郭 蕾 宋元全 王天宇

(中车大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116021)

目前城轨车辆主要为车辆速度小于80 km/h的轻轨和地铁，车辆速度在80～120 km/h的城轨客车以及车辆速度大于120 km/h的城际客车[1]。随着轨道车辆速度的不断提升，在车辆进出隧道或车辆交会时会产生较大的压力波动，如果车辆没有良好的密封性，会对人耳产生冲击，使得乘客不适，影响乘坐舒适性体验。

1 车门系统概述

城市轨道车辆车门系统的密封性一直是人们广泛关注并研究的问题，密封性包含水密性和气密性两个方面，以往关注车门系统的密封性能主要是水密性，然而随着车辆速度的提升，气密性更应该被关注。

目前城轨车辆上应用的车门形式主要有塞拉门、内藏门、外挂门、外挂密闭门等，塞拉门和外挂密闭门较内藏门和外挂门具有更好的密封性，外挂密闭门由于关门后门扇与机构位于车辆外侧，因而具有较大的车辆运行阻力。考虑车辆整车气密性要求，高速城轨车辆推荐使用密封性最好同时兼顾美观性的塞拉门系统。

车门系统是车辆运用频次很高的部件，车门系统密封性会直接影响整车密封性能。本文将从整车气密、车门结构设计、试验验证几个方面阐述如何保证在车门系统满足整车水密性、气密性要求。

2 整车气密指数及舒适性分析研究

整车气密性是指在列车完成整备状态之后，关闭列车与外界相通的所有开孔(包括通过门和空调设备的开孔)，车内压力相对车外压力变化的密封性能。整车密封性能的评价标准主要由对车内压力变化的允许值规定来体现，通过气密性试验验证[2]。

车辆的密封性指标一般通过静态或动态密封指数来描述。在车厢内外空气压差的作用下，会出现车厢内外空气质量传递的现象，车厢外部的压力波动会造成车厢内部的压力变化。若车内外压力差为Δp，车内压力变化梯度为dp/dt，则气密性常数τ为：

当车外压力随时间变化时，气密性常数τ为动态密封指数，动态密封指数用来描述列车实际运行时的气密性能。一般可以用静态密封指数来估计动态密封指数，静态密封指数约为动态密封指数的2～3倍[2]。

最大压力变化幅值、最大压力变化梯度和单一时间间隔内的最大压力变化幅值，是评价气压变化环境下人体舒适度的3种常用方法。表1为目前国内外列车所采用的舒适度指标标准。

表1 国内外列车舒适度指标标准

目前我国针对快速地铁车辆舒适性设计指标尚无规范依据可循，此方面的研究工作尚处于起步阶段，仅在GB 50157——2013《地铁设计规范》中有规定：当隧道内空气总的压力变化超过700 Pa时，其压力变化率不得大于415 Pa/s，以此作为车内乘客压力舒适度标准。

为了满足乘坐舒适性需要，以时速120 km/h车辆设计为例，开展车辆顶层设计时，以线路技术条件以及车辆动态密封参数、车辆速度等参数作为输入，按照不同工况可以进行空气动力学仿真模拟计算来达到以下目的：确定车外气压波动变化情况，明确车外压力分布；确定车内气压变化情况并判断是否满足乘坐舒适度标准。

根据仿真结果可以明确整车气密性试验初始及结束时气压差数据，进而确定气密性试验时间(泄漏时间)即明确整车气密性试验标准，并以此作为车辆设计和生产制造的依据。

根据整车气密性试验标准配合各个部件泄漏当量进行大部件气密性指标分配(车体结构、车门、空调、车窗、贯通道、各种穿“墙”管路)。分配后可确定车门系统的气密性指标，并以此作为车门系统气密性的设计依据。因为车门系统使用频率很高，频繁开合使车门系统成为影响整车密封性的关键部件。以下将从车门结构设计、试验等方面对车门系统气密性设计进行阐述。

3 结构设计

车门系统结构设计对其气密性有重要影响，塞拉门典型的密封结构主要是通过门扇周边胶条与密封框的压接，以及中缝胶条的挤压对接来实现，密封框型式、胶条断面、两者之间的搭接配合情况、门扇强度以及车门安装调整等因素跟车门系统的气密性能都息息相关。

