大開度內(nèi)藏移門密封性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫國棟，陳建芳，李善飛，孫玉昆，雷榮芳

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210000）

引言

現(xiàn)階段，國內(nèi)的內(nèi)藏移門系統(tǒng)發(fā)展趨于成熟，具有控制系統(tǒng)簡單、系統(tǒng)可靠性高、門系統(tǒng)安全性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著交通運(yùn)輸業(yè)對大開度車門需求的增加，大開度內(nèi)藏移門四周的空氣泄露量也隨之增多，影響車門系統(tǒng)的密封性能，對列車運(yùn)行造成影響[1]。目前，內(nèi)藏移門的密封性介于外掛門與塞拉門之間，車門不直接暴露于氣流中，其計(jì)權(quán)隔聲量為22 dB（A），同條件下，塞拉門的計(jì)權(quán)隔聲量為可以達(dá)到29 dB（A）[2]。在增大車門尺寸的前提下，提升車門密封性能，保證列車正常運(yùn)行，變得尤為重要。

許天輝等人通過優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)、關(guān)閉力測量、優(yōu)化密封材料等來改善密封性能[3]；Wagner D A 等人利用ABAQUS 軟件分析了密封條的壓縮變形，得到在壓縮過程中密封條接觸應(yīng)力的分布信息[4]；王展新等人分析了影響密封性能的因素[5]；Zhao J C 等人對密封條的壓縮變形進(jìn)行分析和改進(jìn)[6]；韓永新從制造和安裝兩方面對塞拉門密封性能提出了改進(jìn)措施[7]；雷宇宇對車門密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出風(fēng)噪問題原因，改進(jìn)車門密封結(jié)構(gòu)[8]。

以上研究分別從不同角度，用不同手段改進(jìn)了車門的密封性能，但是缺少針對大開度內(nèi)藏移門密封性能的改善措施，需要增加對于大開度車門密封性能的優(yōu)化研究。

1 內(nèi)藏移門的典型結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)使用較多的內(nèi)藏移門典型結(jié)構(gòu)形式主要是上部為承載滾輪與攜門架組件，用以承載門頁的重量，并攜帶門頁做直線運(yùn)動；中上部設(shè)有可操作的門鎖裝置；門頁中部設(shè)有安全玻璃窗[9]。其中，門頁與車體之間的密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（a） 門扇上部采用毛刷密封，上部毛刷安裝在車體上，毛刷安裝后與門板配合形成密封；

（b） 下部裝耐磨內(nèi)滑道，與下導(dǎo)軌配合導(dǎo)向運(yùn)動；

（c） 門扇中間前沿采用凹凸式密封膠條，兩門扇處于關(guān)門位置時凹凸式密封膠條緊密配合達(dá)到良好的密封效果；

（d） 門扇后緣采用膠條密封，在關(guān)門位置密封條與車體凸出部分緊密貼合[10]。

2 內(nèi)藏移門密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上述內(nèi)藏移門的毛刷結(jié)構(gòu)主要用來阻擋外部灰塵進(jìn)入車門內(nèi)部，氣密性和隔音效果較差，容易造成空氣泄露，車門內(nèi)部噪音過大，影響車輛正常運(yùn)行。內(nèi)藏移門的前檔膠條和后檔膠條具有一定的密封效果，但可能在車門制造和安裝時存在，導(dǎo)致膠條與門扇之間產(chǎn)生一定的間隙；或在車輛運(yùn)行時，由于長時間的振動使得門框與密封膠條產(chǎn)生變形，從而造成空氣泄露和漏聲，影響車輛的運(yùn)行。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，目前內(nèi)藏移門的密封結(jié)構(gòu)主要存在以下問題：

（1） 車門上、下部缺少可以防止空氣泄露、隔音的密封結(jié)構(gòu)；

（2） 車門前、后檔處的密封膠條在運(yùn)行時存在一定的縫隙。

針對上述密封結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，在車門上、下部增設(shè)充氣膠條，提升車門上部和下部密封性能；在車門后檔處增設(shè)充氣膠條與毛刷結(jié)構(gòu)，配合后檔膠條以減少車門后檔位置的空氣泄漏面積，提升車門密封性能。優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)，見圖1～圖2 所示，為了便于密封，車門為左右對稱結(jié)構(gòu)[12-13]。

圖1 車門密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2 車門密封結(jié)構(gòu)

