動車組氣密性技術探討

張方濤， 李文彪， 李 兵

(南車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

動車組氣密性技術探討

張方濤， 李文彪， 李 兵

(南車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

動車組氣密性是影響車內旅客乘坐舒適度的重要性能。從動車組氣密性的頂層指標展開探討，分別介紹了4種氣密性評價方法，闡述了動車組及其部件的氣密性結構和試驗驗證。根據不同評價方法的相互轉化，對整車與部件級氣密性能的耦合關系進行了分析研究。

氣密性； 評價方法； 性能指標； 結構設計； 試驗驗證

動車組在隧道通過和交會時，均會在車體表面產生較大的壓力波動，由此引起的車內壓力變化，對車內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隧道內交會工況下的車內壓力波動，非氣密車輛約為氣密車輛的3.5倍[3]。氣密性能已經成為動車組重要性能指標之一，國內外專家對此做了大量研究探討[1-9]，動車組制造企業也將氣密性試驗作為車體及整車的例行檢驗之一。本文從頂層指標、結構設計、試驗驗證3方面，對動車組氣密性技術進行論述。

1 氣密性頂層指標的探討

1.1 影響因素

影響動車組氣密性指標確定的因素有兩個：交會壓力波、車內壓力變化。

根據目前國內的共識，列車表面壓力波最大當量壓力設計標準為6 kPa[4]。壓力波引起車內壓力變化一般來說取決于2個因素：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，導致車內壓力變化；另一方面由于車體變形使得車內空間產生變化，從而引起車內壓力空氣變化。國內專家學者通過地面試驗[9]，初步研究出車內壓力變化、車體剛度、車外壓力波之間的關系，如式(1)所示

(1)

式中f為車內空氣壓力變化率；x為車外交變壓力幅值；y為車體自振頻率。

1.2 評價方法

目前世界上使用的評價車輛氣密性能方法主要有兩類4種：時間常數法(包括動態時間常數法和靜態時間常數法)、等效泄漏面積方法(包括靜態泄漏模型和恒壓泄漏模型)。

(1) 時間常數的定義為：

(2)

式中Δp為內外壓力差； dp/dt為內部壓力變化梯度。

時間常數τ一般通過試驗來確定，根據實車線路試驗所確定的τ稱為動態時間常數τdyn；通過地面的靜態泄漏試驗所得到的τ稱為靜態時間常數τstat，靜態時間常數τstat可用下式計算：

(3)

式中t為時間；Δp1為初始內外壓力差；Δp2為結束時的內外壓力差。

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

靜態泄漏模型:該模型適用于內部容積大而泄漏量小的封閉空間。

圖1 靜態泄漏模型圖

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為內部容積，m3；c為聲速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3;t為時間，s；Δp1為初始內外壓力差，Pa；Δp2為結束時的內外壓力差，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備。如圖2所示，若pi-pe>0且維持恒定，則此時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為車輛內部容積，m3/s；

pi為內部壓力，Pa；

pe為外部壓力，Pa。

圖2 靜態恒壓泄漏模型圖

對于整車來說，靜態時間常數的3個變量可以較準確的得到，一般采用該方法評價整車氣密性能；對于零部件來說，可以采用靜態泄漏模型的等效泄漏面積，來評價其氣密性能。

1.3 頂層指標

UIC660-2002《保證高速列車技術兼容性的措施》標準中規定了當列車以最高運營速度運行時，為了保證旅客的舒適性，車內空氣壓力變化應滿足：1 s內的最大壓力變化不大于500 Pa，3 s內的最大壓力變化不大于800 Pa，10 s內的最大壓力變化不大于1 000 Pa，60 s內的最大壓力變化不大于2 000 Pa。

結合近年來的動車組制造、試驗、運用經驗，TB/T3250-2010《動車組密封設計及試驗規范》標準中規定了兩種速度等級的動車組氣密性能指標：250 km/h及以下速度等級動車組，4 kPa降至1 kPa的時間大于40 s；250 km/h以上速度等級動車組，4 kPa降至1 kPa的時間大于50 s。按靜態時間常數評價，分別相當于τstat>29 s和τstat>36 s。

圖3所示為某既有動車組整車氣密性能的試驗數據，4 kPa降至1 kPa的時間甚至超過200 s，相當于τstat>144 s。因此，從目前的動車組技術發展水平來看，上述的評價指標仍存在提升的空間。

