地鐵列車整車密封防水技術及措施研究

楊曉東，王虎高，柳曉峰，劉 健，申青云

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著城市的高速發展，城市客流圈不斷擴大，地鐵列車運營場景將更多地運營于高架和地面線路條件，需要經受更長時間雨水和潮濕環境考驗。系列化中國標準地鐵頂層設計階段借鑒行業內范本及主要城市用戶需求書，將車輛淋雨試驗列為整車型式試驗和例行試驗，作為地鐵車輛驗收出廠必備試驗。一直以來整車防水研究停留在延續設計和不發生淋雨試驗問題，地鐵車輛的防水設計沒有像整車噪聲、整車防火等列為特殊工程，形成研發技術體系，導致缺乏足夠關注度和設計目標引導，所以在革新的產品上防水設計細節特別容易被忽視。在系列化中國標準地鐵平臺的建設過程中，通過調研和梳理建立的442車輛典型故障清單中，進水引起相關故障案例占了19條，涉及車輛各個系統，可見系統梳理和制定地鐵車輛防水技術措施有其必要性和緊迫性。

1 地鐵車輛防水設計目標

通過對地鐵車輛運用、維護中水相關場景的分析，在車輛的生產、存儲、使用和維護等各個階段都存在或人為或環境存放等帶來的進水和積水隱患。筆者認為車輛防水可歸類為系統工程，一方面車輛的水密性直接影響到整列車在運行過程中的電氣安全與穩定；另一方面車輛良好的水密性有利于車輛運營維護過程中的清洗和保養，因此地鐵車輛必須在設計制造過程中采取有效設計管控措施。為了能夠執行系統設計要求，設計輸入上首先排除人為惡意因素及極端自然情況。基于此，可以提煉出地鐵車輛密封防水設計主要考慮因素為避免環境(如雨水)和維護(如清潔)中發生的漏雨、積水滲漏引起質量安全隱患。通過梳理車輛涉及水系統及相關質量案例庫，總結和提煉出重點管控實施的防水設計目標范圍為以下4類。

1.1 車外排水設計目標

車外排水設計目的主要是管控空調冷凝水及雨水排水，防止車輛運行過程中雨檐中的雨水飛濺到司機室前窗和側窗，對司機和乘客視野造成影響。

1.2 車體型腔排水設計目標

車體型腔排水設計目的是避免車體鋁結構在運輸、存放過程中，由于個別側墻窗口或外解鎖內外缺口處密封不嚴等情況，導致雨水沿密封不嚴處進入側墻型腔，造成雨水淤積。如果產生較多雨水淤積，溫度下降時，雨水結冰體積膨脹導致側墻型腔變形，一般情況也會導致車體加重和車體材料腐蝕，故須考慮雨水排出。

1.3 車輛密封防水設計目標

車輛密封防水設計可解決車體與裝在車體外部的電氣設備箱體以及可能有雨雪或水浸入的所有門、窗、開孔、孔蓋、蓋板或縫隙等處的水密性問題。

1.4 車輛安裝設備的密封設計目標

車輛安裝設備的密封設計是針對地鐵車輛上安裝的箱體形式電氣設備，該部分箱體根據涉水后功能保持能力分析，滿足GBT 4208相應的IP等級，確保運營、維護設備過程中車輛功能不受滲水影響。

2 車輛防水設計方案

通過對防水設計范圍的提煉，制定車輛防水設計總體思路為：以車輛運營可靠性提升為結果導向，以系統解決既往項目制造和運用過程中出現的問題為驅動，從“防”“疏”“堵”各方面全方位做好車輛密封防水工作。本節結合系列化中國標準地鐵120 km/h A型樣車(簡稱BZDT120A)車輛設計，介紹項目實施過程中采取的一種組合措施，實現車輛防水設計管控。

2.1 車外排水設計

基于BZDT120A樣車采用通長頂結構，車外排水方案設計為端部排水槽排到車下，具體排水方案為(見圖1)：中間車為兩端四點排水，頭車Ⅱ端排水。即在車頂兩側設有全車通長的雨檐結構，車頂上的雨水和空調冷凝水從圓弧頂排到雨檐后，順著雨檐從兩端端墻排水槽中排出。考慮司機室頭罩不宜設置排水槽，在司機的端部設置L型擋水板，防止水飛濺到司機室側窗玻璃及前窗玻璃上；同時考慮空調機組排水采用散排型式，在空調機組兩側設置有側罩板，可有效防止冷凝水飛濺。

圖1 車頂排水路徑示意圖

2.2 車體型腔排水設計

BZDT120A項目車體型腔進水隱患位置主要考慮側墻窗口、車頂、端墻、側墻外露面鉚螺母開口等部位，所以在車體內部設置了車頂、側墻、端墻、底架型腔排水通道(見圖2)。對于有氣密性要求的車體，在車輛出廠前，對型腔排水通道排出車外位置的排水孔將進行密封處理。