充氣膠條與毛刷均通過螺栓安裝在車體上，毛刷安裝在車體門洞四周外側(cè)，對門扇進(jìn)行初步密封，充氣膠條安裝在車體門洞四周靠近車體內(nèi)側(cè)，對門扇進(jìn)行進(jìn)一步密封。車門關(guān)閉后，毛刷與車門表面接觸，防止灰塵進(jìn)入車內(nèi)，充氣膠條充氣后壓在門扇表面，防止膠條與門扇之間出現(xiàn)間隙以及門框與密封膠條的變形，從而導(dǎo)致空氣泄露。門扇后檔膠條安裝在門扇后檔上位于車體最內(nèi)側(cè)，可以從車體內(nèi)部對門扇后檔進(jìn)行密封，同時和外側(cè)毛刷將充氣膠條保護(hù)在中間，保證充氣膠條功能，提升車門的密封性能。充氣膠條性能，見表1。

表1 充氣膠條性能

由表1 可知，充氣膠條可以補(bǔ)償車門與車體之間形成的間隙，具備一定適應(yīng)性，與毛刷結(jié)構(gòu)相配合使用，可以減小車輛運(yùn)行時密封結(jié)構(gòu)與車體間的縫隙，使得門框四周結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，有效降低車門四周的空氣泄漏量，提升車門運(yùn)行的平穩(wěn)性。

3 鎖閉結(jié)構(gòu)優(yōu)化

門扇前、后檔處在列車運(yùn)行時，由于長時間的振動會使得前、后檔處的密封膠條產(chǎn)生變形，形成空氣泄漏縫隙。見圖3，在車門后檔處增設(shè)氣動壓緊鎖，氣動壓緊鎖安裝在車體上。車門關(guān)閉時后，氣缸通氣，推動壓緊鎖舌轉(zhuǎn)動，壓緊鎖舌端部壓緊滾輪與門扇上壓塊接觸，將門扇向中間壓緊。

圖3 氣動壓緊鎖

車門關(guān)閉時，氣缸動作帶動壓緊鎖舌轉(zhuǎn)動一定角度，壓緊滾輪與門板壓塊滾動接觸，壓緊車門后檔膠條，減小車門運(yùn)行時后檔處密封膠條與車體間的縫隙，并且使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，車門在運(yùn)行時更加平穩(wěn)。見圖4，左右門扇后檔上部和下部各設(shè)一處壓緊鎖，門關(guān)到位后同時向車門中間壓緊，從而減少車門后檔處密封膠條在運(yùn)行時產(chǎn)生的縫隙，增加前檔膠條之間密封性，同時使車門鎖閉更加可靠，提高車門運(yùn)行的穩(wěn)定性。氣動壓緊鎖安裝在車門后檔處的上、下兩處，使得車門后檔處密封膠條受力更加均勻。

圖4 氣動壓緊鎖布置

兩扇門中間通過前檔膠條壓緊實(shí)現(xiàn)密封。為提升車門前檔處密封性能，在車門前檔處增設(shè)中間鎖鉤組件，結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 中間鎖鉤組件

中間鎖鉤組件主要分為鎖鉤和鎖鉤座兩部分，右側(cè)鎖鉤安裝在右門扇靠近前檔位置，左側(cè)鎖鉤座安裝在左門扇靠近前檔位置，整個鎖鉤組件位于車門中間位置。在關(guān)門時連桿兩端的鎖鉤與被固定在鎖鉤座上減少車門在運(yùn)行時產(chǎn)生的振動變形，使得車門運(yùn)行更加平穩(wěn)，保證車門前檔和車門周邊的密封性能。

4 大開度內(nèi)藏移門密封性能分析

大開度內(nèi)藏移門的運(yùn)行速度為160 km/h，車門內(nèi)外的壓差和產(chǎn)生的噪聲相對穩(wěn)定，在同等條件下，大開度內(nèi)藏移門的密封性能主要取決于車門四周的空氣泄露面積、車門內(nèi)外壓差、環(huán)境溫度、門板填充材料和門板厚度等因素。其中，車門四周空氣泄漏量可定義為[11]：

