楊曉東，王虎高，柳曉峰，劉 健，申青云

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著城市的高速發(fā)展，城市客流圈不斷擴(kuò)大，地鐵列車運(yùn)營場(chǎng)景將更多地運(yùn)營于高架和地面線路條件，需要經(jīng)受更長時(shí)間雨水和潮濕環(huán)境考驗(yàn)。系列化中國標(biāo)準(zhǔn)地鐵頂層設(shè)計(jì)階段借鑒行業(yè)內(nèi)范本及主要城市用戶需求書，將車輛淋雨試驗(yàn)列為整車型式試驗(yàn)和例行試驗(yàn)，作為地鐵車輛驗(yàn)收出廠必備試驗(yàn)。一直以來整車防水研究停留在延續(xù)設(shè)計(jì)和不發(fā)生淋雨試驗(yàn)問題，地鐵車輛的防水設(shè)計(jì)沒有像整車噪聲、整車防火等列為特殊工程，形成研發(fā)技術(shù)體系，導(dǎo)致缺乏足夠關(guān)注度和設(shè)計(jì)目標(biāo)引導(dǎo)，所以在革新的產(chǎn)品上防水設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)特別容易被忽視。在系列化中國標(biāo)準(zhǔn)地鐵平臺(tái)的建設(shè)過程中，通過調(diào)研和梳理建立的442車輛典型故障清單中，進(jìn)水引起相關(guān)故障案例占了19條，涉及車輛各個(gè)系統(tǒng)，可見系統(tǒng)梳理和制定地鐵車輛防水技術(shù)措施有其必要性和緊迫性。

1 地鐵車輛防水設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過對(duì)地鐵車輛運(yùn)用、維護(hù)中水相關(guān)場(chǎng)景的分析，在車輛的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、使用和維護(hù)等各個(gè)階段都存在或人為或環(huán)境存放等帶來的進(jìn)水和積水隱患。筆者認(rèn)為車輛防水可歸類為系統(tǒng)工程，一方面車輛的水密性直接影響到整列車在運(yùn)行過程中的電氣安全與穩(wěn)定；另一方面車輛良好的水密性有利于車輛運(yùn)營維護(hù)過程中的清洗和保養(yǎng)，因此地鐵車輛必須在設(shè)計(jì)制造過程中采取有效設(shè)計(jì)管控措施。為了能夠執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)輸入上首先排除人為惡意因素及極端自然情況?；诖?，可以提煉出地鐵車輛密封防水設(shè)計(jì)主要考慮因素為避免環(huán)境(如雨水)和維護(hù)(如清潔)中發(fā)生的漏雨、積水滲漏引起質(zhì)量安全隱患。通過梳理車輛涉及水系統(tǒng)及相關(guān)質(zhì)量案例庫，總結(jié)和提煉出重點(diǎn)管控實(shí)施的防水設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍為以下4類。

1.1 車外排水設(shè)計(jì)目標(biāo)

車外排水設(shè)計(jì)目的主要是管控空調(diào)冷凝水及雨水排水，防止車輛運(yùn)行過程中雨檐中的雨水飛濺到司機(jī)室前窗和側(cè)窗，對(duì)司機(jī)和乘客視野造成影響。

1.2 車體型腔排水設(shè)計(jì)目標(biāo)

車體型腔排水設(shè)計(jì)目的是避免車體鋁結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸、存放過程中，由于個(gè)別側(cè)墻窗口或外解鎖內(nèi)外缺口處密封不嚴(yán)等情況，導(dǎo)致雨水沿密封不嚴(yán)處進(jìn)入側(cè)墻型腔，造成雨水淤積。如果產(chǎn)生較多雨水淤積，溫度下降時(shí)，雨水結(jié)冰體積膨脹導(dǎo)致側(cè)墻型腔變形，一般情況也會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)目標(biāo)

車輛密封防水設(shè)計(jì)可解決車體與裝在車體外部的電氣設(shè)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(shè)備的密封設(shè)計(jì)目標(biāo)

車輛安裝設(shè)備的密封設(shè)計(jì)是針對(duì)地鐵車輛上安裝的箱體形式電氣設(shè)備，該部分箱體根據(jù)涉水后功能保持能力分析，滿足GBT 4208相應(yīng)的IP等級(jí)，確保運(yùn)營、維護(hù)設(shè)備過程中車輛功能不受滲水影響。