圖2 車體型腔排水路徑示意圖

2.3 車輛密封防水設計

車輛密封防水設計涉及車體與裝在車體外部的電氣設備箱體以及可能有雨雪或水浸入的所有門、窗、開孔、孔蓋、蓋板或縫隙等處(見圖3～4)。所有在車體和客室有通孔安裝需求的設備，首先考慮盡量減少安裝設備采用通孔的設計選型，其次對采用通孔安裝的設備制定設計防水措施。以BZDT120A樣車為例，列舉對存在進水隱患的主要系統和部件采取的防水設計方案。

圖3 BZDT120A密封防水實施技術系統圖

圖4 BZDT120A機組風口密封膠條安裝后示意圖

2.4 車頂設備空調防水設計

BZDT120A空調系統采用車頂跨座式安裝、下送下回送風型式，密封防水設計主要涉及送風連接密封性及空調防水密封性兩部分內容，采用車體接口尺寸配合、連接面平整度配合和送回風口機組帶膠條壓裝到車體的結構形式實現連接密封性。

2.5 車頂天線防水設計

車輛頂部安裝天線主要有信號天線、通信天線、網絡天線3種，可分為車體弧頂平臺安裝、頭罩頂部天線安裝2種方式：①弧頂平臺為焊接平臺，平臺為U型座中間焊接U型管穿線孔結構，U型座上提供通孔，安裝螺栓緊固件，連接天線與安裝平臺，防水設計考慮在底座穿線孔周圍增加翻邊擋板，防止水進入穿線孔。②頭罩頂部天線安裝方式與車體弧頂處類似，由頭罩提供安裝平臺，在頭罩生產時預埋件一體成型，安裝時在接觸面四周施加密封膠(見圖5)，防水設計要求密封結構膠等級達到DIN6701標準要求中A3級或者KK級。

圖5 密封圈示意圖

2.6 車門位置防水設計

車門系統表面均須外露，與車輛外表面平齊，車門位置防水設計采用車輛和車門之間上使用橡膠條密封(見圖6)。車門系統的密封防水主要體現在以下幾點：①密封框與車體之間采用打膠密封，膠縫在車體與密封框之間成45°形式。②門扇與密封框之間采用橡膠條密封。③外部入口裝置、電鑰匙開關與車體之間采用密封墊結構密封并打膠。④車輛在運輸、存儲等過程中需要將門扇關閉到位。

圖6 車門位置防水設計示意圖

BZDT120A樣車的密封框安裝形式采用分段式，上密封框、左密封框、右密封框通過螺栓連接在車門筋板上，車門筋板與密封框之間添加調整墊片；密封框與密封框、密封框與門檻之間采用搭接，搭接縫處采用密封膠填平；密封框與車體之間的間隙采用密封膠填平。

2.7 外部照明防水設計

外部照明系統屬于外露安裝，防水設計需要考慮前照燈和運行燈等安裝在車輛頭罩上的設備。通過設備安裝法蘭與頭罩之間設計防水結構及安裝后膠封實現安裝后密封防水，燈罩與安裝法蘭之間防水結構由帶邊框結構的鋁邊框、PC罩、密封墊和安裝法蘭幾大部分組成，如圖7所示。

圖7 燈罩與安裝法蘭之間防水設計示意圖

2.8 車頂穿線的防水設計

車頂穿線至車內的設備有空調機組、廢排、弓網監測、受電弓、熔斷器、天線等(見圖8)。天線穿線的密封在其安裝結構中統一考慮，其他設備的穿線采用螺紋座或螺紋管進行穿線，車外部分采用軟管接頭和電纜密封接頭與螺紋座或螺紋管連接以保證密封，此結構已成熟應用。

圖8 車頂穿線結構示意圖

2.9 貫通道防水設計

貫通道的防水主要體現在折棚的密封性設計上，在棚布搭接區域、 縫紉線區域、 折棚裝夾、車體的安裝框及連掛框等都進行了密封設計，通過以下設計措施(見圖9)可保證貫通道防水密封滿足車輛運營要求：①棚布搭接區域的防水設計。單環的棚布由棚布縫紉后，再搭接縫紉成一個封閉的單環，彎頭搭接設計成順水的搭接方式，使得水流不會形成積壓，引導水流沿著棚布彎頭從兩側流出。②縫紉線位置采用防水膠對縫紉線的針孔進行刷膠處理。刷膠可以堵住針孔，防止水流滲入，同時也可以防止縫紉線暴露在紫外線下，防止酸雨的腐蝕。③折棚裝夾區域，在折棚波與波之間通過型材夾緊，并采用密封結構，如折棚波與波之間有密封條膠帶，面料框與棚布之間涂密封膠。④車體框與車體端墻之間采用密封膠條，并在車體框外側打膠處理，具有雙層密封結構，保證水不會侵入。⑤對接框密封。貫通道依靠對接框上的鎖閉組成將兩半風擋對接，兩對接框之間有一整圈密封膠條，對接后在鎖閉組成的作用力下，兩膠條緊密貼合在一起，起隔音密封防水作用。

