动车组气密性技术探讨

张方涛， 李文彪， 李 兵

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111)

动车组气密性技术探讨

张方涛， 李文彪， 李 兵

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111)

动车组气密性是影响车内旅客乘坐舒适度的重要性能。从动车组气密性的顶层指标展开探讨，分别介绍了4种气密性评价方法，阐述了动车组及其部件的气密性结构和试验验证。根据不同评价方法的相互转化，对整车与部件级气密性能的耦合关系进行了分析研究。

气密性； 评价方法； 性能指标； 结构设计； 试验验证

动车组在隧道通过和交会时，均会在车体表面产生较大的压力波动，由此引起的车内压力变化，对车内旅客的乘坐舒适度有较大的影响。公开资料显示，列车以200 km/h隧道内交会工况下的车内压力波动，非气密车辆约为气密车辆的3.5倍[3]。气密性能已经成为动车组重要性能指标之一，国内外专家对此做了大量研究探讨[1-9]，动车组制造企业也将气密性试验作为车体及整车的例行检验之一。本文从顶层指标、结构设计、试验验证3方面，对动车组气密性技术进行论述。

1 气密性顶层指标的探讨

1.1 影响因素

影响动车组气密性指标确定的因素有两个：交会压力波、车内压力变化。

根据目前国内的共识，列车表面压力波最大当量压力设计标准为6 kPa[4]。压力波引起车内压力变化一般来说取决于2个因素：车辆气密性和车体刚度，一方面车外压力波通过车辆缝隙传递，导致车内压力变化；另一方面由于车体变形使得车内空间产生变化，从而引起车内压力空气变化。国内专家学者通过地面试验[9]，初步研究出车内压力变化、车体刚度、车外压力波之间的关系，如式(1)所示

(1)

式中f为车内空气压力变化率；x为车外交变压力幅值；y为车体自振频率。

1.2 评价方法

目前世界上使用的评价车辆气密性能方法主要有两类4种：时间常数法(包括动态时间常数法和静态时间常数法)、等效泄漏面积方法(包括静态泄漏模型和恒压泄漏模型)。

(1) 时间常数的定义为：

(2)

式中Δp为内外压力差； dp/dt为内部压力变化梯度。

时间常数τ一般通过试验来确定，根据实车线路试验所确定的τ称为动态时间常数τdyn；通过地面的静态泄漏试验所得到的τ称为静态时间常数τstat，静态时间常数τstat可用下式计算：

(3)

式中t为时间；Δp1为初始内外压力差；Δp2为结束时的内外压力差。

(2) 等效泄漏面积是将车辆缝隙和孔都由一个泄漏孔的面积来表示，分为两种不同的简化物理模型：静态泄漏模型和恒压泄漏模型。

静态泄漏模型:该模型适用于内部容积大而泄漏量小的封闭空间。

图1 静态泄漏模型图

该模型的等效泄漏面积为式(4)：

(4)

式中

A为等效泄漏面积，m2；V为内部容积，m3；c为声速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3;t为时间，s；Δp1为初始内外压力差，Pa；Δp2为结束时的内外压力差，Pa。

恒压泄漏模型：该模型适用于容积较小或没有形成密闭空间的设备。如图2所示，若pi-pe>0且维持恒定，则此时供给流量就等于通过等效泄漏孔的空气泄漏量，可以得到等效泄漏面积为式(5)：

(5)

式中：

A为等效泄漏面积，m2；

Qa为车辆内部容积，m3/s；

pi为内部压力，Pa；

pe为外部压力，Pa。

图2 静态恒压泄漏模型图

对于整车来说，静态时间常数的3个变量可以较准确的得到，一般采用该方法评价整车气密性能；对于零部件来说，可以采用静态泄漏模型的等效泄漏面积，来评价其气密性能。

1.3 顶层指标

UIC660-2002《保证高速列车技术兼容性的措施》标准中规定了当列车以最高运营速度运行时，为了保证旅客的舒适性，车内空气压力变化应满足：1 s内的最大压力变化不大于500 Pa，3 s内的最大压力变化不大于800 Pa，10 s内的最大压力变化不大于1 000 Pa，60 s内的最大压力变化不大于2 000 Pa。

结合近年来的动车组制造、试验、运用经验，TB/T3250-2010《动车组密封设计及试验规范》标准中规定了两种速度等级的动车组气密性能指标：250 km/h及以下速度等级动车组，4 kPa降至1 kPa的时间大于40 s；250 km/h以上速度等级动车组，4 kPa降至1 kPa的时间大于50 s。按静态时间常数评价，分别相当于τstat>29 s和τstat>36 s。

图3所示为某既有动车组整车气密性能的试验数据，4 kPa降至1 kPa的时间甚至超过200 s，相当于τstat>144 s。因此，从目前的动车组技术发展水平来看，上述的评价指标仍存在提升的空间。

