大开度内藏移门密封性能优化设计

孙国栋，陈建芳，李善飞，孙玉昆，雷荣芳

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.南京康尼机电股份有限公司，江苏 南京 210000）

引言

现阶段，国内的内藏移门系统发展趋于成熟，具有控制系统简单、系统可靠性高、门系统安全性高等优点。随着交通运输业对大开度车门需求的增加，大开度内藏移门四周的空气泄露量也随之增多，影响车门系统的密封性能，对列车运行造成影响[1]。目前，内藏移门的密封性介于外挂门与塞拉门之间，车门不直接暴露于气流中，其计权隔声量为22 dB（A），同条件下，塞拉门的计权隔声量为可以达到29 dB（A）[2]。在增大车门尺寸的前提下，提升车门密封性能，保证列车正常运行，变得尤为重要。

许天辉等人通过优化密封结构、关闭力测量、优化密封材料等来改善密封性能[3]；Wagner D A 等人利用ABAQUS 软件分析了密封条的压缩变形，得到在压缩过程中密封条接触应力的分布信息[4]；王展新等人分析了影响密封性能的因素[5]；Zhao J C 等人对密封条的压缩变形进行分析和改进[6]；韩永新从制造和安装两方面对塞拉门密封性能提出了改进措施[7]；雷宇宇对车门密封条结构进行分析，提出风噪问题原因，改进车门密封结构[8]。

以上研究分别从不同角度，用不同手段改进了车门的密封性能，但是缺少针对大开度内藏移门密封性能的改善措施，需要增加对于大开度车门密封性能的优化研究。

1 内藏移门的典型结构

目前国内使用较多的内藏移门典型结构形式主要是上部为承载滚轮与携门架组件，用以承载门页的重量，并携带门页做直线运动；中上部设有可操作的门锁装置；门页中部设有安全玻璃窗[9]。其中，门页与车体之间的密封结构特点主要有以下几点：

（a） 门扇上部采用毛刷密封，上部毛刷安装在车体上，毛刷安装后与门板配合形成密封；

（b） 下部装耐磨内滑道，与下导轨配合导向运动；

（c） 门扇中间前沿采用凹凸式密封胶条，两门扇处于关门位置时凹凸式密封胶条紧密配合达到良好的密封效果；

（d） 门扇后缘采用胶条密封，在关门位置密封条与车体凸出部分紧密贴合[10]。

2 内藏移门密封结构优化

上述内藏移门的毛刷结构主要用来阻挡外部灰尘进入车门内部，气密性和隔音效果较差，容易造成空气泄露，车门内部噪音过大，影响车辆正常运行。内藏移门的前档胶条和后档胶条具有一定的密封效果，但可能在车门制造和安装时存在，导致胶条与门扇之间产生一定的间隙；或在车辆运行时，由于长时间的振动使得门框与密封胶条产生变形，从而造成空气泄露和漏声，影响车辆的运行。

经过分析发现，目前内藏移门的密封结构主要存在以下问题：

（1） 车门上、下部缺少可以防止空气泄露、隔音的密封结构；

（2） 车门前、后档处的密封胶条在运行时存在一定的缝隙。

针对上述密封结构的缺点，在车门上、下部增设充气胶条，提升车门上部和下部密封性能；在车门后档处增设充气胶条与毛刷结构，配合后档胶条以减少车门后档位置的空气泄漏面积，提升车门密封性能。优化后的密封结构，见图1～图2 所示，为了便于密封，车门为左右对称结构[12-13]。

图1 车门密封结构优化

图2 车门密封结构

充气胶条与毛刷均通过螺栓安装在车体上，毛刷安装在车体门洞四周外侧，对门扇进行初步密封，充气胶条安装在车体门洞四周靠近车体内侧，对门扇进行进一步密封。车门关闭后，毛刷与车门表面接触，防止灰尘进入车内，充气胶条充气后压在门扇表面，防止胶条与门扇之间出现间隙以及门框与密封胶条的变形，从而导致空气泄露。门扇后档胶条安装在门扇后档上位于车体最内侧，可以从车体内部对门扇后档进行密封，同时和外侧毛刷将充气胶条保护在中间，保证充气胶条功能，提升车门的密封性能。充气胶条性能，见表1。

表1 充气胶条性能

由表1 可知，充气胶条可以补偿车门与车体之间形成的间隙，具备一定适应性，与毛刷结构相配合使用，可以减小车辆运行时密封结构与车体间的缝隙，使得门框四周结构更加稳固，有效降低车门四周的空气泄漏量，提升车门运行的平稳性。

3 锁闭结构优化

门扇前、后档处在列车运行时，由于长时间的振动会使得前、后档处的密封胶条产生变形，形成空气泄漏缝隙。见图3，在车门后档处增设气动压紧锁，气动压紧锁安装在车体上。车门关闭时后，气缸通气，推动压紧锁舌转动，压紧锁舌端部压紧滚轮与门扇上压块接触，将门扇向中间压紧。

