基于TRIZ理论的高铁外门门扇胶条优化设计

王辉

摘要：针对高速列车塞拉门在运用过程中出现的门扇周边胶条易破损、维护性差的问题，利用TRIZ理论建立矛盾矩阵，并根据矛盾矩阵提供的创新原理进行优化设计。优化后的周边胶条在满足车门性能要求的前提下，破损频率、维护工作量及备件成本显著降低。

关键词：PLC;高速列车;外门;塞拉门;胶条;TRIZ理论;矛盾矩阵

0 引言

当前高速列车外门系统主要采用塞拉门结构，车门维护工作所占整车维护检修工作的比重较大，车门应用的可靠性直接影响着行车秩序和行车安全。随着高速列车运行数量的不断增加、运用频率的不断提高，车门设计也需持续优化，以提高其使用可靠性，满足用户需求。

产品在改善某个参数或者某方面性能时，往往会使其他参数和某些性能恶化，在实施优化设计时需要充分考虑各种工况，寻找最佳解决方案。TRIZ理论是一套着力于创造性解决问题的理论方法，其核心理念之一就是分析与解决矛盾[1]。利用TRIZ理论，通过问题对应的技术参数寻找矛盾，然后应用发明原理解决矛盾[2]。本文针对高速列车塞拉门在运用过程中出现的门扇胶条易破损、维护性差等问题，利用TRIZ理论实现创新设计，满足用户实际需求。

1 车门胶条结构及存在问题

1.1    车门胶条安装结构示意

高速列车塞拉门采用多重密封技术，门扇上安装有周边胶条、密封胶条以及护指胶条，具体结构如图1所示。

1.1.1    周边胶条

周边胶条安装在门扇最外层，关门后与门框搭接，用于门扇周圈防尘，并具有一定的防水效果。

在门扇后侧（靠近开门方向）及上、下部区域，周边胶条均为唇边结构，如图2所示;而在门扇前侧（靠近关门方向），周边胶条截面变为圆形带空腔结构，如图3所示。前侧周边胶条空腔内安装有敏感电阻，当车门在关闭过程中触碰障碍物时，可以激活敏感电阻，实现车门的防挤压保护功能。

高铁外门低温工况要求满足-40 ℃条件下存储、-25 ℃条件下运用的要求。周边胶条作为车门密封的第一道屏障，其胶条唇边需要能够在低温环境下仍起到一定的密封作用。因此，高铁外门的周边胶条一般选用硅胶材质，确保在低温工况下胶条弹性良好。

另外，前侧密封周邊胶条空腔内穿有敏感电阻，为了避免雨水渗入胶条空腔，通常使周边胶条前侧与上、下侧在门扇圆角处硫化过渡，形成一个封闭的整体。周边胶条接角处结构示意如图4所示。

1.1.2    密封胶条

密封胶条采用“八”字形唇边，关门后胶条唇边展开并紧贴门框密封面，实现车门气密。

1.1.3    护指胶条

护指胶条安装于门扇内侧前部（靠近关门方向），在门扇即将关门到位时可以防止手指停留在门框边沿，避免夹伤。同时，护指胶条前端也设计有空腔，其内穿入敏感电阻，也可实现车门防挤压保护功能。

1.2    周边胶条存在的问题

既有车门在运用过程中常出现前侧周边胶条破损问题，如图5所示，原因是乘客在上、下车过程中行李刮蹭胶条。胶条破损后，其内部敏感边易脱出空腔，造成车门防挤压功能异常。另外，因胶条设计为整圈封闭结构，接角处硫化成型，当前部胶条破损时需要将整圈胶条同步更换。胶条与门板之间缝隙需要涂密封胶防水，故更换周边胶条时需先拆卸门扇，更换新的胶条，重新打胶并静置24 h以上等待密封胶固化，最后将门扇重新组装到车上。整个过程工作量大，作业周期长。

