高速列車塞拉門橡膠密封條的結構優(yōu)化和壓縮特性研究

李錦偉，貢智兵，譚文才，王 衛(wèi)

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京 210013）

門扇是列車最主要的活動部件之一，在列車行進過程中起著隔熱、隔聲和隔振等重要作用。門系統(tǒng)的密封性能是列車密封性能的關鍵因素，國內(nèi)外列車主機企業(yè)標準和國際標準均對門系統(tǒng)的密封性能提出了相關要求[1-5]。

作為高速列車塞拉門系統(tǒng)密封中的重要部件，其橡膠密封條（簡稱密封條）在塞拉門關閉過程中，通過塞拉門的塞拉運動在門框壓條上產(chǎn)生壓縮變形，以獲得預定的密封力，滿足介質密封、環(huán)境隔離及外觀裝飾等要求。然而，密封條因壓縮變形而導致能量消耗，其密封力在滿足塞拉門密封要求的同時，也成為塞拉門關閉過程中的主要阻力，從而需要驅動電動機提供驅動力來關閉塞拉門[6]。因此，合理的密封條結構不僅需要提供足夠的密封力，還要減小門扇在關門過程中的阻力。

在此介紹高速列車塞拉門密封條的結構及其密封原理，推導關門力與密封條壓縮載荷間的數(shù)學關系，對不同硬度密封條進行仿真與試驗分析，確定不同硬度密封條的兩參數(shù)Mooney-Rivlin超彈性本構模型的材料常數(shù)，并對優(yōu)化后密封條的壓縮特性進行仿真分析及對氣密性進行試驗驗證。

1 密封條的結構及壓縮特性

密封條的結構決定了門系統(tǒng)的密封性能[7-10]。密封條的密封性能主要由其截面結構和整體外形結構決定，通常采用密封性能優(yōu)異的整體外形結構，即將不同截面結構的密封條通過硫化連接，并使接頭處平整光滑，從而使密封條與門框壓條形成連續(xù)的密封環(huán)。密封條的截面形狀雖有多種，但從截面結構功能而言，主要有密封功能和裝卡功能。其中密封部位通常為唇形結構，在設計壓縮量下可產(chǎn)生預定的密封力，從而實現(xiàn)密封功能；裝卡部位可使密封條裝入門扇型材后獲得合適的拔脫力，以防止密封條從門扇中脫開甚至脫離。

軌道車輛塞拉門密封條的結構形式及其優(yōu)缺點和應用場合如表1所示[6，11-13]。

表1 軌道車輛塞拉門密封條的結構形式及其優(yōu)缺點和應用場合Tab.1 Structural types，advantages，disadvantages and applications of sealing strip for sliding plug door of rail vehicle

塞拉門的周邊有內(nèi)、外膠條的雙重防護，其中外膠條硬度較高，其主要作用是隔絕雨雪和異物等進入，保護密封條不受損壞，防止密封失效。塞拉門關閉的密封結構如圖1所示，e為密封條壓縮量。無論車廂外部氣壓高還是內(nèi)部氣壓高，圖中的雙唇結構密封條均被壓縮，接觸面積較大。此外，該結構密封條在壓縮變形后還可與門框壓條間形成氣腔，同時提高門系統(tǒng)的隔熱和隔聲性能[12]。

在密封條（以下均指塞拉門密封條）的壓縮特性分析中，因外膠條的剛度較小且壓縮量也小，可忽略其對開門力的影響。設塞拉門高度為h，門系統(tǒng)寬度為w，塞拉門運動軌跡函數(shù)為f（x），密封條的壓縮載荷線密度為q，密封條與門框壓條間的摩擦因數(shù)為μ，可得式（1）和（2）[14]：

式中：F1為密封條與門框壓條間的壓縮阻力，與門扇橫向平行；F2為密封條與門框壓條間的摩擦阻力，與門扇縱向平行。

塞拉門關閉過程中門系統(tǒng)上滾輪的受力如圖2所示，N為上滾輪所受的正壓力，F(xiàn)q為驅動電動機的驅動力，f為克服門系統(tǒng)摩擦所需的力，α為塞拉角度，R為上滾輪運動軌跡半徑。

圖2中各力滿足式（3）：

將式（1）和（2）代入式（3），可得：

令

代入式（4）得：

確定塞拉門的結構后，在一定的壓縮量下，當q增大時，驅動電動機提供的關門驅動力是增大的，不利于關門，甚至會引發(fā)障礙檢測等開門誤操作；相反，當q減小時，門扇更容易關上，但密封壓力會減小?？梢姡芊鈼l的使用效果主要通過密封效果和塞拉力兩方面來綜合評估，密封條前期設計時，對其壓縮特性的研究必不可少。

2 密封條仿真分析及材料常數(shù)的確定

2.1 密封條的有限元模型

優(yōu)化前密封條截面結構如圖3所示?？紤]到密封膠條長度方向上的幾何尺寸遠遠大于截面的幾何尺寸，且沿長度方向均勻承受相同壓縮量，故將密封條的應變分析簡化為平面應變分析。

根據(jù)所建立的有限元模型，結合試驗中密封條的工況和邊界條件，對與密封條相配合的門框型材施加固定約束，沿密封條的垂直方向施加指定的壓縮量，門框壓條與密封條接觸面間的摩擦因數(shù)設為0.15，密封條采用Plane 183單元進行離散。