2 車輛防水設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)防水設(shè)計(jì)范圍的提煉，制定車輛防水設(shè)計(jì)總體思路為：以車輛運(yùn)營可靠性提升為結(jié)果導(dǎo)向，以系統(tǒng)解決既往項(xiàng)目制造和運(yùn)用過程中出現(xiàn)的問題為驅(qū)動(dòng)，從“防”“疏”“堵”各方面全方位做好車輛密封防水工作。本節(jié)結(jié)合系列化中國標(biāo)準(zhǔn)地鐵120 km/h A型樣車(簡(jiǎn)稱BZDT120A)車輛設(shè)計(jì)，介紹項(xiàng)目實(shí)施過程中采取的一種組合措施，實(shí)現(xiàn)車輛防水設(shè)計(jì)管控。

2.1 車外排水設(shè)計(jì)

基于BZDT120A樣車采用通長頂結(jié)構(gòu)，車外排水方案設(shè)計(jì)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(diǎn)排水，頭車Ⅱ端排水。即在車頂兩側(cè)設(shè)有全車通長的雨檐結(jié)構(gòu)，車頂上的雨水和空調(diào)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?？紤]司機(jī)室頭罩不宜設(shè)置排水槽，在司機(jī)的端部設(shè)置L型擋水板，防止水飛濺到司機(jī)室側(cè)窗玻璃及前窗玻璃上；同時(shí)考慮空調(diào)機(jī)組排水采用散排型式，在空調(diào)機(jī)組兩側(cè)設(shè)置有側(cè)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(shè)計(jì)

BZDT120A項(xiàng)目車體型腔進(jìn)水隱患位置主要考慮側(cè)墻窗口、車頂、端墻、側(cè)墻外露面鉚螺母開口等部位，所以在車體內(nèi)部設(shè)置了車頂、側(cè)墻、端墻、底架型腔排水通道(見圖2)。對(duì)于有氣密性要求的車體，在車輛出廠前，對(duì)型腔排水通道排出車外位置的排水孔將進(jìn)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(shè)計(jì)

車輛密封防水設(shè)計(jì)涉及車體與裝在車體外部的電氣設(shè)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(shè)備，首先考慮盡量減少安裝設(shè)備采用通孔的設(shè)計(jì)選型，其次對(duì)采用通孔安裝的設(shè)備制定設(shè)計(jì)防水措施。以BZDT120A樣車為例，列舉對(duì)存在進(jìn)水隱患的主要系統(tǒng)和部件采取的防水設(shè)計(jì)方案。

圖3 BZDT120A密封防水實(shí)施技術(shù)系統(tǒng)圖

圖4 BZDT120A機(jī)組風(fēng)口密封膠條安裝后示意圖

2.4 車頂設(shè)備空調(diào)防水設(shè)計(jì)

BZDT120A空調(diào)系統(tǒng)采用車頂跨座式安裝、下送下回送風(fēng)型式，密封防水設(shè)計(jì)主要涉及送風(fēng)連接密封性及空調(diào)防水密封性兩部分內(nèi)容，采用車體接口尺寸配合、連接面平整度配合和送回風(fēng)口機(jī)組帶膠條壓裝到車體的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)連接密封性。

2.5 車頂天線防水設(shè)計(jì)

車輛頂部安裝天線主要有信號(hào)天線、通信天線、網(wǎng)絡(luò)天線3種，可分為車體弧頂平臺(tái)安裝、頭罩頂部天線安裝2種方式：①弧頂平臺(tái)為焊接平臺(tái)，平臺(tái)為U型座中間焊接U型管穿線孔結(jié)構(gòu)，U型座上提供通孔，安裝螺栓緊固件，連接天線與安裝平臺(tái)，防水設(shè)計(jì)考慮在底座穿線孔周圍增加翻邊擋板，防止水進(jìn)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(tái)，在頭罩生產(chǎn)時(shí)預(yù)埋件一體成型，安裝時(shí)在接觸面四周施加密封膠(見圖5)，防水設(shè)計(jì)要求密封結(jié)構(gòu)膠等級(jí)達(dá)到DIN6701標(biāo)準(zhǔn)要求中A3級(jí)或者KK級(jí)。

圖5 密封圈示意圖

2.6 車門位置防水設(shè)計(jì)

