模擬塞拉門表面結(jié)冰狀態(tài)，然后進(jìn)行電動(dòng)開門動(dòng)作試驗(yàn)。結(jié)果表明，電動(dòng)開門和電動(dòng)關(guān)門均無法實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)車組在實(shí)際運(yùn)用中，不會(huì)發(fā)生車輛表面均勻掛冰的情況，在此極端惡劣條件下，動(dòng)車組將停運(yùn)。

3.2 低溫運(yùn)營試驗(yàn)

低溫運(yùn)營試驗(yàn)?zāi)M車輛在-25 ℃低溫運(yùn)營，驗(yàn)證塞拉門是否能夠正常動(dòng)作。試驗(yàn)方法：被測試車輛空調(diào)工作，車內(nèi)溫度控制在10～20 ℃，相對(duì)濕度不小于70%。風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境溫度為(-25±2) ℃，風(fēng)洞內(nèi)模擬100 km/h風(fēng)速。將被測試車輛在風(fēng)洞內(nèi)存放約1 h時(shí)，進(jìn)行塞拉門電動(dòng)開、關(guān)門動(dòng)作試驗(yàn)。表2為低溫運(yùn)營試驗(yàn)結(jié)果。

表2 低溫運(yùn)營試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后檢查，門扇內(nèi)側(cè)有冷凝水產(chǎn)生，集水槽中有極少量冷凝水。試驗(yàn)表明，高寒動(dòng)車組在-25 ℃低溫運(yùn)營時(shí)，塞拉門可正常動(dòng)作，滿足車輛運(yùn)行需求。

3.3 低溫存放試驗(yàn)

低溫存放試驗(yàn)?zāi)M車輛在-25 ℃低溫存放后，驗(yàn)證塞拉門是否能夠正常動(dòng)作。試驗(yàn)方法：被測試車輛所有輔助設(shè)備斷電，空調(diào)關(guān)閉。風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境溫度為(-25±2) ℃。將被測試車輛在風(fēng)洞內(nèi)放置1 h，然后進(jìn)行塞拉門電動(dòng)開、關(guān)門動(dòng)作試驗(yàn)。表3為低溫存放試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)表明，高寒動(dòng)車組在-25 ℃低溫存放后，塞拉門可正常動(dòng)作，滿足車輛運(yùn)行需求。

表3 低溫存放試驗(yàn)結(jié)果

3.4 低溫性能試驗(yàn)

受氣候風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室條件限制，塞拉門隨整車只能進(jìn)行到-25 ℃低溫試驗(yàn)。為進(jìn)一步檢驗(yàn)其低溫性能，在低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行部件的-40 ℃低溫存放試驗(yàn)和-40 ℃低溫環(huán)境動(dòng)作試驗(yàn)。試驗(yàn)方法：將臺(tái)架整體放置在-40 ℃的環(huán)境下16 h，然后模擬車內(nèi)側(cè)升溫至10～20 ℃、車外側(cè)保持-40 ℃的工況，保持2 h，進(jìn)行車門功能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，車門動(dòng)作、功能正常，滿足低溫存放和動(dòng)作要求。

4 總結(jié)

本文對(duì)塞拉門的門扇、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置、側(cè)面鎖閉裝置以及門框等部件從整體結(jié)構(gòu)、材料、零部件選型和冷凝水防護(hù)等方面進(jìn)行了高寒環(huán)境的低溫適應(yīng)性設(shè)計(jì)，完成了塞拉門低溫存放試驗(yàn)和低溫性能試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)塞拉門系統(tǒng)的性能優(yōu)化完全能夠滿足高寒動(dòng)車組的運(yùn)用需求。