動(dòng)車組氣密性技術(shù)探討

張方濤， 李文彪， 李 兵

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

動(dòng)車組氣密性技術(shù)探討

張方濤， 李文彪， 李 兵

(南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

動(dòng)車組氣密性是影響車內(nèi)旅客乘坐舒適度的重要性能。從動(dòng)車組氣密性的頂層指標(biāo)展開探討，分別介紹了4種氣密性評(píng)價(jià)方法，闡述了動(dòng)車組及其部件的氣密性結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)不同評(píng)價(jià)方法的相互轉(zhuǎn)化，對(duì)整車與部件級(jí)氣密性能的耦合關(guān)系進(jìn)行了分析研究。

氣密性； 評(píng)價(jià)方法； 性能指標(biāo)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)驗(yàn)證

動(dòng)車組在隧道通過和交會(huì)時(shí)，均會(huì)在車體表面產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，由此引起的車內(nèi)壓力變化，對(duì)車內(nèi)旅客的乘坐舒適度有較大的影響。公開資料顯示，列車以200 km/h隧道內(nèi)交會(huì)工況下的車內(nèi)壓力波動(dòng)，非氣密車輛約為氣密車輛的3.5倍[3]。氣密性能已經(jīng)成為動(dòng)車組重要性能指標(biāo)之一，國內(nèi)外專家對(duì)此做了大量研究探討[1-9]，動(dòng)車組制造企業(yè)也將氣密性試驗(yàn)作為車體及整車的例行檢驗(yàn)之一。本文從頂層指標(biāo)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證3方面，對(duì)動(dòng)車組氣密性技術(shù)進(jìn)行論述。

1 氣密性頂層指標(biāo)的探討

1.1 影響因素

影響動(dòng)車組氣密性指標(biāo)確定的因素有兩個(gè)：交會(huì)壓力波、車內(nèi)壓力變化。

根據(jù)目前國內(nèi)的共識(shí)，列車表面壓力波最大當(dāng)量壓力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為6 kPa[4]。壓力波引起車內(nèi)壓力變化一般來說取決于2個(gè)因素：車輛氣密性和車體剛度，一方面車外壓力波通過車輛縫隙傳遞，導(dǎo)致車內(nèi)壓力變化；另一方面由于車體變形使得車內(nèi)空間產(chǎn)生變化，從而引起車內(nèi)壓力空氣變化。國內(nèi)專家學(xué)者通過地面試驗(yàn)[9]，初步研究出車內(nèi)壓力變化、車體剛度、車外壓力波之間的關(guān)系，如式(1)所示

(1)

式中f為車內(nèi)空氣壓力變化率；x為車外交變壓力幅值；y為車體自振頻率。

1.2 評(píng)價(jià)方法

目前世界上使用的評(píng)價(jià)車輛氣密性能方法主要有兩類4種：時(shí)間常數(shù)法(包括動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)法和靜態(tài)時(shí)間常數(shù)法)、等效泄漏面積方法(包括靜態(tài)泄漏模型和恒壓泄漏模型)。

(1) 時(shí)間常數(shù)的定義為：

(2)

式中Δp為內(nèi)外壓力差； dp/dt為內(nèi)部壓力變化梯度。

時(shí)間常數(shù)τ一般通過試驗(yàn)來確定，根據(jù)實(shí)車線路試驗(yàn)所確定的τ稱為動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)τdyn；通過地面的靜態(tài)泄漏試驗(yàn)所得到的τ稱為靜態(tài)時(shí)間常數(shù)τstat，靜態(tài)時(shí)間常數(shù)τstat可用下式計(jì)算：

(3)

式中t為時(shí)間；Δp1為初始內(nèi)外壓力差；Δp2為結(jié)束時(shí)的內(nèi)外壓力差。

(2) 等效泄漏面積是將車輛縫隙和孔都由一個(gè)泄漏孔的面積來表示，分為兩種不同的簡化物理模型：靜態(tài)泄漏模型和恒壓泄漏模型。

靜態(tài)泄漏模型:該模型適用于內(nèi)部容積大而泄漏量小的封閉空間。

圖1 靜態(tài)泄漏模型圖

該模型的等效泄漏面積為式(4)：

(4)

