時速120公里軌道交通車輛氣密性設計探討

王吉 張艷萍 潘云艷

摘 要：目前，國內快速地鐵還沒有相關標準對車輛氣密性設計進行規范、指導，隨著近2年市域車輛技術規范的出臺，快速軌道交通車輛的氣密性設計有了明確的指導、目標。本文對120km/h的快速軌道交通項目的氣密性問題進行了探討，以供后續新車輛前期設計選型提供參考。

關鍵詞：軌道交通車輛;氣密性;設計與研究

目前國內120km/h速度等級已開通運營的線路主要有廣三線、廣州14&21號線、上海16號線、深圳11號線、東莞R2線、青島11號線、青島13號線、南京寧高城際、寧潥城際等，對于含多隧道的線路，當車輛開行至120km/h時，因前期并沒有適用的地鐵或市域軌道交通標準對車輛氣密性進行詳細規范，考慮到車輛運行的經濟性，車輛并沒有采取類似高速鐵路車輛的氣密性設計，乘客在乘坐時會普遍感覺不適，乘坐體驗不佳。

1 車輛氣密性評價標準

根據相關標準規定，120km/h速度等級的軌道交通車輛的相關氣密性要求可參照國內新出臺的市域規范進行要求，對密封性車輛可以按照τ>5s或τ>6s進行規定。

2 車輛氣密性外部影響因素

導致車輛氣密性問題的主要原因是車輛沒有被嚴格的密封起來，包括車門、貫通道、空調等車輛內部接口的密封性，空氣通過這些沒有密封的部位進入車輛內部，造成車輛內外壓力差，當壓力差達到一定程度的時候會致人乘坐不舒適。

從上圖1可以看出，當車輛速度達到70km/h以上時，因空氣動力學產生的噪音已遠遠大于車輛牽引系統、車輛本身的噪音等因素，氣密性必須納入車輛運行考核指標。一般80km/h車輛的地鐵項目，在70～80km/h的高速運行區間較少，從經濟性考慮可以不必嚴格考核氣密性指標。

根據計算，內徑5400mm的隧道截面積約為20～22m2，B型車的橫截面積約為10～11m2，故隧道阻塞比約為0.45～0.5。隧道壓力波動計算公式如下：

其中，P為壓力波動，k為條件常數，β為阻塞比，v為列車速度，N為瞬變壓力對應的阻塞比冪指數系數，單一列車在隧道中運行時，N=1.3±0.25。

列車在隧道運行時，氣動壓力與阻塞比和運行速度的平方成正比例關系，因此，在進行列車設計時，應優化頭型，盡量做到小的阻塞比，才能有效控制列車在隧道運行時的壓力波動。

3 車輛氣密性改善措施

整車氣密指數計算公式如下：

整車的密封性由車體、車窗、車門、貫通道、空調系統、貫穿車體的各種設備以及各種穿“墻”的電纜、電氣、風和水等管路部分的密封性共同保證。根據木桶原理，整車控制氣密性重點在于補短板，不能造成單一影響因素的τ值過大，在整車設計初期，需要重點考慮以下因素：（1）列車氣動優化設計，降低交會壓力波幅值。（2）設置壓力保護系統，在車內外壓力急劇變化時，關閉空調與車外的通道，實現車體密閉。（3）增加車體剛度，改善車門、車窗、貫通道等設備的密封性能，提升整車氣密指數。

具體控制措施建議如下：

3.1 車體及車窗

車體采用大型鋁合金中空型材拼焊，各大部件間的連接盡量采用連續焊縫焊接;對無法采用連續焊接的焊縫，采取涂密封膠或結構密封等方式，保證車體結構的氣密性。

采用固定式氣密車窗。車窗與車體之間周圈涂密封膠密封，保證整車氣密性能。

3.2 車門

客室車門的氣密性由以下兩個方面保證：（1）車門與車體之間的密封：周圈涂聚氨酯密封膠密封，膠層均勻平整;（2）車門自身的密封：門頁周圈設置中空“八”字形密封膠條，與門框緊密貼合，形成雙道密封，詳見圖4。

兩門頁對接處采用“凹凸”膠條插接密封結構，詳見圖5。

密封膠條整體硫化，提高接縫處密封性能。

門頁兩側中部設置輔助鎖閉裝置，通過對門頁施加力，增大密封膠條壓縮量，保證客室車門的氣密性能滿足整車要求，詳見圖6。

3.3 貫通道

貫通道的主要密封部件為折棚，折棚為雙層篷布縫合而成，折棚自身密封性良好，折棚和車體安裝框之間采用橡膠密封膠條密封，膠條的壓縮量依靠周圈鎖閉裝置的壓緊力保證。具體如下：

（1）貫通道自身的密封。貫通道采用雙波折棚，折棚是由環狀篷布縫制而成，篷布縫合處使用密封膠密封，折篷布縫合后用鋁型材鑲嵌，保證折棚的強度，確保篷布縫合處不會開裂。通過整體雙波折棚設置，保證整體氣密性與防水性能。類似結構見圖7。

（2）貫通道與車體之間的密封。車體安裝框使用螺釘緊固到車體上，周圈使用密封膠與車體密封。通過外折棚螺釘框與車體的連接，保證第一層橡膠型材與車體的緊密壓接，保證整體的密封性能、防水性能。車體安裝框內部通過螺釘固定第二層橡膠密封膠條，并通過第二層橡膠密封膠條與車體的壓接，保證第二層的壓接密封。膠條的壓縮量依靠內外折棚的螺釘固定，保證膠條與車體的緊密壓接，保證貫通道整體的氣密性，類似密封安裝結構見圖8。

3.4 空調

（1）空調機組與車體密封性安裝。空調機組采用嵌入式結構設計，安裝于車頂上，機組四周采用定制的型材作為安裝法蘭，法蘭面底部粘貼有彈性橡膠密封材料。空調機組安裝時，密封橡膠條與車體上的氣密性安裝型材壓接實現密封，保證水密及氣密性要求。空調機組送、回風口通過風道上的壓接密封圈與風道壓接。類似機組安裝結構如圖9所示：

（2）空調機組內部密封處理。空調機組箱體為鋁合金結構，采用焊接與鉚接方式;鉚接的鉚釘采用封閉型鋁鉚釘，在鉚接時及鉚接后均進行涂膠密封處理。機組對外部分，主要涉及新風進風口、廢排排風口以及雨水排水口。在新風口及廢排風口，均設有氣動壓力波保護閥，當需要時，壓力波保護閥動作，關閉新風口和廢排口，可抑制車輛通過隧道時外界壓力波對室內的影響。排水口采用集中排放的方式，空調機組內收集的雨水通過車上的排水管統一排出車外，排水系統與車內完全隔離。

4 結語

隨著國家城鎮化的政策推進，全國各主要城市會進一步擴容，速度120公里的快速地鐵和市域鐵路項目會越來越多，在車輛進行設計時，必須對車輛氣密性的因素進行考慮，盡可能的提升城市建設水平，提高乘客的乘坐舒適性。

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