圖9 貫通道防水設計措施示意圖

2.10 電氣屏柜底部防水設計

電氣屏柜底部防水設計可分為客室側和客室穿車體兩部分設計。①客室側防水是通過地板結構的防水邊和打膠密封進行防水密封。密封結構如圖10所示。②屏柜到車下，樣車采用車端箱上線至車內，通過焊接套筒與屏柜底部車體地板上焊接的套筒為嵌套結構組合，具體如圖11所示。安裝后車端箱的套筒高度比車體地板焊接的套筒的高度略高，車端箱的套筒在穿完線后，采用灌膠處理，同時在2個套筒之間的夾層中也進行灌膠。

圖10 地板防水邊(左)和電氣柜及門立柱罩周邊打膠(右)

圖11 車端箱與屏柜底部匹配結構

2.11 刮雨器防水設計

刮雨器防水重點關注了穿墻部位，包括驅動軸和穿墻接頭(噴水嘴)處。通過玻璃鋼頭罩上設置密封套筒，再由刮雨器驅動軸及噴水穿墻體，解決刮雨器直接在頭罩穿洞不宜控制玻璃鋼開孔精度和局部不平整等密封問題，刮雨器自帶密封墊圈實現刮雨器安裝防水密封設計，如圖12所示。

2.12 車輛安裝設備的密封設計

車輛安裝設備密封等級根據所屬環境和可能涉水狀態(如果超過本文環境濕度、雨水和維護清潔水，需要單獨分析)下的功能完整性進行設計，主要通過箱體焊接密封和門周圍采用密封膠條等多種形式進行密封，通用的電氣設備箱的防護等級(電氣設備外殼防護等級)IP等級不低于表1所示，根據GB/T 4208標準驗收和管控。

圖12 刮雨器防水設計控制點

表1 標準地鐵集成設備外殼IP等級

3 整車防水設計驗證方法

地鐵列車或車輛的水密性設計驗證與其分類一樣，是由部件到整車的一個組成過程，即相關器件、部件、箱體和裝配結構滿足密封試驗或IP等級要求，最終整車組裝后滿足GB/T 14894-2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規則》中相應條款要求，整車防水等級方面相當于GB/T 4208中的IPX5的要求。具體實驗準備及驗收方法有以下幾種。

3.1 車輛試驗前提條件

車輛外部設備及密封件應組裝完成，編組列車完成聯掛編組。所有車外設備須完成安裝，設備的門、活動窗和孔蓋都須鎖閉，線纜插頭、接頭和所有的開口(例如貫通道)須蓋上，設備與車體聯接面需要密封處理的工序均已完成。車體表面不應存在有可能影響環境衛生的污染物，車頂所有設備安裝完成，設備與車體聯接面密封處理工序已完成；設備進、出線口密封件安裝完成；排水孔及排水管聯接完成，水路暢通。車側車門已安裝完成，且門頁鎖閉到位；窗戶已經安裝到車體上，且相關密封工序已完成；車輛側面指示燈及鎖具均已安裝完成，相關密封結構完整。車端頭罩、端部車門(含緊急疏散門)安裝完成，密封結構完整；燈具及玻璃安裝完成，密封結構完整；導流罩安裝完成，且密封完整；貫通道已完成安裝，相關密封結構完整。車底設備安裝完成，設備防護裝置完整；設備進、出線口密封件安裝完成。空調淋雨噴頭打開后，空調開啟通風模式，車輛經過淋雨架過程中持續開啟。淋雨裝置符合TB/T 1802-2016標準要求，噴淋壓力不低于200 kPa。

3.2 試驗車輛準備狀態

使車輛處于整備狀態，貫通道、車端連接器應密封，空調機組處于通風狀態。型式試驗車輛噴淋時間應不低于15 min，例型試驗車輛噴淋時間應不低于5 min。

3.3 試驗驗收標準

當車體和外部設備的水密性試驗完成以后，應檢查所有的開孔、門、孔蓋、覆蓋條和裂縫，要確保水的浸入不會對電纜、電氣設備和其他裝置帶來有害的后果。2 h以后進行第二次目測，應無水流出。

4 結語

筆者認為整車的防水設計可總結為典型木桶效應原理，防水設計以其特殊性，目前執行標準都是結果導向，即驗收標準。根據標準執行，就是發生問題，解決問題，尚無設計標準可以成體系指導整車防水系統設計。如此類無設計標準作為輸入，往往會成為經驗不足的設計人員易忽略的項點，在地鐵車輛平臺的建設中是尤其需要重視的。所以，平臺建設的指導思想必須在繼承既有經驗、發揮頂層設計引導作用下，才能防患于未然。本文防水設計理念近涉及標準地鐵在整個研制的過程中解構再架構的技術路線特征的一個小點，筆者認為基于此設計理念的推行、貫徹和持續迭代，將為我國地鐵車輛平臺產品的品質升級提供強有力的技術保障。