吕晨科 李美霞 常佳华
地铁是人们日常生活中常用的一种交通工具,具有运行速度高、运输密度高等特点。随着地铁的普及,地铁将面临更多的服役环境,对安全性、可靠性的要求越来越高。除了基本技术要求外,因服役环境不同对地铁的结构和性能要求也不尽相同,在一些常年低温的地区,空气中的水汽会凝结成细小冰粒,阻碍车门的关闭,影响地铁的安全性。本文在现有高寒地铁门的基础上进行结构优化,改善门扇结构,降低传热系数K值,使地铁门在低温下也可以正常关闭。
热传递方式主要有3种:热传导、热对流和热辐射。地铁在静止或运动中这三种热传递方式是同时进行的。当车门关闭后运行速度提高,车体外表面温度无限接近于外界的空气温度,运行中热传导是车体传热的主要因素,为简化问题,在设计和分析过程中未考虑热对流和热辐射的影响。
传热系数是评价地铁隔热性能的重要指标。传热系数是指按制定的材料及图纸设计的结构(如门系统),阻止热量导入或导出,保持车内温度稳定的能力。结构的隔热性能通过传热系数的指标来衡量,要控制结构的传热系数(测量值)小于等于标准规范所规定的值。车辆传热系数K值分级指标如图1所示。
表1 车辆传热系数K值分级指标
在车体设计中,要求地铁具有足够的热阻值,一般要求塞拉门系数K≤4.5W/(m2·K),因此,合理地设计隔热结构、降低车体传热系数,对车体的传热具有重要意义。
(1)在客室车窗外层玻璃内侧镀LOW-E膜,并在中空层内充惰性气体——氩气,提升列车的隔热防寒效果。
(2)客室门密封胶条采用耐低温的硅橡胶材料,保证了低温条件下车门的密封效果,同时车内的噪音显著降低。
(3)整车隔热材料采用高性能保温纤维棉,这种材料具有重量轻、寿命长、隔热系数高等特点,在低温下能够保持良好性能。
为了使列车门更好适应低温环境,门机构骨架使用热断桥型材,热断桥型材是型材中压进隔热条,将铝合金分成三部分组成复合材料,即外部铝合金和中间部分连接内外的芯子及内部铝合金。热断桥型材具有以下功能:
(1)热传导系数K值低;
(2)优异的机械性能和耐化学腐蚀性;
(3)热膨胀系数与铝合金相似;
(4)具有良好的隔热性能(隔热效率提高15%~25%);
(5)高耐热耐寒性(-40~220℃)。
门扇结构优化方案如图1所示。
图1 门扇结构优化方案
为了确定门扇的平均传热系数,确保门扇能够满足隔热设计要求,在不考虑型材内部产生的对流、辐射换热的影响下,门扇内部仅存在热传导,计算得出门扇传热系数。
外部条件:热箱18℃,对流换热系数8.7W/(m2·K);冷箱-55℃,对流换热系数23W/(m2·K)。
有限元简化模型如图2所示,热桥隔断有限元简化模型如图3所示。
图2 有限元简化模型
图3 热桥隔断有限元简化模型
材料设置:材料参数表如表2所示。
表2 材料参数表
约束及载荷:门扇内侧为热箱自然对流,热箱温度为18℃,对流换热系数为8.7W/(m2·K),门扇外侧为冷箱强制对流,冷箱温度为-55℃,对流换热系数为23W/(m2·K),对内外表面施加对流边界。
对流边界如图4所示,初始温度如图5所示。
图4 对流边界
图5 初始温度
从图6可以看出,直接提取门板外表面热流,总热流为462.3W,门扇面积按1.87m2,内外表面温差为73℃,则门扇平均传热系数K为:
K=462.3/(1.87×73)=3.38W/(m2·K) (1)
图6 门扇热通量云图
(1)热桥隔断后传热系数为3.38W/(m2·K),达到表1车辆传热系数K值分级指标K≤4.5W/(m2·K)。
(2)分析时未考虑型材局部空腔内部产生的对流、辐射换热的影响,门扇内部按仅存在热传导进行计算,得出的门扇传热系数偏小。
通过上述计算和实测比较,虽然计算值与理论值存在一定差距,但是经过不断改进,获得了良好效果。
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