2.2 材料的本構模型

橡膠材料為典型的非線性材料，目前基于應變能密度的本構方程主要有兩類。本工作采用Mooney-Rivlin模型來描述橡膠材料的應力-應變關系，該模型能夠較好地描述橡膠材料應變（在150%以內(nèi)）：

式中，W為應變能密度函數(shù)，C10和C01為材料參數(shù)，I1和I2分別為第一和第二應變不變量。

根據(jù)橡膠材料的邵爾A型硬度（HA）與彈性模量（E）的試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)擬合得到式（7）[15-19]：

因橡膠材料的不可壓縮性，其泊松比（μ1）約為0.5，故剪切模量（G）＝E/3，從而得到式（8）：

式中，k為材料常數(shù)。

2.3 不同硬度下密封條的仿真與試驗驗證

先以HA為75度的密封條來預估Mooney-Rivlin模型中的材料參數(shù)（k的取值分別為0，7.1和71）。仿真計算不同k下密封條壓縮載荷和壓縮量，并與試驗結果進行對比，如圖4所示。

從圖4可以看出：密封條的壓縮載荷隨壓縮量的增大均呈明顯的非線性特征；當壓縮量在0～4.5 mm時，3種k下密封條的仿真結果與試驗結果均表現(xiàn)較好的吻合度；當壓縮量大于4.5 mm、k取71時，仿真結果與試驗結果吻合較好；當壓縮量為6.6 mm、k取0和7.1時，仿真計算得到的壓縮載荷與試驗壓縮載荷間存在較大的誤差，誤差分別為25.6%和17.3%。

采用同樣方法，分別對HA為55，60，65和70度的密封條的仿真結果與試驗結果進行對比。當密封條的HA為55，60，65和70度時，對應k分別取19，25，34和48，仿真結果與試驗結果較一致。密封條兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型的k-HA曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，k與HA呈非線性關系。

3 優(yōu)化后密封條的壓縮特性仿真分析與氣密性試驗驗證

3.1 壓縮特性仿真分析

優(yōu)化后密封條的截面結構如圖6所示，密封條的HA為55度，將其原來的雙唇結構優(yōu)化為多唇結構，并在密封條中部設計空腔。

優(yōu)化前后密封條的壓縮載荷-壓縮量曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，當壓縮量在0～5.5 mm時，優(yōu)化后密封條的壓縮載荷小于優(yōu)化前密封條，且與壓縮量呈非線性關系。進一步分析得出，當壓縮量在0～1.5 mm時，優(yōu)化后密封條的內(nèi)唇與門框壓條接觸，因內(nèi)唇剛度較小，相應的壓縮載荷也較小；當壓縮量大于1.5 mm時，優(yōu)化后密封條的內(nèi)外4個唇均與門框壓條接觸，接觸面積增大，相應的壓縮載荷顯著增大；隨著壓縮量的繼續(xù)增大，優(yōu)化后密封條的空腔內(nèi)壁相互接觸，密封條的自身剛度提高，壓縮載荷急劇增大。

在壓縮量為4 mm下優(yōu)化前后密封條的接觸壓力云圖如圖8所示。

從圖8可以看出：優(yōu)化前密封條的最大接觸壓力出現(xiàn)在密封唇的前端部區(qū)域，優(yōu)化后密封條的最大接觸壓力出現(xiàn)在外側唇的后端部區(qū)域，且4個密封唇均起密封作用；此外，優(yōu)化前后密封條的最大接觸壓力分別為0.194 030和0.205 980 MPa，基本相同，但其對應的壓縮載荷由原來的0.17 N·mm-1減小到0.12 N·mm-1，減小了29.4%，從而使門扇更容易關閉。

3.2 氣密性試驗驗證

將優(yōu)化后密封條安裝在門扇上，然后根據(jù)BS EN 14752—2019進行氣密性臺架試驗，其試驗臺架如圖9所示。

首先將門系統(tǒng)按尺寸規(guī)范安裝到試驗臺架上，并將門扇關閉，進行氣密性試驗。密封條氣密性測試及其要求為：（1）將密封艙充氣，氣壓達到4.2 kPa后停止充氣；（2）在密封艙壓力由4.0 kPa降至1.0 kPa過程中，降壓時間不短于210 s。

氣密性試驗結束后，優(yōu)化后密封條的氣密性滿足要求。

優(yōu)化后密封條密封艙的氣壓-時間曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，優(yōu)化后密封條密封艙的氣壓從4.0 kPa降至3.0 kPa的時間為43 s，從4.0 kPa降至2.0 kPa的時間為106 s，從4.0 kPa降至1.0 kPa的時間為224 s。與優(yōu)化前密封條密封艙的氣壓降至1.0 kPa的時間（113 s）相比，優(yōu)化后密封條密封艙的氣壓降至1.0 kPa的時間延長98.2%，即優(yōu)化后密封條的密封性能提高近1倍。

4 結論

（1）對塞拉門關門過程進行受力分析，得到驅動電動機的驅動力與密封條的壓縮載荷間的數(shù)學關系。

（2）通過仿真結果與試驗結果對比，得到不同硬度橡膠材料Mooney-Rivlin模型的k，為仿真分析密封條的壓縮特性研究奠定了基礎。

（3）在壓縮量為4 mm下，優(yōu)化前后密封條與門框壓條間的最大接觸壓力基本相同，但優(yōu)化后密封條的壓縮載荷由原來的0.17 N·mm-1減小到0.12 N·mm-1，減小了29.4%，從而降低了關門過程中的阻力。

（4）經(jīng)氣密性試驗驗證，密封條的密封性能較優(yōu)化前提高近1倍。