地铁门型材结构优化仿真及传热系数K值计算研究

吕晨科 李美霞 常佳华

地铁是人们日常生活中常用的一种交通工具，具有运行速度高、运输密度高等特点。随着地铁的普及，地铁将面临更多的服役环境，对安全性、可靠性的要求越来越高。除了基本技术要求外，因服役环境不同对地铁的结构和性能要求也不尽相同，在一些常年低温的地区，空气中的水汽会凝结成细小冰粒，阻碍车门的关闭，影响地铁的安全性。本文在现有高寒地铁门的基础上进行结构优化，改善门扇结构，降低传热系数K值，使地铁门在低温下也可以正常关闭。

1 地铁门的热传递方式

热传递方式主要有3种：热传导、热对流和热辐射。地铁在静止或运动中这三种热传递方式是同时进行的。当车门关闭后运行速度提高，车体外表面温度无限接近于外界的空气温度，运行中热传导是车体传热的主要因素，为简化问题，在设计和分析过程中未考虑热对流和热辐射的影响。

2 地铁车辆传热系数

传热系数是评价地铁隔热性能的重要指标。传热系数是指按制定的材料及图纸设计的结构（如门系统），阻止热量导入或导出，保持车内温度稳定的能力。结构的隔热性能通过传热系数的指标来衡量，要控制结构的传热系数（测量值）小于等于标准规范所规定的值。车辆传热系数K值分级指标如图1所示。

表1 车辆传热系数K值分级指标

在车体设计中，要求地铁具有足够的热阻值，一般要求塞拉门系数K≤4.5W/(m2·K)，因此，合理地设计隔热结构、降低车体传热系数，对车体的传热具有重要意义。

3 目前高寒车辆门系统隔热的方法

（1）在客室车窗外层玻璃内侧镀LOW-E膜，并在中空层内充惰性气体——氩气，提升列车的隔热防寒效果。

（2）客室门密封胶条采用耐低温的硅橡胶材料，保证了低温条件下车门的密封效果，同时车内的噪音显著降低。

（3）整车隔热材料采用高性能保温纤维棉，这种材料具有重量轻、寿命长、隔热系数高等特点，在低温下能够保持良好性能。

4 对门结构的优化

为了使列车门更好适应低温环境，门机构骨架使用热断桥型材，热断桥型材是型材中压进隔热条，将铝合金分成三部分组成复合材料，即外部铝合金和中间部分连接内外的芯子及内部铝合金。热断桥型材具有以下功能：

（1）热传导系数K值低；

（2）优异的机械性能和耐化学腐蚀性；

（3）热膨胀系数与铝合金相似；

（4）具有良好的隔热性能（隔热效率提高15%～25%)；

（5）高耐热耐寒性（-40～220℃）。

门扇结构优化方案如图1所示。

图1 门扇结构优化方案

5 传热系数K的计算

为了确定门扇的平均传热系数，确保门扇能够满足隔热设计要求，在不考虑型材内部产生的对流、辐射换热的影响下，门扇内部仅存在热传导，计算得出门扇传热系数。

外部条件：热箱18℃，对流换热系数8.7W/(m2·K)；冷箱-55℃，对流换热系数23W/(m2·K)。

有限元简化模型如图2所示，热桥隔断有限元简化模型如图3所示。

图2 有限元简化模型

图3 热桥隔断有限元简化模型

材料设置：材料参数表如表2所示。

表2 材料参数表

约束及载荷：门扇内侧为热箱自然对流，热箱温度为18℃，对流换热系数为8.7W/(m2·K)，门扇外侧为冷箱强制对流，冷箱温度为-55℃，对流换热系数为23W/(m2·K)，对内外表面施加对流边界。

对流边界如图4所示，初始温度如图5所示。

图4 对流边界

图5 初始温度

6 结果及结果分析

从图6可以看出，直接提取门板外表面热流，总热流为462.3W，门扇面积按1.87m2，内外表面温差为73℃，则门扇平均传热系数K为：

K=462.3/(1.87×73)=3.38W/(m2·K) （1）

图6 门扇热通量云图

7 结论

（1）热桥隔断后传热系数为3.38W/(m2·K)，达到表1车辆传热系数K值分级指标K≤4.5W/(m2·K)。

（2）分析时未考虑型材局部空腔内部产生的对流、辐射换热的影响，门扇内部按仅存在热传导进行计算，得出的门扇传热系数偏小。

通过上述计算和实测比较，虽然计算值与理论值存在一定差距，但是经过不断改进，获得了良好效果。

[1]赵镇南.传热学[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2]四方地铁研究所.2.5米空调车隔热性能试验报告[R].1981.

[3]四方地铁研究所.2.5米空调客车局部传热系数试验报告[R].1981.

[4]范治新.工程传热原理[M].北京：化学工业出版社，1982.

[5]D.R.克罗夫特，D.G.利科.传热的有限差分方程计算[M].张凤禄，译.北京：冶金工业出版社，1982.

[6]杨述武.普通物理实验（力学、热学部分）[M].北京：高等教育出版社，1993：273-276.

[7]J.A.亚当斯，D.F.罗杰斯.传热学计算机分析[M].北京：科学出版社，1980.

[8]沈雅钧，金剑雄，沈晓群.绝热保温材料热物性的准稳态法测试[J].浙江海洋学院学报，2001，20（1）：41-44.

[9]J.P.霍尔曼.传热学[M].北京：人民教育出版社，1979.

[10]刘长远，武彤.铝合金车体隔热壁设计原理[J].城市轨道交通研究，2008，（5）：39.

[11]杨培志.冷板冷藏车整车传热系数的计算分析[J].制冷与空调，2004，4（6）：53-55.

[12]王补宜.工程传热传质学（上册）[M].北京：科学出版社，1982.

[13]关明全，马平，王金贵，等.铁道客车设计手册（上册）[G].长春：吉林省铁道学会，1989.

[14]张熙民.传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.