冬季運營時高寒動車組外風(fēng)擋縫隙問題分析

（中車長春軌道客車股份有限公司車體研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

冬季運營時高寒動車組外風(fēng)擋縫隙問題分析

劉青波 邢海英 安 哲

（中車長春軌道客車股份有限公司車體研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

針對高寒動車組外風(fēng)擋在冬季低溫環(huán)境下存在縫隙的問題，從外風(fēng)擋材料性能及制造公差等方面進行原因分析，并通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進及優(yōu)化設(shè)計加以解決。試驗情況表明，結(jié)構(gòu)改進及優(yōu)化設(shè)計后的外風(fēng)擋能有效解決高寒動車組冬季運營過程存在的縫隙問題。

高寒動車組；外風(fēng)擋；縫隙；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Author′saddressCRRC Chanchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

高速動車組的風(fēng)擋分為內(nèi)風(fēng)擋和外風(fēng)擋兩部分，共同承載著車輛之間的擠壓和相對運動。內(nèi)風(fēng)擋主要作為旅客通過的安全通道并起到隔音隔熱的作用，外風(fēng)檔用來降低車輛運行時產(chǎn)生的噪聲，同時減少高速動車組運行時的空氣阻力。本文主要研究高寒地區(qū)動車組外風(fēng)擋在冬季運營時容易存在的縫隙問題。

1 動車組外風(fēng)擋形式

目前，我國CRH系列動車組采用的外風(fēng)擋型式主要有壓縮式外風(fēng)擋和非接觸式外風(fēng)擋兩種（見圖1）。車輛在平直線路上聯(lián)掛后，兩車輛間的減阻部件無直接接觸，通過減少車端間距降低列車空氣阻力的風(fēng)擋屬于非接觸式外風(fēng)擋。非接觸式外風(fēng)擋主要用于CRH1型動車組，主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，缺點是減阻效果差。車輛在平直線路上聯(lián)掛后，兩車輛間的橡膠件通過相互壓縮形成能減少列車空氣阻力的風(fēng)擋屬于壓縮式外風(fēng)擋。壓縮式外風(fēng)擋主要用于CRH2型動車組和CRH3型動車組，主要優(yōu)點是減阻效果好、車體外形流暢，缺點是維護不方便、曲線通過性能差。

圖1 CRH系列動車組外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)形式

2 高寒動車組外風(fēng)擋縫隙產(chǎn)生原因

高寒動車組外風(fēng)擋采用壓縮式外風(fēng)擋。該外風(fēng)擋是通過引進日本新干線技術(shù)，消化吸收后開發(fā)的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)均與原產(chǎn)品基本相同。為了適應(yīng)高寒環(huán)境的需要，針對外風(fēng)擋的橡膠膠囊材料及表面涂層進行了改進。由于此類風(fēng)擋之前沒有在高寒地區(qū)環(huán)境下（－40℃）的運用經(jīng)歷，故2012年冬季高寒動車組在低溫環(huán)境下運行時，發(fā)現(xiàn)本應(yīng)相互擠壓的兩膠囊之間存在一定的縫隙（見圖2、圖3）。當(dāng)外風(fēng)擋存在縫隙時，縫隙起到了導(dǎo)流作用，將高速氣流導(dǎo)入兩車連接處，導(dǎo)致列車風(fēng)阻增加，并可能增強了氣動噪聲。

圖2 常溫狀態(tài)下外風(fēng)擋情況

圖3 低溫狀態(tài)下外風(fēng)擋情況

結(jié)合該外風(fēng)擋產(chǎn)品特性及低溫試驗數(shù)據(jù)，判斷外風(fēng)擋膠囊出現(xiàn)縫隙主要原因是在低溫環(huán)境下外風(fēng)擋膠囊形狀不能有效保持，膠囊高度不能有效回彈，具體情況如下：