式中

A為等效泄漏面積，m2；V為內(nèi)部容積，m3；c為聲速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3;t為時(shí)間，s；Δp1為初始內(nèi)外壓力差，Pa；Δp2為結(jié)束時(shí)的內(nèi)外壓力差，Pa。

恒壓泄漏模型：該模型適用于容積較小或沒有形成密閉空間的設(shè)備。如圖2所示，若pi-pe>0且維持恒定，則此時(shí)供給流量就等于通過等效泄漏孔的空氣泄漏量，可以得到等效泄漏面積為式(5)：

(5)

式中：

A為等效泄漏面積，m2；

Qa為車輛內(nèi)部容積，m3/s；

pi為內(nèi)部壓力，Pa；

pe為外部壓力，Pa。

圖2 靜態(tài)恒壓泄漏模型圖

對(duì)于整車來說，靜態(tài)時(shí)間常數(shù)的3個(gè)變量可以較準(zhǔn)確的得到，一般采用該方法評(píng)價(jià)整車氣密性能；對(duì)于零部件來說，可以采用靜態(tài)泄漏模型的等效泄漏面積，來評(píng)價(jià)其氣密性能。

1.3 頂層指標(biāo)

UIC660-2002《保證高速列車技術(shù)兼容性的措施》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了當(dāng)列車以最高運(yùn)營速度運(yùn)行時(shí)，為了保證旅客的舒適性，車內(nèi)空氣壓力變化應(yīng)滿足：1 s內(nèi)的最大壓力變化不大于500 Pa，3 s內(nèi)的最大壓力變化不大于800 Pa，10 s內(nèi)的最大壓力變化不大于1 000 Pa，60 s內(nèi)的最大壓力變化不大于2 000 Pa。

結(jié)合近年來的動(dòng)車組制造、試驗(yàn)、運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，TB/T3250-2010《動(dòng)車組密封設(shè)計(jì)及試驗(yàn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩種速度等級(jí)的動(dòng)車組氣密性能指標(biāo)：250 km/h及以下速度等級(jí)動(dòng)車組，4 kPa降至1 kPa的時(shí)間大于40 s；250 km/h以上速度等級(jí)動(dòng)車組，4 kPa降至1 kPa的時(shí)間大于50 s。按靜態(tài)時(shí)間常數(shù)評(píng)價(jià)，分別相當(dāng)于τstat>29 s和τstat>36 s。

圖3所示為某既有動(dòng)車組整車氣密性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，4 kPa降至1 kPa的時(shí)間甚至超過200 s，相當(dāng)于τstat>144 s。因此，從目前的動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展水平來看，上述的評(píng)價(jià)指標(biāo)仍存在提升的空間。

圖3 整車氣密性試驗(yàn)測試曲線

2 氣密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂層指標(biāo)確定后，接下來的問題就是如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)氣密性能。影響動(dòng)車組氣密性能的部件或部位主要有：車體、空調(diào)、車門、車窗、風(fēng)擋、管線貫通孔。

2.1 車體

除CRH1型部分動(dòng)車組以外，國內(nèi)其他CRH系列動(dòng)車組均采用大型中空鋁合金車體。車體地板、側(cè)墻和車頂3部分采用通長焊縫焊接組成筒形車體結(jié)構(gòu)，如圖4所示，與端墻、司機(jī)室連續(xù)焊接組成，從設(shè)計(jì)上確保整體密封。

圖4 車體筒形斷面

2.2 空調(diào)

動(dòng)車組空調(diào)一方面要保證空調(diào)本身、空調(diào)與車體安裝面的密封；另一方面還應(yīng)采取措施阻止外部壓力波通過新風(fēng)口和廢排風(fēng)口滲透到車內(nèi)，以保證乘客的舒適度以及車內(nèi)各種設(shè)備的安全運(yùn)行，空調(diào)壓力保護(hù)系統(tǒng)主要有3種型式：主動(dòng)式、被動(dòng)式、主被動(dòng)混合式。