圖3 整車氣密性試驗測試曲線

2 氣密結構設計

頂層指標確定后，接下來的問題就是如何在結構設計中實現氣密性能。影響動車組氣密性能的部件或部位主要有：車體、空調、車門、車窗、風擋、管線貫通孔。

2.1 車體

除CRH1型部分動車組以外，國內其他CRH系列動車組均采用大型中空鋁合金車體。車體地板、側墻和車頂3部分采用通長焊縫焊接組成筒形車體結構，如圖4所示，與端墻、司機室連續焊接組成，從設計上確保整體密封。

圖4 車體筒形斷面

2.2 空調

動車組空調一方面要保證空調本身、空調與車體安裝面的密封；另一方面還應采取措施阻止外部壓力波通過新風口和廢排風口滲透到車內，以保證乘客的舒適度以及車內各種設備的安全運行，空調壓力保護系統主要有3種型式：主動式、被動式、主被動混合式。

2.3 側門

動車組側門分為塞拉門、內置式側拉門2種型式，在關門的同時或關門之后均設置了氣密鎖緊動作，以保證門板與門框或門板與車體之間的密封。密封結構一般采用多唇密封膠條的型式，如圖5，圖6所示，個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構，關門的同時，密封膠條隨門板沿車門運動軌跡與門框貼合，通過膠條的壓縮實現密封，多唇結構的密封膠條，可最大限度的增大密封面積，提高氣密性能。

圖5 塞拉門氣密結構

圖6 內置式側拉門氣密結構

圖6所示為內置式側拉門氣密結構，與塞拉門不同的是，關門到位后，密封膠條隨門板與車體的貼合是一項獨立的動作，動作方向內指向車外。

2.4 車窗

動車組除個別部位設置活動窗以外(如司機室逃生窗)，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的密封膠實現氣密。

2.5 風擋

動車組風擋在實現相鄰兩車柔性連接的同時，還承擔著車輛端部的密封功能。目前動車組風擋分為2種型式：折棚型式和整體膠囊型式。

2.6 管線貫通孔

動車組水管路、空氣管路、電線貫通車體時，除采用灌裝密封膠的形式以外，針對存在后續拆裝需求的管線，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，組裝后在進行壓緊處理，實現密封。

1-貫通電纜； 2-密封模塊。

3 試驗驗證

3.1 部件級試驗驗證

部件級的氣密試驗，一般結合試驗部件的具體結構，形成一定容積的密封腔體，如圖8所示。試驗時，先使腔體內部達到規定的壓差，關閉閥門，記錄壓差隨時間變化的曲線。測出的時間值，可根據式(3)推導出該部件的靜態時間常數，風擋可采用此方法；結合設定的試驗條件，根據式(4)可推導出該部件靜態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-電磁開關閥；3,9-流量計；5-壓差計；6-真空泵；7-真空容器；12-密封腔體(含試驗部件)。

動車組車體金屬結構組焊完成后，需通過氣密試驗，對所有焊縫進行檢查，查找氣孔、裂紋或漏焊點等，對其進行補焊或用密封膠堵漏，試驗方法同整車氣密試驗。

3.2 整車試驗驗證

整車落成后，一般采用內部充氣方式，使車內外壓差達到4 kPa，并穩壓30 s，測試4 kPa降至1 kPa的時間，可采用靜態時間常數方法評價。

3.3 整車與部件級的耦合關系

整車的不密封性是由各個部件級的不氣密性總和而成的。如果整車與部件全部采用靜態時間常數方法，整車時間常數τ與各個部件時間常數τi(i=1,2,...,n)的關系類似并聯阻抗規律，如式(6)

(6)

各個部件針對車輛容積而特有的時間常數τi值，可通過等效泄漏面積與靜態時間常數的相互轉化得出，設定不同的試驗工況下，同一部件的等效泄漏面積轉化系數為ai，則部件τi可根據式(7)計算：

(7)

式中V'為部件氣密試驗密封腔容積；

t'為部件氣密試驗時，從Δp1'降到Δp2'所需時間；

V為車輛容積；

Δp1為整車氣密試驗初始內外壓力差；

Δp2為整車氣密試驗結束時的內外壓力差；

Δp1'為部件氣密試驗初始內外壓力差；

Δp2'為部件氣密試驗結束時的內外壓力差。

4 結束語

目前CRH系列動車組規模已近1 900標準列，大量的部件級氣密結構及技術已趨于成熟，動車組氣密性能仍具備進一步提高的空間，乘坐舒適度已經得到進一步提升。在將來的動車組整車設計階段，如何利用既有模塊，實現對整車氣密性能的量化分析，需要進一步研究。

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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，高級工程師(

2015-06-26)

U266

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.11