（1）在高寒環(huán)境下，外風(fēng)擋膠囊擠壓之后，低溫狀態(tài)下膠囊不能短時間內(nèi)恢復(fù)到原有的形狀，導(dǎo)致風(fēng)檔高度降低。根據(jù)現(xiàn)場測量，由于膠囊形狀不能及時恢復(fù)，造成單個風(fēng)擋高度的降低最大達到20 mm，每個連接部位的縫隙影響最大達到40mm。

（2）在高寒環(huán)境下，由于橡膠本身熱脹冷縮的特性，膠囊自身收縮也是導(dǎo)致風(fēng)擋高度降低因素之一，造成單個風(fēng)擋高度的降低達到3～5mm，每個連接部位的縫隙影響約6～10mm。

（3）根據(jù)現(xiàn)場測量，動車組車端距公差也是造成外風(fēng)擋之間出現(xiàn)縫隙的原因之一。正常工況下車端距為650mm，而部分車端距在660mm左右（最大670mm），因此，每個連接部位的縫隙影響約20mm。

正常狀態(tài)下單個外風(fēng)擋高度為345mm，車端距為650mm，車輛聯(lián)掛后單個外風(fēng)擋膠囊擠壓量為20mm。由于上述原因，導(dǎo)致高寒動車組外風(fēng)擋兩膠囊之間出現(xiàn)縫隙。

3 高寒動車組外風(fēng)擋改進與優(yōu)化

對于在低溫環(huán)境下外風(fēng)擋存在縫隙狀況，需要對外風(fēng)擋進行結(jié)構(gòu)改進及采取相應(yīng)優(yōu)化措施。改進與優(yōu)化方案可以從以下幾個方面進行。

3．1 改進外風(fēng)擋膠囊材質(zhì)

在確保外風(fēng)擋各項性能指標符合技術(shù)規(guī)范的前提下，提高其在低溫環(huán)境下的回彈性能，保證在低溫環(huán)境下，膠囊擠壓變形后能夠迅速恢復(fù)。為此，需要對膠囊橡膠材料進行材質(zhì)改進及一系列的分析、試驗和驗證。

該方案不改變產(chǎn)品形狀和結(jié)構(gòu)，故可以利用現(xiàn)有產(chǎn)品的模具，但適合的橡膠材料難以尋找，需要進行反復(fù)的橡膠材料配試，試驗周期較長。

3．2 改進外風(fēng)擋膠囊截面形狀

根據(jù)對現(xiàn)有產(chǎn)品調(diào)查，膠囊形狀最難保持的部位是頂部最薄之處，因此，可以考慮采用改變膠囊截面形狀、增加支撐部位高度的改進措施。

該方案不改變現(xiàn)有產(chǎn)品材質(zhì)，易于實現(xiàn)。但由于現(xiàn)有膠囊形狀通過大量的運用經(jīng)驗已證明了其結(jié)構(gòu)的合理性，因此，對其進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，在常溫狀態(tài)下會增加膠囊之間的擠壓力，這對表面涂層及膠囊的使用壽命將造成不利影響。另外，采用此種方案，需要重新開發(fā)模具。

3．3 外風(fēng)擋內(nèi)部增加支撐件

根據(jù)分析可知，外風(fēng)擋膠囊在高寒環(huán)境下不能保持形狀的部位主要發(fā)生在最薄之處，因此，可以在外風(fēng)擋膠囊內(nèi)部增加能在低溫環(huán)境下保持良好彈性的支撐件，以有效保持膠囊運用時的形狀，這能有效解決現(xiàn)有產(chǎn)品縫隙問題。具體支撐件可選擇形式見圖4。

該方案不改變產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)，通過選擇合適的材料做支撐件，能比較有效地解決現(xiàn)有問題。同樣，該方案會在常溫狀態(tài)下增加膠囊之間的擠壓力，這對表面涂層以及膠囊的使用壽命將造成不利影響。

