地鐵門型材結構優化仿真及傳熱系數K值計算研究

呂晨科 李美霞 常佳華

地鐵是人們日常生活中常用的一種交通工具，具有運行速度高、運輸密度高等特點。隨著地鐵的普及，地鐵將面臨更多的服役環境，對安全性、可靠性的要求越來越高。除了基本技術要求外，因服役環境不同對地鐵的結構和性能要求也不盡相同，在一些常年低溫的地區，空氣中的水汽會凝結成細小冰粒，阻礙車門的關閉，影響地鐵的安全性。本文在現有高寒地鐵門的基礎上進行結構優化，改善門扇結構，降低傳熱系數K值，使地鐵門在低溫下也可以正常關閉。

1 地鐵門的熱傳遞方式

熱傳遞方式主要有3種：熱傳導、熱對流和熱輻射。地鐵在靜止或運動中這三種熱傳遞方式是同時進行的。當車門關閉后運行速度提高，車體外表面溫度無限接近于外界的空氣溫度，運行中熱傳導是車體傳熱的主要因素，為簡化問題，在設計和分析過程中未考慮熱對流和熱輻射的影響。

2 地鐵車輛傳熱系數

傳熱系數是評價地鐵隔熱性能的重要指標。傳熱系數是指按制定的材料及圖紙設計的結構（如門系統），阻止熱量導入或導出，保持車內溫度穩定的能力。結構的隔熱性能通過傳熱系數的指標來衡量，要控制結構的傳熱系數（測量值）小于等于標準規范所規定的值。車輛傳熱系數K值分級指標如圖1所示。

表1 車輛傳熱系數K值分級指標

在車體設計中，要求地鐵具有足夠的熱阻值，一般要求塞拉門系數K≤4.5W/(m2·K)，因此，合理地設計隔熱結構、降低車體傳熱系數，對車體的傳熱具有重要意義。

3 目前高寒車輛門系統隔熱的方法

（1）在客室車窗外層玻璃內側鍍LOW-E膜，并在中空層內充惰性氣體——氬氣，提升列車的隔熱防寒效果。

（2）客室門密封膠條采用耐低溫的硅橡膠材料，保證了低溫條件下車門的密封效果，同時車內的噪音顯著降低。

（3）整車隔熱材料采用高性能保溫纖維棉，這種材料具有重量輕、壽命長、隔熱系數高等特點，在低溫下能夠保持良好性能。

4 對門結構的優化

為了使列車門更好適應低溫環境，門機構骨架使用熱斷橋型材，熱斷橋型材是型材中壓進隔熱條，將鋁合金分成三部分組成復合材料，即外部鋁合金和中間部分連接內外的芯子及內部鋁合金。熱斷橋型材具有以下功能：

（1）熱傳導系數K值低；

（2）優異的機械性能和耐化學腐蝕性；

（3）熱膨脹系數與鋁合金相似；

（4）具有良好的隔熱性能（隔熱效率提高15%～25%)；

（5）高耐熱耐寒性（-40～220℃）。

門扇結構優化方案如圖1所示。

圖1 門扇結構優化方案

5 傳熱系數K的計算

為了確定門扇的平均傳熱系數，確保門扇能夠滿足隔熱設計要求，在不考慮型材內部產生的對流、輻射換熱的影響下，門扇內部僅存在熱傳導，計算得出門扇傳熱系數。

外部條件：熱箱18℃，對流換熱系數8.7W/(m2·K)；冷箱-55℃，對流換熱系數23W/(m2·K)。

有限元簡化模型如圖2所示，熱橋隔斷有限元簡化模型如圖3所示。

圖2 有限元簡化模型

圖3 熱橋隔斷有限元簡化模型

材料設置：材料參數表如表2所示。

表2 材料參數表

約束及載荷：門扇內側為熱箱自然對流，熱箱溫度為18℃，對流換熱系數為8.7W/(m2·K)，門扇外側為冷箱強制對流，冷箱溫度為-55℃，對流換熱系數為23W/(m2·K)，對內外表面施加對流邊界。

對流邊界如圖4所示，初始溫度如圖5所示。

圖4 對流邊界

圖5 初始溫度

6 結果及結果分析

從圖6可以看出，直接提取門板外表面熱流，總熱流為462.3W，門扇面積按1.87m2，內外表面溫差為73℃，則門扇平均傳熱系數K為：

K=462.3/(1.87×73)=3.38W/(m2·K) （1）

圖6 門扇熱通量云圖

7 結論

（1）熱橋隔斷后傳熱系數為3.38W/(m2·K)，達到表1車輛傳熱系數K值分級指標K≤4.5W/(m2·K)。

（2）分析時未考慮型材局部空腔內部產生的對流、輻射換熱的影響，門扇內部按僅存在熱傳導進行計算，得出的門扇傳熱系數偏小。

通過上述計算和實測比較，雖然計算值與理論值存在一定差距，但是經過不斷改進，獲得了良好效果。

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