以上种种原因造成车门周边胶条更换频繁且维护性差、维护成本较高。门扇周边胶条优化需要在不影响车门系统各项性能的基础上从两个方面进行改善：一是减少胶条破损情况;二是提升胶条维护性。

2 运用TRIZ理论创新设计

2.1    拙见方案——优化胶条材质

常见的用于车门密封条的材质还包括三元乙丙橡胶（EPDM）。通常来说，三元乙丙橡胶相比硅胶强度更好，因此减少胶条破损的改进思路是将周边胶条材质更改为三元乙丙。但同时三元乙丙在低温工况下弹性降低明显，作为门扇胶条，适应低温环境的能力弱于硅胶。

本文分别根据《硫化橡胶或热塑性橡胶 撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）》（GB/T 529—2008）[3]以及《硫化橡胶或热塑性橡胶 压缩永久变形的测定 第2部分：在低温条件下》（GB/T 7759.2—2014）[4]对两种材质胶条的性能进行对比试验，结果如表1所示。

通过试验数据对比可知：三元乙丙橡胶的抗撕裂强度明显由于硅胶，在受到外力刮碰时，不易产生大面积破损;另外，在低温条件下，三元乙丙橡胶的压缩永久变形明显大于硅胶，这会导致车门在低温工况运行时密封性能有所下降。

本文根据改进思路提出了拙见方案（更改胶条材质），但拙见方案中包含着矛盾，即改善某一方面性能参数时会带来另一方面性能参数的恶化。TRIZ理论中通常采用矛盾矩阵来解决这种冲突现象。将拙见方案的有利和不利之处与39个工程参数建立联系，有利之处对应欲改善的参数，不利之处对应欲恶化的参数，然后利用矛盾矩阵找出发明原理启发问题的解决方案。TRIZ理论解决问题的流程如图6所示。

2.2    冲突分析和矛盾矩阵

根据上文所述，减少胶条破损的拙见方案是将周边胶条材质更换为三元乙丙。其有利之处为增加了胶条的抗撕裂性能，不利之处为降低了胶条适应低温工况的能力。

将上述利弊与39个工程参数中的改进参数和恶化参数分别进行匹配，得到表2所示的结果。其中改善的参数——强度，恶化的参数——适应性、通用性。

根据工程参数，查阅矛盾矩阵得到创新原理：15（动态特性）、3（局部质量）、32（颜色改变），每种创新原理对应的释义如下：

动态特性：使物体或其环境自动调节，使其在每个动作阶段的性能都达到最佳状态。

局部质量：将均匀的物体结构或外部环境变成不均匀的;让物体的各个部分执行不同的功能;使物体的各个部分具有不同的功能。

颜色改变：改变物体或者周围环境的颜色;改变难以观察的物体或者过程的透明度，以提高可视性;引入有色添加剂来提高宏观物体或者其作用过程的可视性。

2.3    基于矛盾矩阵的改进方案

出于提升周边胶条维护性的思路，并考虑操作性和成本投入，本文选择创新原理3（局部質量）来进行改进：因周边胶条的破损均发生在前侧，考虑将前侧的周边胶条单独采用三元乙丙橡胶，而其他三边仍保留硅胶材质。

前侧周边胶条截面形状为圆形中空，主要起到激活防挤压功能的作用，在门扇关闭后并不会产生变形，不起到密封作用。因此，将此段胶条的材质改为三元乙丙不会对车门的密封作用产生不良影响，反而会大大提升抗撕裂性能，降低破损风险;其他周边胶条为唇边形状，在关门后与门框紧贴，因此仍采用硅胶材质，确保车门在低温工况下的密封性能不受影响。

与此同时，因前侧胶条独立于其他三边，即使发生破损也可以单独更换，并且更换时无需将门扇整个拆卸，更换作业相比以往大大简化，维护性显著提升。

2.4    改进方案的进一步优化

在实际生产过程中，前侧胶条与其他三边胶条需要采用粘接的方式形成一体，两部分的接缝处是周边胶条的薄弱区域，在特殊工况（如大雨天气）下，雨水易经过胶条接头处渗入前侧胶条空腔内，造成敏感电阻使用寿命下降或者误触发，使车门适应恶劣环境的能力下降。