图3 整车气密性试验测试曲线

2 气密结构设计

顶层指标确定后，接下来的问题就是如何在结构设计中实现气密性能。影响动车组气密性能的部件或部位主要有：车体、空调、车门、车窗、风挡、管线贯通孔。

2.1 车体

除CRH1型部分动车组以外，国内其他CRH系列动车组均采用大型中空铝合金车体。车体地板、侧墙和车顶3部分采用通长焊缝焊接组成筒形车体结构，如图4所示，与端墙、司机室连续焊接组成，从设计上确保整体密封。

图4 车体筒形断面

2.2 空调

动车组空调一方面要保证空调本身、空调与车体安装面的密封；另一方面还应采取措施阻止外部压力波通过新风口和废排风口渗透到车内，以保证乘客的舒适度以及车内各种设备的安全运行，空调压力保护系统主要有3种型式：主动式、被动式、主被动混合式。

2.3 侧门

动车组侧门分为塞拉门、内置式侧拉门2种型式，在关门的同时或关门之后均设置了气密锁紧动作，以保证门板与门框或门板与车体之间的密封。密封结构一般采用多唇密封胶条的型式，如图5，图6所示，个别型式的塞拉门也采用了充气密封胶条的型式。

图5所示为塞拉门气密结构，关门的同时，密封胶条随门板沿车门运动轨迹与门框贴合，通过胶条的压缩实现密封，多唇结构的密封胶条，可最大限度的增大密封面积，提高气密性能。

图5 塞拉门气密结构

图6 内置式侧拉门气密结构

图6所示为内置式侧拉门气密结构，与塞拉门不同的是，关门到位后，密封胶条随门板与车体的贴合是一项独立的动作，动作方向内指向车外。

2.4 车窗

动车组除个别部位设置活动窗以外(如司机室逃生窗)，绝大部分部位均采用固定车窗，通过车窗与车体之间施加连续的密封胶实现气密。

2.5 风挡

动车组风挡在实现相邻两车柔性连接的同时，还承担着车辆端部的密封功能。目前动车组风挡分为2种型式：折棚型式和整体胶囊型式。

2.6 管线贯通孔

动车组水管路、空气管路、电线贯通车体时，除采用灌装密封胶的形式以外，针对存在后续拆装需求的管线，则采用线缆贯通模块，以满足密封要求，如图7所示。密封模块的每一个过线孔与电缆直径相匹配，通过在两者之间涂抹润滑脂，组装后在进行压紧处理，实现密封。

1-贯通电缆； 2-密封模块。

3 试验验证

3.1 部件级试验验证

部件级的气密试验，一般结合试验部件的具体结构，形成一定容积的密封腔体，如图8所示。试验时，先使腔体内部达到规定的压差，关闭阀门，记录压差随时间变化的曲线。测出的时间值，可根据式(3)推导出该部件的静态时间常数，风挡可采用此方法；结合设定的试验条件，根据式(4)可推导出该部件静态泄漏模型的等效泄漏面积，门窗等部件一般采用此方法。

1-气源；2,4,8,10,11-电磁开关阀；3,9-流量计；5-压差计；6-真空泵；7-真空容器；12-密封腔体(含试验部件)。

动车组车体金属结构组焊完成后，需通过气密试验，对所有焊缝进行检查，查找气孔、裂纹或漏焊点等，对其进行补焊或用密封胶堵漏，试验方法同整车气密试验。

3.2 整车试验验证

整车落成后，一般采用内部充气方式，使车内外压差达到4 kPa，并稳压30 s，测试4 kPa降至1 kPa的时间，可采用静态时间常数方法评价。

3.3 整车与部件级的耦合关系

整车的不密封性是由各个部件级的不气密性总和而成的。如果整车与部件全部采用静态时间常数方法，整车时间常数τ与各个部件时间常数τi(i=1,2,...,n)的关系类似并联阻抗规律，如式(6)

(6)

各个部件针对车辆容积而特有的时间常数τi值，可通过等效泄漏面积与静态时间常数的相互转化得出，设定不同的试验工况下，同一部件的等效泄漏面积转化系数为ai，则部件τi可根据式(7)计算：

(7)

式中V'为部件气密试验密封腔容积；

t'为部件气密试验时，从Δp1'降到Δp2'所需时间；

V为车辆容积；

Δp1为整车气密试验初始内外压力差；

Δp2为整车气密试验结束时的内外压力差；

Δp1'为部件气密试验初始内外压力差；

Δp2'为部件气密试验结束时的内外压力差。

4 结束语

目前CRH系列动车组规模已近1 900标准列，大量的部件级气密结构及技术已趋于成熟，动车组气密性能仍具备进一步提高的空间，乘坐舒适度已经得到进一步提升。在将来的动车组整车设计阶段，如何利用既有模块，实现对整车气密性能的量化分析，需要进一步研究。

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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，高级工程师(

2015-06-26)

U266

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.11