車門系統(tǒng)表面均須外露，與車輛外表面平齊，車門位置防水設(shè)計(jì)采用車輛和車門之間上使用橡膠條密封(見圖6)。車門系統(tǒng)的密封防水主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：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(guān)與車體之間采用密封墊結(jié)構(gòu)密封并打膠。④車輛在運(yùn)輸、存儲(chǔ)等過程中需要將門扇關(guān)閉到位。

圖6 車門位置防水設(shè)計(jì)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(diào)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(shè)計(jì)

外部照明系統(tǒng)屬于外露安裝，防水設(shè)計(jì)需要考慮前照燈和運(yùn)行燈等安裝在車輛頭罩上的設(shè)備。通過設(shè)備安裝法蘭與頭罩之間設(shè)計(jì)防水結(jié)構(gòu)及安裝后膠封實(shí)現(xiàn)安裝后密封防水，燈罩與安裝法蘭之間防水結(jié)構(gòu)由帶邊框結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)示意圖

2.8 車頂穿線的防水設(shè)計(jì)

車頂穿線至車內(nèi)的設(shè)備有空調(diào)機(jī)組、廢排、弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)、受電弓、熔斷器、天線等(見圖8)。天線穿線的密封在其安裝結(jié)構(gòu)中統(tǒng)一考慮，其他設(shè)備的穿線采用螺紋座或螺紋管進(jìn)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(jié)構(gòu)已成熟應(yīng)用。

圖8 車頂穿線結(jié)構(gòu)示意圖

2.9 貫通道防水設(shè)計(jì)

貫通道的防水主要體現(xiàn)在折棚的密封性設(shè)計(jì)上，在棚布搭接區(qū)域、 縫紉線區(qū)域、 折棚裝夾、車體的安裝框及連掛框等都進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)，通過以下設(shè)計(jì)措施(見圖9)可保證貫通道防水密封滿足車輛運(yùn)營要求：①棚布搭接區(qū)域的防水設(shè)計(jì)。單環(huán)的棚布由棚布縫紉后，再搭接縫紉成一個(gè)封閉的單環(huán)，彎頭搭接設(shè)計(jì)成順?biāo)拇罱臃绞剑沟盟鞑粫?huì)形成積壓，引導(dǎo)水流沿著棚布彎頭從兩側(cè)流出。②縫紉線位置采用防水膠對(duì)縫紉線的針孔進(jìn)行刷膠處理。刷膠可以堵住針孔，防止水流滲入，同時(shí)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(qū)域，在折棚波與波之間通過型材夾緊，并采用密封結(jié)構(gòu)，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(cè)打膠處理，具有雙層密封結(jié)構(gòu)，保證水不會(huì)侵入。⑤對(duì)接框密封。貫通道依靠對(duì)接框上的鎖閉組成將兩半風(fēng)擋對(duì)接，兩對(duì)接框之間有一整圈密封膠條，對(duì)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(shè)計(jì)措施示意圖

2.10 電氣屏柜底部防水設(shè)計(jì)

電氣屏柜底部防水設(shè)計(jì)可分為客室側(cè)和客室穿車體兩部分設(shè)計(jì)。①客室側(cè)防水是通過地板結(jié)構(gòu)的防水邊和打膠密封進(jìn)行防水密封。密封結(jié)構(gòu)如圖10所示。②屏柜到車下，樣車采用車端箱上線至車內(nèi)，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(jié)構(gòu)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(shí)在2個(gè)套筒之間的夾層中也進(jìn)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(jié)構(gòu)

2.11 刮雨器防水設(shè)計(jì)

刮雨器防水重點(diǎn)關(guān)注了穿墻部位，包括驅(qū)動(dòng)軸和穿墻接頭(噴水嘴)處。通過玻璃鋼頭罩上設(shè)置密封套筒，再由刮雨器驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)刮雨器安裝防水密封設(shè)計(jì)，如圖12所示。

2.12 車輛安裝設(shè)備的密封設(shè)計(jì)

車輛安裝設(shè)備密封等級(jí)根據(jù)所屬環(huán)境和可能涉水狀態(tài)(如果超過本文環(huán)境濕度、雨水和維護(hù)清潔水，需要單獨(dú)分析)下的功能完整性進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jìn)行密封，通用的電氣設(shè)備箱的防護(hù)等級(jí)(電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級(jí))IP等級(jí)不低于表1所示，根據(jù)GB/T 4208標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收和管控。