2.3 側(cè)門

動(dòng)車組側(cè)門分為塞拉門、內(nèi)置式側(cè)拉門2種型式，在關(guān)門的同時(shí)或關(guān)門之后均設(shè)置了氣密鎖緊動(dòng)作，以保證門板與門框或門板與車體之間的密封。密封結(jié)構(gòu)一般采用多唇密封膠條的型式，如圖5，圖6所示，個(gè)別型式的塞拉門也采用了充氣密封膠條的型式。

圖5所示為塞拉門氣密結(jié)構(gòu)，關(guān)門的同時(shí)，密封膠條隨門板沿車門運(yùn)動(dòng)軌跡與門框貼合，通過膠條的壓縮實(shí)現(xiàn)密封，多唇結(jié)構(gòu)的密封膠條，可最大限度的增大密封面積，提高氣密性能。

圖5 塞拉門氣密結(jié)構(gòu)

圖6 內(nèi)置式側(cè)拉門氣密結(jié)構(gòu)

圖6所示為內(nèi)置式側(cè)拉門氣密結(jié)構(gòu)，與塞拉門不同的是，關(guān)門到位后，密封膠條隨門板與車體的貼合是一項(xiàng)獨(dú)立的動(dòng)作，動(dòng)作方向內(nèi)指向車外。

2.4 車窗

動(dòng)車組除個(gè)別部位設(shè)置活動(dòng)窗以外(如司機(jī)室逃生窗)，絕大部分部位均采用固定車窗，通過車窗與車體之間施加連續(xù)的密封膠實(shí)現(xiàn)氣密。

2.5 風(fēng)擋

動(dòng)車組風(fēng)擋在實(shí)現(xiàn)相鄰兩車柔性連接的同時(shí)，還承擔(dān)著車輛端部的密封功能。目前動(dòng)車組風(fēng)擋分為2種型式：折棚型式和整體膠囊型式。

2.6 管線貫通孔

動(dòng)車組水管路、空氣管路、電線貫通車體時(shí)，除采用灌裝密封膠的形式以外，針對(duì)存在后續(xù)拆裝需求的管線，則采用線纜貫通模塊，以滿足密封要求，如圖7所示。密封模塊的每一個(gè)過線孔與電纜直徑相匹配，通過在兩者之間涂抹潤滑脂，組裝后在進(jìn)行壓緊處理，實(shí)現(xiàn)密封。

1-貫通電纜； 2-密封模塊。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 部件級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證

部件級(jí)的氣密試驗(yàn)，一般結(jié)合試驗(yàn)部件的具體結(jié)構(gòu)，形成一定容積的密封腔體，如圖8所示。試驗(yàn)時(shí)，先使腔體內(nèi)部達(dá)到規(guī)定的壓差，關(guān)閉閥門，記錄壓差隨時(shí)間變化的曲線。測出的時(shí)間值，可根據(jù)式(3)推導(dǎo)出該部件的靜態(tài)時(shí)間常數(shù)，風(fēng)擋可采用此方法；結(jié)合設(shè)定的試驗(yàn)條件，根據(jù)式(4)可推導(dǎo)出該部件靜態(tài)泄漏模型的等效泄漏面積，門窗等部件一般采用此方法。

1-氣源；2,4,8,10,11-電磁開關(guān)閥；3,9-流量計(jì)；5-壓差計(jì)；6-真空泵；7-真空容器；12-密封腔體(含試驗(yàn)部件)。

動(dòng)車組車體金屬結(jié)構(gòu)組焊完成后，需通過氣密試驗(yàn)，對(duì)所有焊縫進(jìn)行檢查，查找氣孔、裂紋或漏焊點(diǎn)等，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)焊或用密封膠堵漏，試驗(yàn)方法同整車氣密試驗(yàn)。

3.2 整車試驗(yàn)驗(yàn)證

整車落成后，一般采用內(nèi)部充氣方式，使車內(nèi)外壓差達(dá)到4 kPa，并穩(wěn)壓30 s，測試4 kPa降至1 kPa的時(shí)間，可采用靜態(tài)時(shí)間常數(shù)方法評(píng)價(jià)。

