高速列车塞拉门橡胶密封条的结构优化和压缩特性研究

时间：2024-05-22

李锦伟，贡智兵，谭文才，王卫

（南京康尼机电股份有限公司，江苏南京 210013）

门扇是列车最主要的活动部件之一，在列车行进过程中起着隔热、隔声和隔振等重要作用。门系统的密封性能是列车密封性能的关键因素，国内外列车主机企业标准和国际标准均对门系统的密封性能提出了相关要求[1-5]。

作为高速列车塞拉门系统密封中的重要部件，其橡胶密封条（简称密封条）在塞拉门关闭过程中，通过塞拉门的塞拉运动在门框压条上产生压缩变形，以获得预定的密封力，满足介质密封、环境隔离及外观装饰等要求。然而，密封条因压缩变形而导致能量消耗，其密封力在满足塞拉门密封要求的同时，也成为塞拉门关闭过程中的主要阻力，从而需要驱动电动机提供驱动力来关闭塞拉门[6]。因此，合理的密封条结构不仅需要提供足够的密封力，还要减小门扇在关门过程中的阻力。

在此介绍高速列车塞拉门密封条的结构及其密封原理，推导关门力与密封条压缩载荷间的数学关系，对不同硬度密封条进行仿真与试验分析，确定不同硬度密封条的两参数Mooney-Rivlin超弹性本构模型的材料常数，并对优化后密封条的压缩特性进行仿真分析及对气密性进行试验验证。

1 密封条的结构及压缩特性

密封条的结构决定了门系统的密封性能[7-10]。密封条的密封性能主要由其截面结构和整体外形结构决定，通常采用密封性能优异的整体外形结构，即将不同截面结构的密封条通过硫化连接，并使接头处平整光滑，从而使密封条与门框压条形成连续的密封环。密封条的截面形状虽有多种，但从截面结构功能而言，主要有密封功能和装卡功能。其中密封部位通常为唇形结构，在设计压缩量下可产生预定的密封力，从而实现密封功能；装卡部位可使密封条装入门扇型材后获得合适的拔脱力，以防止密封条从门扇中脱开甚至脱离。

轨道车辆塞拉门密封条的结构形式及其优缺点和应用场合如表1所示[6，11-13]。

表1 轨道车辆塞拉门密封条的结构形式及其优缺点和应用场合Tab.1 Structural types，advantages，disadvantages and applications of sealing strip for sliding plug door of rail vehicle

塞拉门的周边有内、外胶条的双重防护，其中外胶条硬度较高，其主要作用是隔绝雨雪和异物等进入，保护密封条不受损坏，防止密封失效。塞拉门关闭的密封结构如图1所示，e为密封条压缩量。无论车厢外部气压高还是内部气压高，图中的双唇结构密封条均被压缩，接触面积较大。此外，该结构密封条在压缩变形后还可与门框压条间形成气腔，同时提高门系统的隔热和隔声性能[12]。

在密封条（以下均指塞拉门密封条）的压缩特性分析中，因外胶条的刚度较小且压缩量也小，可忽略其对开门力的影响。设塞拉门高度为h，门系统宽度为w，塞拉门运动轨迹函数为f（x），密封条的压缩载荷线密度为q，密封条与门框压条间的摩擦因数为μ，可得式（1）和（2）[14]：

式中：F1为密封条与门框压条间的压缩阻力，与门扇横向平行；F2为密封条与门框压条间的摩擦阻力，与门扇纵向平行。

塞拉门关闭过程中门系统上滚轮的受力如图2所示，N为上滚轮所受的正压力，Fq为驱动电动机的驱动力，f为克服门系统摩擦所需的力，α为塞拉角度，R为上滚轮运动轨迹半径。

图2中各力满足式（3）：

将式（1）和（2）代入式（3），可得：

令

代入式（4）得：

确定塞拉门的结构后，在一定的压缩量下，当q增大时，驱动电动机提供的关门驱动力是增大的，不利于关门，甚至会引发障碍检测等开门误操作；相反，当q减小时，门扇更容易关上，但密封压力会减小。可见，密封条的使用效果主要通过密封效果和塞拉力两方面来综合评估，密封条前期设计时，对其压缩特性的研究必不可少。

2 密封条仿真分析及材料常数的确定

2.1 密封条的有限元模型

优化前密封条截面结构如图3所示。考虑到密封胶条长度方向上的几何尺寸远远大于截面的几何尺寸，且沿长度方向均匀承受相同压缩量，故将密封条的应变分析简化为平面应变分析。

