高速動(dòng)車組塞拉門密封膠條國產(chǎn)化研究與應(yīng)用

唐江洲 郭丹陽 郝增濤 姚開法

1.南京康尼電子科技有限公司 江蘇南京 210046

2.中車長春軌道客車股份有限公司 吉林長春 130062

3.43南京康尼機(jī)電股份有限公司 江蘇南京 210038

近年來，隨著中國高鐵的飛速發(fā)展，早期運(yùn)營的車輛逐步達(dá)到了高級修里程要求，并回廠進(jìn)行高級修檢修。在五級修檢修期間塞拉門系統(tǒng)需要下車分解檢修，其中門扇部件中的密封膠條為橡膠件，保證門系統(tǒng)具有良好的氣密性能和水密封性能。在五級修檢修時(shí)，密封膠條達(dá)到壽命極限需要進(jìn)行更換[1]。原密封膠條屬于進(jìn)口件，采購和制造周期長、成本高，不能滿足國內(nèi)的檢修周期。若提前儲備物料容易導(dǎo)致密封膠條的實(shí)際裝車壽命縮短。為適應(yīng)國內(nèi)檢修車輛的周期和成本需求，研究開發(fā)國產(chǎn)化替代方案。

1 密封膠條結(jié)構(gòu)原理

1.1 密封原理

密封膠條安裝在門扇四周型材安裝槽內(nèi)，塞拉門關(guān)閉、輔助鎖壓緊后，密封膠條壓縮，與門框密封面貼合，形成密閉空間，如下圖1所示：

圖1 塞拉門系統(tǒng)密封原理示意圖

密封膠條的理論壓縮量為5mm，靜態(tài)載荷下，輔助鎖氣缸在4.5bar氣壓下鎖閉的輸出力需要等效膠條壓縮5mm的反彈力，影響膠條反彈力的重要因素為材質(zhì)硬度。

1.2 工作要求

由于密封膠條長期暴露在車輛外側(cè)，且車輛運(yùn)營區(qū)間廣泛，北至哈爾濱南至海南，因此要求密封膠條工作溫度范圍為-40至+80℃。在高原地區(qū)為滿足強(qiáng)紫外線要求，密封膠條應(yīng)具有良好的耐老化性。同時(shí)為適應(yīng)雨雪天氣，密封膠條還應(yīng)具有一定的耐腐蝕性。在上述工作環(huán)境中，密封膠條的更換周期為480萬公里或12年。

2 膠條國產(chǎn)化方案

2.1 膠條失效模式

在正常使用條件下，密封膠條的失效模式有以下幾種：

（1）膠條彈性降低，輔助鎖解鎖完畢后，門扇無法及時(shí)從密封門框中脫離；

（2）膠條硬度降低，在運(yùn)營一段時(shí)間后，出現(xiàn)裂紋；

（3）膠條老化，化學(xué)成分發(fā)生變化，喪失密封功能。

基于現(xiàn)在成熟的國產(chǎn)化八字密封膠條材質(zhì)，結(jié)合進(jìn)口膠條Y1結(jié)構(gòu)以及工作狀態(tài)，在其基礎(chǔ)上優(yōu)化了硅烷偶聯(lián)劑、增強(qiáng)劑，并確定國產(chǎn)化膠條Y2。

2.2 密封膠條彈性分析

截取3組進(jìn)口膠條試樣Y1，試制3組國產(chǎn)試樣Y2，試樣長度L=50mm，并試制檢測工裝檢測，檢測膠條反彈力。試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，通過下圖可以發(fā)現(xiàn)：

（1）國產(chǎn)膠條在曲線基本與進(jìn)口膠條曲線類似，國產(chǎn)膠條在整個(gè)壓縮過程產(chǎn)生的反彈力的趨勢能夠達(dá)到進(jìn)口膠條水平；

圖2 進(jìn)口膠條和國產(chǎn)膠條的反彈力對比圖

（2）在最大壓縮量5mm時(shí)，國產(chǎn)膠條的反彈力略大于進(jìn)口膠條，在相同的輔助鎖壓縮量下，國產(chǎn)膠條的反彈力大于進(jìn)口膠條，進(jìn)而能夠提高門系統(tǒng)的密封性能，門系統(tǒng)能夠適應(yīng)更加惡劣的運(yùn)營環(huán)境，在進(jìn)口隧道瞬間或者兩列高速動(dòng)車組交匯瞬間能夠更好吸收氣流的沖擊，保證列車運(yùn)營穩(wěn)定。同時(shí)在列車到站，門系統(tǒng)在集控命令下輔助鎖完成解鎖，門扇更容易從密封門框中分開，能夠降低門系統(tǒng)的故障率，提高門系統(tǒng)的可靠性[2]。

2.3 膠條強(qiáng)度分析

試制3個(gè)國產(chǎn)密封膠條組件，并準(zhǔn)備3個(gè)進(jìn)口膠條組件，在3個(gè)國產(chǎn)密封件膠條組件中每個(gè)密封膠條組件截取兩組膠條試樣，同樣在3個(gè)進(jìn)口膠條組件中每個(gè)密封膠條組件截取兩組膠條試驗(yàn)，共有12組試樣，如下表1所示。