3.3 整車與部件級(jí)的耦合關(guān)系

整車的不密封性是由各個(gè)部件級(jí)的不氣密性總和而成的。如果整車與部件全部采用靜態(tài)時(shí)間常數(shù)方法，整車時(shí)間常數(shù)τ與各個(gè)部件時(shí)間常數(shù)τi(i=1,2,...,n)的關(guān)系類似并聯(lián)阻抗規(guī)律，如式(6)

(6)

各個(gè)部件針對(duì)車輛容積而特有的時(shí)間常數(shù)τi值，可通過等效泄漏面積與靜態(tài)時(shí)間常數(shù)的相互轉(zhuǎn)化得出，設(shè)定不同的試驗(yàn)工況下，同一部件的等效泄漏面積轉(zhuǎn)化系數(shù)為ai，則部件τi可根據(jù)式(7)計(jì)算：

(7)

式中V'為部件氣密試驗(yàn)密封腔容積；

t'為部件氣密試驗(yàn)時(shí)，從Δp1'降到Δp2'所需時(shí)間；

V為車輛容積；

Δp1為整車氣密試驗(yàn)初始內(nèi)外壓力差；

Δp2為整車氣密試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的內(nèi)外壓力差；

Δp1'為部件氣密試驗(yàn)初始內(nèi)外壓力差；

Δp2'為部件氣密試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的內(nèi)外壓力差。

4 結(jié)束語

目前CRH系列動(dòng)車組規(guī)模已近1 900標(biāo)準(zhǔn)列，大量的部件級(jí)氣密結(jié)構(gòu)及技術(shù)已趨于成熟，動(dòng)車組氣密性能仍具備進(jìn)一步提高的空間，乘坐舒適度已經(jīng)得到進(jìn)一步提升。在將來的動(dòng)車組整車設(shè)計(jì)階段，如何利用既有模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車氣密性能的量化分析，需要進(jìn)一步研究。

[1] 王悅明 . 鐵路客車空氣壓力密封性問題 [J]. 鐵道機(jī)車車輛，2000,20(4):4-7 .

[2] 蘇曉峰，程建峰，韓增盛 . 高速鐵路氣密性研究綜述 [J].鐵道車輛，2004，42(5)：16-19 .

[3] 李玉潔，梅元貴 . 動(dòng)車組車輛氣密性指標(biāo)的初步探討 [J]. 鐵道機(jī)車車輛，2009，29(2)：31-35 .

[4] 韓運(yùn)動(dòng)，陳大偉，王萬靜，梁建英 . 動(dòng)車組隧道交會(huì)三維數(shù)值模擬 [J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2013,8:24-27

[5] 曹艷華，李瑞淳 . 高速動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)壓力保護(hù)裝置 [J].國外鐵道車輛，2010，47(6)：16-21 .

[6] Satoru Kanno，等(日) . 高速鐵道車輛車體的開發(fā) [J]. 國外鐵道車輛，2015，52(3)：38-39 .

[7] 張碩韶，王建功，白彥超，閻鋒 . 高速動(dòng)車組鋁合金車體設(shè)計(jì)[J]. 中國鐵路，2013，(2)：43-47 .

[8] 洪育仙，楊金超，劉丁發(fā)，徐志鵬，封龍高. 高鐵列車風(fēng)擋壓力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J] . 中國鐵路，2015，(3)：57-60.

[9] 王前選，梁習(xí)鋒，任鑫. 列車高速通過隧道時(shí)車內(nèi)壓力波模擬試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，45(5)：1699-1704.

Technical Discussion of The EMU Air-tightness

ZHANGFangtao，LIWenbiao,LIBing

(CSR Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111 Shandong, China)

The air-tightness of EMU is an important performance to passengers comfortable. In this article, the top index of air-tightness is discussed and four air-tightness evaluation methods are introduced, besides that, the structure and air-tightness test of EMU and its components are described. Based on the mutual transformation of different evaluation method, the relationship between the vehicle and components' air-tightness performance is analyzed.

air-tightness; evaluation method; performance index; structure design; test

1008-7842 (2015) 06-0044-03

)男，高級(jí)工程師(

2015-06-26)

U266

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.11