根据所建立的有限元模型，结合试验中密封条的工况和边界条件，对与密封条相配合的门框型材施加固定约束，沿密封条的垂直方向施加指定的压缩量，门框压条与密封条接触面间的摩擦因数设为0.15，密封条采用Plane 183单元进行离散。

2.2 材料的本构模型

橡胶材料为典型的非线性材料，目前基于应变能密度的本构方程主要有两类。本工作采用Mooney-Rivlin模型来描述橡胶材料的应力-应变关系，该模型能够较好地描述橡胶材料应变（在150%以内）：

式中，W为应变能密度函数，C10和C01为材料参数，I1和I2分别为第一和第二应变不变量。

根据橡胶材料的邵尔A型硬度（HA）与弹性模量（E）的试验数据，经拟合得到式（7）[15-19]：

因橡胶材料的不可压缩性，其泊松比（μ1）约为0.5，故剪切模量（G）＝E/3，从而得到式（8）：

式中，k为材料常数。

2.3 不同硬度下密封条的仿真与试验验证

先以HA为75度的密封条来预估Mooney-Rivlin模型中的材料参数（k的取值分别为0，7.1和71）。仿真计算不同k下密封条压缩载荷和压缩量，并与试验结果进行对比，如图4所示。

从图4可以看出：密封条的压缩载荷随压缩量的增大均呈明显的非线性特征；当压缩量在0～4.5 mm时，3种k下密封条的仿真结果与试验结果均表现较好的吻合度；当压缩量大于4.5 mm、k取71时，仿真结果与试验结果吻合较好；当压缩量为6.6 mm、k取0和7.1时，仿真计算得到的压缩载荷与试验压缩载荷间存在较大的误差，误差分别为25.6%和17.3%。

采用同样方法，分别对HA为55，60，65和70度的密封条的仿真结果与试验结果进行对比。当密封条的HA为55，60，65和70度时，对应k分别取19，25，34和48，仿真结果与试验结果较一致。密封条两参数Mooney-Rivlin模型的k-HA曲线如图5所示。

从图5可以看出，k与HA呈非线性关系。

3 优化后密封条的压缩特性仿真分析与气密性试验验证

3.1 压缩特性仿真分析

优化后密封条的截面结构如图6所示，密封条的HA为55度，将其原来的双唇结构优化为多唇结构，并在密封条中部设计空腔。

优化前后密封条的压缩载荷-压缩量曲线如图7所示。

从图7可以看出，当压缩量在0～5.5 mm时，优化后密封条的压缩载荷小于优化前密封条，且与压缩量呈非线性关系。进一步分析得出，当压缩量在0～1.5 mm时，优化后密封条的内唇与门框压条接触，因内唇刚度较小，相应的压缩载荷也较小；当压缩量大于1.5 mm时，优化后密封条的内外4个唇均与门框压条接触，接触面积增大，相应的压缩载荷显著增大；随着压缩量的继续增大，优化后密封条的空腔内壁相互接触，密封条的自身刚度提高，压缩载荷急剧增大。

在压缩量为4 mm下优化前后密封条的接触压力云图如图8所示。

从图8可以看出：优化前密封条的最大接触压力出现在密封唇的前端部区域，优化后密封条的最大接触压力出现在外侧唇的后端部区域，且4个密封唇均起密封作用；此外，优化前后密封条的最大接触压力分别为0.194 030和0.205 980 MPa，基本相同，但其对应的压缩载荷由原来的0.17 N·mm-1减小到0.12 N·mm-1，减小了29.4%，从而使门扇更容易关闭。

3.2 气密性试验验证

将优化后密封条安装在门扇上，然后根据BS EN 14752—2019进行气密性台架试验，其试验台架如图9所示。

首先将门系统按尺寸规范安装到试验台架上，并将门扇关闭，进行气密性试验。密封条气密性测试及其要求为：（1）将密封舱充气，气压达到4.2 kPa后停止充气；（2）在密封舱压力由4.0 kPa降至1.0 kPa过程中，降压时间不短于210 s。

气密性试验结束后，优化后密封条的气密性满足要求。

优化后密封条密封舱的气压-时间曲线如图10所示。

从图10可以看出，优化后密封条密封舱的气压从4.0 kPa降至3.0 kPa的时间为43 s，从4.0 kPa降至2.0 kPa的时间为106 s，从4.0 kPa降至1.0 kPa的时间为224 s。与优化前密封条密封舱的气压降至1.0 kPa的时间（113 s）相比，优化后密封条密封舱的气压降至1.0 kPa的时间延长98.2%，即优化后密封条的密封性能提高近1倍。