3．4 調(diào)整外風(fēng)擋框架高度

通過調(diào)整外風(fēng)擋框架高度，增加外風(fēng)擋整體高度，能在一定程度上減少低溫條件下縫隙產(chǎn)生的可能性。

圖4 外風(fēng)擋膠囊內(nèi)部支撐件形式

該方案不改變膠囊的形狀和結(jié)構(gòu)，通過增加安裝墊或調(diào)整型材，調(diào)整膠囊相互擠壓值，以避免低溫情況下產(chǎn)生縫隙。但該方案改變了外風(fēng)擋擠壓值，對整體結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，因此，需要重新進行計算、試驗以及長時間運行來驗證其可行性，故該方案存在較大風(fēng)險。

4 試驗驗證

針對上述幾種外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)或膠囊材質(zhì)的改進和優(yōu)化方案，選取最容易改進、最能解決問題的兩種方案進行相關(guān)樣件制作及試驗驗證。

4．1 外風(fēng)擋膠囊內(nèi)部增加支撐件

在外風(fēng)擋膠囊內(nèi)部分別填充厚度6mm和10 mm橡膠板進行相關(guān)低溫功能試驗。對于厚度6 mm支撐材料，列車曲線通過能力合格，但低溫試驗后膠囊回彈量效果不明顯，故放棄。對于厚度10 mm支撐材料，低溫試驗后膠囊回彈量效果明顯，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 外風(fēng)擋膠囊增加內(nèi)部支撐（厚10mm）時回彈量試驗結(jié)果mm

試驗結(jié)果表明，在－40℃低溫環(huán)境下，外風(fēng)擋膠囊內(nèi)部增加厚10mm支撐，單個風(fēng)擋壓縮后回彈高度與常溫時相差近20mm，每個連接部位的縫隙影響仍然近40mm。外風(fēng)擋安裝后膠囊相互擠壓為40mm，考慮到車端距存在公差問題，外風(fēng)擋內(nèi)部增加支撐不能保證高寒動車組存在的縫隙問題。

4．2 改進外風(fēng)擋膠囊材質(zhì)

原高寒動車組外風(fēng)擋膠囊材質(zhì)采用三元乙丙橡膠，在低溫環(huán)境下膠囊形狀不能有效保持。通過對外風(fēng)擋膠囊材料配方的大量篩選和試驗，開發(fā)出一種高耐寒性的改性三元乙丙橡膠（AR－01－EPDM）。通過試驗驗證，此種外風(fēng)擋膠囊在低溫（－40℃）環(huán)境下，回彈高度與常溫時高度相差僅7 mm左右（見表2），能夠解決高寒動車組外風(fēng)擋冬季運行存在的縫隙問題。

表2 外風(fēng)擋膠囊材質(zhì)改進后的回彈量試驗結(jié)果mm

5 結(jié)語

通過對動車組高寒地區(qū)冬季運行存在外風(fēng)擋縫隙的原因分析，提出了對外風(fēng)擋相應(yīng)結(jié)構(gòu)與材質(zhì)改進及優(yōu)化措施。經(jīng)過相應(yīng)試驗和對比分析，優(yōu)化設(shè)計后的外風(fēng)擋能夠滿足低溫（－40℃）環(huán)境下的運行的條件，解決了高寒動車組外風(fēng)擋冬季運行存在的縫隙問題。

［1］ 張寶祥，袁彩霞，高軍．高速動車組外風(fēng)擋橡膠的涂裝工藝［J］．現(xiàn)代涂料與涂裝，2011，14（9）：54．

［2］ 中國鐵路總公司．動車組外風(fēng)擋：TJ／CL 303—2013［S］．北京：中國鐵道出版社，2013．

Analysis of Outside Windshield Gap of Alpine EMU in Winter Operation

LIU Qingbo，XING Haiying，AN Zhe

The problem of the frigid EMU outer windshield in winter operation is introduced，the reasons of gap formation are analyzed from materials and manufacture tolerance，corresponding improvement and optimization of the windowshield structure are put forward．Test result shows that the optimized structure of car windshield could effectively solve the gap problem that frequently happened in winter operation of alpine EMU．

alpine electric multiple unit；outside windshield；gap；structure optimization

U270．38＋6

10．16037／j．1007－869x．2017．02．019

2016－09－23）