针对此问题再次建立冲突分析：拙见方案为胶条采用分体式结构;有利之处是降低胶条更换的工作量，提高了胶条的维护性;不利之处在于使胶条接缝处渗水，适应恶劣环境的能力下降。

将上述利弊之处与39个工程参数进行匹配，得到表3所示的结果。其中改善的参数——可维护性，恶化的参数——适应性、通用性。

根据工程参数，查阅矛盾矩阵得到创新原理：7（嵌套原理）、1（分割原理）、4（增加不对称）、16（未达到或者过度作用），每种创新原理对应的释义如下：

嵌套原理：把一个物体嵌入第二个物体，然后将这两个物体再嵌入第三个物体，依次类推，一个物体穿过另一个物体的空腔。

分割原理：将一个物体分割成几个独立的部分;使物体成为易于组装或者拆卸的几个部分。

增加不对称：将对称物体变为不对称;将不对称物进一步增加其不对称性。

未达到或者过度作用：当所期望的效果难以百分之百实现时，则可用同样的方法完成“稍少于”或者“稍多于”期望的效果，使问题简化。

结合周边胶条的结构特点，选用创新原理7（嵌套原理）来进一步进行方案优化。因周边胶条前侧为空腔结构，与之匹配的圆角处为实体结构，改进方案是将圆角末端增加凸台，插入胶条空腔内，形成嵌套结构。在此结构中，胶条相互拼接的两部分之间涂密封胶，密封胶的结合面相比改进前显著增加，接头的可靠性大大提高，如图7所示。

根据TRIZ理论的周边胶条优化设计，既增加了胶条易破损区域的强度，又考虑了胶条接缝处薄弱区域的结构加强，使优化方案具备良好的实用性。

3 应用效果

3.1    胶条破损频率降低

对某型号高速动车组塞拉门周边胶条进行上述结构优化后，跟踪胶条的运用情况。根据现场反馈，胶条破损的情况显著减少，出现破损的胶条大多只是呈现小区域破损，而不是扩散状的裂纹，这是由于前侧胶条改进为三元乙丙后抗撕裂强度显著提高。此类胶条破损只需要修补即可，无需更换，维护难度明显降低。胶条改进前后破损状态对比如图8所示。

3.2    胶条维护性的提升

3.2.1    胶条更换工序对比

优化前：拆卸门扇→拆卸周边胶条→更换新的周边胶条→打胶固化→重新安装并调整门扇。

优化后：拆卸前侧周边胶条→更换新的胶条→打胶固化。

由对比可知，优化设计后胶条更换工作量和工时显著降低，维护性明显提升。

3.2.2    备件成本对比

优化前：周边胶条组件（周圈）。

优化后：前侧周边胶条（单边）。

单边的胶条成本大大低于整圈周边胶条，优化设计后胶条备件的成本显著降低。

4 结语

本文针对高速列车塞拉门在运用过程中出现的门扇胶条易破损、维护性差的问题，利用TRIZ理论的矛盾冲突法分析初期方案存在的问题，进行创新设计，最终得到满足用户需求的更优的周边胶条方案。TRIZ理论是一种有效的技术创新方法，在解决实际工程技术问题方面有很大的应用价值。

[参考文献]

[1] 曹嘉平，马婧儒，高志勇，等.基于感性工学与TRIZ理论的汽车窗帘创新与设计[J].科技与生产力，2020（6）：61-65.

[2] 沈微，李思平，阚兴金，等.基于TRIZ理论的宠物物流箱设计[J].机械设计与研究，2018，34（5）：192-195.

[3] 硫化橡胶或热塑性橡胶 撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）：GB/T 529—2008[S].

[4] 硫化橡胶或热塑性橡胶 压缩永久变形的测定 第2部分：在低温条件下：GB/T 7759.2—2014[S].