图3 气动压紧锁

车门关闭时，气缸动作带动压紧锁舌转动一定角度，压紧滚轮与门板压块滚动接触，压紧车门后档胶条，减小车门运行时后档处密封胶条与车体间的缝隙，并且使得结构更加紧凑，车门在运行时更加平稳。见图4，左右门扇后档上部和下部各设一处压紧锁，门关到位后同时向车门中间压紧，从而减少车门后档处密封胶条在运行时产生的缝隙，增加前档胶条之间密封性，同时使车门锁闭更加可靠，提高车门运行的稳定性。气动压紧锁安装在车门后档处的上、下两处，使得车门后档处密封胶条受力更加均匀。

图4 气动压紧锁布置

两扇门中间通过前档胶条压紧实现密封。为提升车门前档处密封性能，在车门前档处增设中间锁钩组件，结构见图5。

图5 中间锁钩组件

中间锁钩组件主要分为锁钩和锁钩座两部分，右侧锁钩安装在右门扇靠近前档位置，左侧锁钩座安装在左门扇靠近前档位置，整个锁钩组件位于车门中间位置。在关门时连杆两端的锁钩与被固定在锁钩座上减少车门在运行时产生的振动变形，使得车门运行更加平稳，保证车门前档和车门周边的密封性能。

4 大开度内藏移门密封性能分析

大开度内藏移门的运行速度为160 km/h，车门内外的压差和产生的噪声相对稳定，在同等条件下，大开度内藏移门的密封性能主要取决于车门四周的空气泄露面积、车门内外压差、环境温度、门板填充材料和门板厚度等因素。其中，车门四周空气泄漏量可定义为[11]：

式中，Q——通过缝隙的空气量，m3/h；

V——通过缝隙的空气流速，m/s；

F——缝隙的面积，m2；

α——泄露系数，取决于门窗的气密性；

L——缝隙的长度，m；

Δp——车门两侧压差，Pa；

k——紊流系数，对门、窗，一般可取，k=0.65；

Fd——当量孔口面积，m3/（h·Pak），Fd=αL。

其中，紊流系数k 针对不同的流体流动状态需要选取不同的数值，对于流速较高的孔口处，k 一般取值0.5，对于流速缓慢，处于细小断面的渗流，k 一般与流速一次方成正比，针对窗四周的缝隙泄露，流速和流动状态介于两种情况之间，此时的紊流系数k 一般取值为0.65。

针对车门四周的缝隙面积可以表示为：

式中，Fi——车门四周的缝隙面积，i=1，2，3，4；

Li——车门四周缝隙的长度；

h——车门四周缝隙的宽度；

由此可以得到车门四周空气泄露总面积计算公式为：

对比改进前后的大开度内藏移门，车门上、下部，车门前、后档处的密封结构更优，有效地减小了车门四周缝隙的宽度，空气泄露面积更小，在其他条件不变的情况下，该车门的空气泄漏量明显减小，平均计权隔声量增加，密封性能大大提升。

针对门扇密封性能的提升情况，对门扇进行实际运行工况加载仿真实验，门扇仿真实验位移云图，见图6。

图6 门扇仿真实验位移云图

仿真实验运用ANSYS16.2 软件对门扇进行横向3 g 工况的载荷加载，在此工况下，压紧锁位置约束沿门板压块的法相自由度，释放其余自由度，门扇上机构螺栓孔采用全约束，辅助支撑约束X 方向自由度，释放其余自由度。如图所示，门扇在横向3 g 工况下的最大位移为1.87 mm，发生在门扇靠近前档中部位置，门扇变形量和最大应力均在材料安全系数范围之内，说明门扇压紧锁的布置足够保证在最恶劣工况下的密封性能，使得车门运行更加安全。

5 结论

本文在对比分析了典型内藏移门的优缺点之后，针对大开度内藏移门进行密封结构和锁闭结构的优化改进，探究了大开度内藏移门空气泄漏量的相关影响因素，得到车门四周空气泄露量的计算方法。通过对大开度内藏移门的结构优化，本文可得出以下结论。

（1） 车门四周增设的充气胶条与毛刷结构相互配合，可以减少车门四周与车体之间的空隙，提升车门的密封性能。

（2） 车门后档处增设上下布置的4 处气动压紧锁，可以有效地将车门后档处的密封胶条和车门的门框以及前档胶条之间压紧，减少车门后档处与车体之间的缝隙，同时能够减少车门在运行时由于零件间的空隙而产生的振动，使得车门系统的设计结构更加紧凑，车门在运行时更加平稳，提高车门寿命。

（3） 车门前档处增设的中间锁钩组件可以在车门关闭对车门中部进行锁闭，减少车门在运行时的振动，提升车门密封性能。

（4） 在其他条件不变的情况下，车门的密封性能主要取决于车门四周的空气泄露面积、车门内外压差、环境温度、门板填充材料和门板厚度等因素减少车门四周的空气泄露面积可有效提升车门密封性能，增加车门计权隔声量，使得车辆运行更加安全平稳。

本文通过对大开度内藏移门的四周增设充气胶条，车门后档处增设压紧锁装置，车门前档处增设中间锁钩组件等措施可减小车门四周空气泄露面积，提升了大开度内藏移门的密封性能，提高车门计权隔声量，使车门运行更加安全平稳。