3.1 密封门框

密封门框为胶条提供搭接压紧的平面，通常固定在车体上，周边与车体缝隙打胶密封。典型的塞拉门结构一般采用上、左、右框及门槛等单个散件拼接而成的密封框，搭接处采用螺栓连接(见图1)，这种结构搭接处会存在密封不良的问题；气密性塞拉门则需采用焊接结构的整体密封框(见图2)，杜绝搭接处密封不良的问题。

图1 拼接密封框 图2 整体密封框

3.2 胶条

门扇周边和中部均设置密封胶条，车门关闭后密封胶条与密封框紧密贴合，起到密封作用。胶条的整体布置、截面形状、处理工艺等对于车门的密封性能都有重要影响。目前国外车辆也有采用充气胶条密封的结构。

周边胶条截面有多种形式，图3、图4示意了两种胶条截面及其与密封框的搭接，二者需要保证一定的搭接量和压紧量，以此来阻断车内外空气的流通。当车辆运行速度较高时，车厢内部产生正压，车门受到向车外方向的挤压力，空气通过胶条密封处有向外流通的趋势，图3所示胶条唇边易产生变形，图4胶条截面有两个小唇边，中间有一空腔，这种截面在车门受到压力时不易变形，密封性更好，目前越来越多的城轨车辆车门周边胶条采用的是类似的双向密封结构。中部护指胶条也可考虑多边密封的结构。

图3 单向密封胶条断面

图4 双向密封胶条断面

3.3 气密拉紧

双开门系统在门扇关闭并锁闭到位后，胶条无法完全压紧到位，尤其是当车辆内外压力突然发生变化时，很容易使门扇局部受压变形甚至产生缝隙，此时门系统就不具有气密性能，因此可以考虑在门扇中下部增加一套辅助装置来提供一个主动压紧力。这个辅助装置可以是用于高速车辆车门系统上的气动辅助锁装置(见图5)，也可以是与门扇配合的锁钩或平衡轮装置，可根据车辆的具体设计速度要求进行配置。

图5 辅助锁装置示意图

辅助锁采用气动自复位结构，采用一个电磁阀控制辅助锁。电磁阀受速度信号控制，当电磁阀得电，辅助锁压紧；电磁阀失电，辅助锁自动释放。辅助锁压紧时，通过内摆臂与锁舌滚轮相互作用，压紧锁舌，给门扇提供向车内方向的拉紧力。

3.4 门扇

地铁塞拉门门扇一般为铝合金骨架框体结构，内、外覆蒙皮，内部为蜂窝材料，为获得较好的隔音隔热性能，也可填充隔音隔热复合材料。门扇必须具有一定的机械强度来满足车辆以最高设计速度运行的要求。GB/T 30489——2014《城市轨道车辆客室侧门》标准中对门扇的机械强度有明确的要求，以2 500 N/m的力垂直作用于门扇宽度内5 min，卸载后无永久变形。除此之外，为满足车辆高速运行气密性的要求，门扇强度还必须满足车厢内外最大压差所形成的气动载荷，门扇的机械强度可以通过模拟计算或试验方法予以验证。

4 试验验证

在整车落成后，对车厢采取内部充气和抽真空的方法进行气密性试验，以泄压时间作为密封性能指标。目前还没有针对城市轨道车辆车门系统的气密性标准，TB/T 3454.1——2016《动车组车门第1部分：客室侧门》中给出了动车组气密性要求和试验方法，压力由4 kPa降至1 kPa时间大于210 s，或门系统等效泄漏面积不大于20 mm2。城轨车辆气密性车门系统可参照上述标准的试验方法，进行气密性试验，但由于城轨车辆速度一般不超过160 km/h，对于降压幅值、时间及泄漏面积可低于动车标准。经过相关试验验证，对于门扇厚度为32 mm的车门系统，增加辅助锁闭装置后，在保证组装工艺、精益安装的条件下，车门系统打压可达2.6 kPa，压力由2.6 kPa降至1 kPa时间可大于70 s。

5 结论

综上所述，上述措施可以提升快速城市轨道车辆的气密性能，从而提升车辆的乘坐舒适性。今后可以通过对车辆速度和气密性指标的关系方向来进行下一步深化研究，促进快速轨道车辆车门系统密封性的进一步提升。