高速动车组塞拉门密封胶条国产化研究与应用

唐江洲 郭丹阳 郝增涛 姚开法

1.南京康尼电子科技有限公司 江苏南京 210046

2.中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062

3.43南京康尼机电股份有限公司 江苏南京 210038

近年来，随着中国高铁的飞速发展，早期运营的车辆逐步达到了高级修里程要求，并回厂进行高级修检修。在五级修检修期间塞拉门系统需要下车分解检修，其中门扇部件中的密封胶条为橡胶件，保证门系统具有良好的气密性能和水密封性能。在五级修检修时，密封胶条达到寿命极限需要进行更换[1]。原密封胶条属于进口件，采购和制造周期长、成本高，不能满足国内的检修周期。若提前储备物料容易导致密封胶条的实际装车寿命缩短。为适应国内检修车辆的周期和成本需求，研究开发国产化替代方案。

1 密封胶条结构原理

1.1 密封原理

密封胶条安装在门扇四周型材安装槽内，塞拉门关闭、辅助锁压紧后，密封胶条压缩，与门框密封面贴合，形成密闭空间，如下图1所示：

图1 塞拉门系统密封原理示意图

密封胶条的理论压缩量为5mm，静态载荷下，辅助锁气缸在4.5bar气压下锁闭的输出力需要等效胶条压缩5mm的反弹力，影响胶条反弹力的重要因素为材质硬度。

1.2 工作要求

由于密封胶条长期暴露在车辆外侧，且车辆运营区间广泛，北至哈尔滨南至海南，因此要求密封胶条工作温度范围为-40至+80℃。在高原地区为满足强紫外线要求，密封胶条应具有良好的耐老化性。同时为适应雨雪天气，密封胶条还应具有一定的耐腐蚀性。在上述工作环境中，密封胶条的更换周期为480万公里或12年。

2 胶条国产化方案

2.1 胶条失效模式

在正常使用条件下，密封胶条的失效模式有以下几种：

（1）胶条弹性降低，辅助锁解锁完毕后，门扇无法及时从密封门框中脱离；

（2）胶条硬度降低，在运营一段时间后，出现裂纹；

（3）胶条老化，化学成分发生变化，丧失密封功能。

基于现在成熟的国产化八字密封胶条材质，结合进口胶条Y1结构以及工作状态，在其基础上优化了硅烷偶联剂、增强剂，并确定国产化胶条Y2。

2.2 密封胶条弹性分析

截取3组进口胶条试样Y1，试制3组国产试样Y2，试样长度L=50mm，并试制检测工装检测，检测胶条反弹力。试验结果如下图所示，通过下图可以发现：

（1）国产胶条在曲线基本与进口胶条曲线类似，国产胶条在整个压缩过程产生的反弹力的趋势能够达到进口胶条水平；

图2 进口胶条和国产胶条的反弹力对比图

（2）在最大压缩量5mm时，国产胶条的反弹力略大于进口胶条，在相同的辅助锁压缩量下，国产胶条的反弹力大于进口胶条，进而能够提高门系统的密封性能，门系统能够适应更加恶劣的运营环境，在进口隧道瞬间或者两列高速动车组交汇瞬间能够更好吸收气流的冲击，保证列车运营稳定。同时在列车到站，门系统在集控命令下辅助锁完成解锁，门扇更容易从密封门框中分开，能够降低门系统的故障率，提高门系统的可靠性[2]。

2.3 胶条强度分析

试制3个国产密封胶条组件，并准备3个进口胶条组件，在3个国产密封件胶条组件中每个密封胶条组件截取两组胶条试样，同样在3个进口胶条组件中每个密封胶条组件截取两组胶条试验，共有12组试样，如下表1所示。

表1 国产胶条和进口胶条试样

胶条强度试验流程如下图3所示：

图3 胶条强度试验流程

邵氏硬度试验、拉伸强度试验、拉断伸长率试验结果如下图4、图5、图6所示：

图4 进口胶条和国产胶条的邵式硬度对比图

图5 进口胶条和国产胶条的拉伸强度对比图

图6 进口胶条和国产胶条的拉断伸长率对比图

通过以上试验结果可以得出：

（1）国产胶条的邵氏硬度高于进口胶条，胶条的硬度特性与胶条的反弹力存在着部分重叠，适当的提高硬度可以提高胶条的反弹力，同时能够降低胶条抵御外物刺破的风险。在85℃×168h的老化试验室后，硬度的变化率，国产胶条硬度只增加了6%，而进口胶条硬度增加了10%，国产胶条硬度变化率几近进口胶条的一半，国产胶条的硬度以及抗老化性要优于进口胶条[3]。

（2）国产胶条的拉伸强度低于进口胶条拉伸强度，其拉断伸长率略低于进口胶条。在老化试验后，国产胶条的拉伸强度只降低了6%，而进口胶条拉伸强度降低了17%，国产胶条的拉断伸长率在老化后降低了15%，进口胶条的在老化后降低了19%。综上所述国产胶条的稳定性优于进口胶条。

从密封胶条实际使用工况分析，门扇在开门情况下，密封胶条不受拉伸力；门扇在关闭情况，理论状态下密封胶条受挤压力。门扇在安装调试时无法达到与门框绝对平行，在锁闭过程中整个密封胶条与密封门框无法同时接触，在受辅助锁外力压缩过程中，门扇的运动方向无法绝对垂直于车体，因此整个密封胶条无法均匀的压缩在门框的密封面上，压缩前后的时间差异可能造成密封胶条在局部区域产生拉伸，根据密封界面设计安全余量Lt=2mm。

密封胶条在车长方向的最大拉伸延伸率λx为：

Wx-密封胶条在车长方向的总长度。

密封胶条在垂直于车体底面方向的最大拉伸延伸率λy为：

Wy-密封胶条在垂直于车体底面方向的总长度。

取Wx=1030mm，Wy=2280mm，并计算两个方向的延伸率为λx=0.19%，λy=0.087%：国产胶条拉伸强度以及拉断伸长率满足设计要求。

2.4 试验验证

（1）样件试验。根据图纸试制密封胶条，安装到试验台架上模拟30万次全寿命试验，其中每5万次进行1次门功能试验、水密试验、气密试验。待耐久性试验完成后进行10万次冲击振动试验，其中每5万次再进行门功能试验、水密试验以及气密试验。试验流程图如下图7所示：

图7 胶条强度试验流程如下图

国产胶条耐久性试验结果如下表2所示：

表2 国产胶条耐久性试验结果

（2）装车试验。样件型式试验通过鉴定后，在现车上试装一列车国产密封胶条，经过接近3个月10万公里的运营考核，塞拉门开关门动作良好，解锁无异常，门控器中无该故障记录，满足运营考核要求。

3 结语

针对密封胶条的主要失效模式，结合进口胶条结构以及工作状态，通过优化材质提出了密封胶条国产化方案。通过邵氏硬度试验、拉伸强度试验、拉断伸长率试验和运营考核结果表明国产化胶条完全能够替代进口胶条，可有效降低检修维护成本，满足检修车辆的周期和成本需求。