表1 國產(chǎn)膠條和進(jìn)口膠條試樣

膠條強(qiáng)度試驗(yàn)流程如下圖3所示：

圖3 膠條強(qiáng)度試驗(yàn)流程

邵氏硬度試驗(yàn)、拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)、拉斷伸長率試驗(yàn)結(jié)果如下圖4、圖5、圖6所示：

圖4 進(jìn)口膠條和國產(chǎn)膠條的邵式硬度對比圖

圖5 進(jìn)口膠條和國產(chǎn)膠條的拉伸強(qiáng)度對比圖

圖6 進(jìn)口膠條和國產(chǎn)膠條的拉斷伸長率對比圖

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

（1）國產(chǎn)膠條的邵氏硬度高于進(jìn)口膠條，膠條的硬度特性與膠條的反彈力存在著部分重疊，適當(dāng)?shù)奶岣哂捕瓤梢蕴岣吣z條的反彈力，同時(shí)能夠降低膠條抵御外物刺破的風(fēng)險(xiǎn)。在85℃×168h的老化試驗(yàn)室后，硬度的變化率，國產(chǎn)膠條硬度只增加了6%，而進(jìn)口膠條硬度增加了10%，國產(chǎn)膠條硬度變化率幾近進(jìn)口膠條的一半，國產(chǎn)膠條的硬度以及抗老化性要優(yōu)于進(jìn)口膠條[3]。

（2）國產(chǎn)膠條的拉伸強(qiáng)度低于進(jìn)口膠條拉伸強(qiáng)度，其拉斷伸長率略低于進(jìn)口膠條。在老化試驗(yàn)后，國產(chǎn)膠條的拉伸強(qiáng)度只降低了6%，而進(jìn)口膠條拉伸強(qiáng)度降低了17%，國產(chǎn)膠條的拉斷伸長率在老化后降低了15%，進(jìn)口膠條的在老化后降低了19%。綜上所述國產(chǎn)膠條的穩(wěn)定性優(yōu)于進(jìn)口膠條。

從密封膠條實(shí)際使用工況分析，門扇在開門情況下，密封膠條不受拉伸力；門扇在關(guān)閉情況，理論狀態(tài)下密封膠條受擠壓力。門扇在安裝調(diào)試時(shí)無法達(dá)到與門框絕對平行，在鎖閉過程中整個(gè)密封膠條與密封門框無法同時(shí)接觸，在受輔助鎖外力壓縮過程中，門扇的運(yùn)動(dòng)方向無法絕對垂直于車體，因此整個(gè)密封膠條無法均勻的壓縮在門框的密封面上，壓縮前后的時(shí)間差異可能造成密封膠條在局部區(qū)域產(chǎn)生拉伸，根據(jù)密封界面設(shè)計(jì)安全余量Lt=2mm。

密封膠條在車長方向的最大拉伸延伸率λx為：

Wx-密封膠條在車長方向的總長度。

密封膠條在垂直于車體底面方向的最大拉伸延伸率λy為：

Wy-密封膠條在垂直于車體底面方向的總長度。

取Wx=1030mm，Wy=2280mm，并計(jì)算兩個(gè)方向的延伸率為λx=0.19%，λy=0.087%：國產(chǎn)膠條拉伸強(qiáng)度以及拉斷伸長率滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）樣件試驗(yàn)。根據(jù)圖紙?jiān)囍泼芊饽z條，安裝到試驗(yàn)臺架上模擬30萬次全壽命試驗(yàn)，其中每5萬次進(jìn)行1次門功能試驗(yàn)、水密試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)。待耐久性試驗(yàn)完成后進(jìn)行10萬次沖擊振動(dòng)試驗(yàn)，其中每5萬次再進(jìn)行門功能試驗(yàn)、水密試驗(yàn)以及氣密試驗(yàn)。試驗(yàn)流程圖如下圖7所示：

圖7 膠條強(qiáng)度試驗(yàn)流程如下圖

國產(chǎn)膠條耐久性試驗(yàn)結(jié)果如下表2所示：

表2 國產(chǎn)膠條耐久性試驗(yàn)結(jié)果

（2）裝車試驗(yàn)。樣件型式試驗(yàn)通過鑒定后，在現(xiàn)車上試裝一列車國產(chǎn)密封膠條，經(jīng)過接近3個(gè)月10萬公里的運(yùn)營考核，塞拉門開關(guān)門動(dòng)作良好，解鎖無異常，門控器中無該故障記錄，滿足運(yùn)營考核要求。

3 結(jié)語

針對密封膠條的主要失效模式，結(jié)合進(jìn)口膠條結(jié)構(gòu)以及工作狀態(tài)，通過優(yōu)化材質(zhì)提出了密封膠條國產(chǎn)化方案。通過邵氏硬度試驗(yàn)、拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)、拉斷伸長率試驗(yàn)和運(yùn)營考核結(jié)果表明國產(chǎn)化膠條完全能夠替代進(jìn)口膠條，可有效降低檢修維護(hù)成本，滿足檢修車輛的周期和成本需求。