式中，Q——通過縫隙的空氣量，m3/h；

V——通過縫隙的空氣流速，m/s；

F——縫隙的面積，m2；

α——泄露系數(shù)，取決于門窗的氣密性；

L——縫隙的長度，m；

Δp——車門兩側(cè)壓差，Pa；

k——紊流系數(shù)，對門、窗，一般可取，k=0.65；

Fd——當(dāng)量孔口面積，m3/（h·Pak），F(xiàn)d=αL。

其中，紊流系數(shù)k 針對不同的流體流動狀態(tài)需要選取不同的數(shù)值，對于流速較高的孔口處，k 一般取值0.5，對于流速緩慢，處于細(xì)小斷面的滲流，k 一般與流速一次方成正比，針對窗四周的縫隙泄露，流速和流動狀態(tài)介于兩種情況之間，此時的紊流系數(shù)k 一般取值為0.65。

針對車門四周的縫隙面積可以表示為：

式中，F(xiàn)i——車門四周的縫隙面積，i=1，2，3，4；

Li——車門四周縫隙的長度；

h——車門四周縫隙的寬度；

由此可以得到車門四周空氣泄露總面積計(jì)算公式為：

對比改進(jìn)前后的大開度內(nèi)藏移門，車門上、下部，車門前、后檔處的密封結(jié)構(gòu)更優(yōu)，有效地減小了車門四周縫隙的寬度，空氣泄露面積更小，在其他條件不變的情況下，該車門的空氣泄漏量明顯減小，平均計(jì)權(quán)隔聲量增加，密封性能大大提升。

針對門扇密封性能的提升情況，對門扇進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行工況加載仿真實(shí)驗(yàn)，門扇仿真實(shí)驗(yàn)位移云圖，見圖6。

圖6 門扇仿真實(shí)驗(yàn)位移云圖

仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用ANSYS16.2 軟件對門扇進(jìn)行橫向3 g 工況的載荷加載，在此工況下，壓緊鎖位置約束沿門板壓塊的法相自由度，釋放其余自由度，門扇上機(jī)構(gòu)螺栓孔采用全約束，輔助支撐約束X 方向自由度，釋放其余自由度。如圖所示，門扇在橫向3 g 工況下的最大位移為1.87 mm，發(fā)生在門扇靠近前檔中部位置，門扇變形量和最大應(yīng)力均在材料安全系數(shù)范圍之內(nèi)，說明門扇壓緊鎖的布置足夠保證在最惡劣工況下的密封性能，使得車門運(yùn)行更加安全。

5 結(jié)論

本文在對比分析了典型內(nèi)藏移門的優(yōu)缺點(diǎn)之后，針對大開度內(nèi)藏移門進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)和鎖閉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，探究了大開度內(nèi)藏移門空氣泄漏量的相關(guān)影響因素，得到車門四周空氣泄露量的計(jì)算方法。通過對大開度內(nèi)藏移門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本文可得出以下結(jié)論。

（1） 車門四周增設(shè)的充氣膠條與毛刷結(jié)構(gòu)相互配合，可以減少車門四周與車體之間的空隙，提升車門的密封性能。

（2） 車門后檔處增設(shè)上下布置的4 處氣動壓緊鎖，可以有效地將車門后檔處的密封膠條和車門的門框以及前檔膠條之間壓緊，減少車門后檔處與車體之間的縫隙，同時能夠減少車門在運(yùn)行時由于零件間的空隙而產(chǎn)生的振動，使得車門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加緊湊，車門在運(yùn)行時更加平穩(wěn)，提高車門壽命。

（3） 車門前檔處增設(shè)的中間鎖鉤組件可以在車門關(guān)閉對車門中部進(jìn)行鎖閉，減少車門在運(yùn)行時的振動，提升車門密封性能。

（4） 在其他條件不變的情況下，車門的密封性能主要取決于車門四周的空氣泄露面積、車門內(nèi)外壓差、環(huán)境溫度、門板填充材料和門板厚度等因素減少車門四周的空氣泄露面積可有效提升車門密封性能，增加車門計(jì)權(quán)隔聲量，使得車輛運(yùn)行更加安全平穩(wěn)。

本文通過對大開度內(nèi)藏移門的四周增設(shè)充氣膠條，車門后檔處增設(shè)壓緊鎖裝置，車門前檔處增設(shè)中間鎖鉤組件等措施可減小車門四周空氣泄露面積，提升了大開度內(nèi)藏移門的密封性能，提高車門計(jì)權(quán)隔聲量，使車門運(yùn)行更加安全平穩(wěn)。