圖12 刮雨器防水設(shè)計(jì)控制點(diǎn)

表1 標(biāo)準(zhǔn)地鐵集成設(shè)備外殼IP等級(jí)

3 整車防水設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法

地鐵列車或車輛的水密性設(shè)計(jì)驗(yàn)證與其分類一樣，是由部件到整車的一個(gè)組成過程，即相關(guān)器件、部件、箱體和裝配結(jié)構(gòu)滿足密封試驗(yàn)或IP等級(jí)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(yàn)規(guī)則》中相應(yīng)條款要求，整車防水等級(jí)方面相當(dāng)于GB/T 4208中的IPX5的要求。具體實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及驗(yàn)收方法有以下幾種。

3.1 車輛試驗(yàn)前提條件

車輛外部設(shè)備及密封件應(yīng)組裝完成，編組列車完成聯(lián)掛編組。所有車外設(shè)備須完成安裝，設(shè)備的門、活動(dòng)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(shè)備與車體聯(lián)接面需要密封處理的工序均已完成。車體表面不應(yīng)存在有可能影響環(huán)境衛(wèi)生的污染物，車頂所有設(shè)備安裝完成，設(shè)備與車體聯(lián)接面密封處理工序已完成；設(shè)備進(jìn)、出線口密封件安裝完成；排水孔及排水管聯(lián)接完成，水路暢通。車側(cè)車門已安裝完成，且門頁鎖閉到位；窗戶已經(jīng)安裝到車體上，且相關(guān)密封工序已完成；車輛側(cè)面指示燈及鎖具均已安裝完成，相關(guān)密封結(jié)構(gòu)完整。車端頭罩、端部車門(含緊急疏散門)安裝完成，密封結(jié)構(gòu)完整；燈具及玻璃安裝完成，密封結(jié)構(gòu)完整；導(dǎo)流罩安裝完成，且密封完整；貫通道已完成安裝，相關(guān)密封結(jié)構(gòu)完整。車底設(shè)備安裝完成，設(shè)備防護(hù)裝置完整；設(shè)備進(jìn)、出線口密封件安裝完成?？照{(diào)淋雨噴頭打開后，空調(diào)開啟通風(fēng)模式，車輛經(jīng)過淋雨架過程中持續(xù)開啟。淋雨裝置符合TB/T 1802-2016標(biāo)準(zhǔn)要求，噴淋壓力不低于200 kPa。

3.2 試驗(yàn)車輛準(zhǔn)備狀態(tài)

使車輛處于整備狀態(tài)，貫通道、車端連接器應(yīng)密封，空調(diào)機(jī)組處于通風(fēng)狀態(tài)。型式試驗(yàn)車輛噴淋時(shí)間應(yīng)不低于15 min，例型試驗(yàn)車輛噴淋時(shí)間應(yīng)不低于5 min。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)車體和外部設(shè)備的水密性試驗(yàn)完成以后，應(yīng)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(huì)對(duì)電纜、電氣設(shè)備和其他裝置帶來有害的后果。2 h以后進(jìn)行第二次目測(cè)，應(yīng)無水流出。

4 結(jié)語

筆者認(rèn)為整車的防水設(shè)計(jì)可總結(jié)為典型木桶效應(yīng)原理，防水設(shè)計(jì)以其特殊性，目前執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)都是結(jié)果導(dǎo)向，即驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，就是發(fā)生問題，解決問題，尚無設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以成體系指導(dǎo)整車防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如此類無設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為輸入，往往會(huì)成為經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員易忽略的項(xiàng)點(diǎn)，在地鐵車輛平臺(tái)的建設(shè)中是尤其需要重視的。所以，平臺(tái)建設(shè)的指導(dǎo)思想必須在繼承既有經(jīng)驗(yàn)、發(fā)揮頂層設(shè)計(jì)引導(dǎo)作用下，才能防患于未然。本文防水設(shè)計(jì)理念近涉及標(biāo)準(zhǔn)地鐵在整個(gè)研制的過程中解構(gòu)再架構(gòu)的技術(shù)路線特征的一個(gè)小點(diǎn)，筆者認(rèn)為基于此設(shè)計(jì)理念的推行、貫徹和持續(xù)迭代，將為我國地鐵車輛平臺(tái)產(chǎn)品的品質(zhì)升級(jí)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。