一種地鐵內(nèi)藏門系統(tǒng)承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與研究

引言

地鐵已經(jīng)逐漸成為大部分現(xiàn)代城市中的人們上下班出行的首選交通工具,而與乘客接觸最多的就是車輛上的車門,其功能是:當(dāng)車輛到站停穩(wěn)時(shí),車門打開(kāi),乘客可以上下車:之后車門關(guān)上,列車才可以啟動(dòng)與運(yùn)行:在運(yùn)行過(guò)程中一直處于關(guān)閉狀態(tài),直到列車到達(dá)下一站停穩(wěn),再打開(kāi)門,乘客進(jìn)行上下車。

目前市場(chǎng)上車門的類型主要有3種一內(nèi)藏門、外掛門和塞拉門,而內(nèi)藏門因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉以及易于維護(hù),特別適用于大型城市的軌道交通系統(tǒng)。本文介紹了在上海地鐵和北京地鐵應(yīng)用的法中軌道的內(nèi)藏門,研究和分析了車門系統(tǒng)承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1內(nèi)藏門定義

內(nèi)藏門是指在車門打開(kāi)和關(guān)門時(shí),門頁(yè)直線運(yùn)動(dòng),并且車門完全打開(kāi)后,門頁(yè)位于列車的外墻和內(nèi)裝之間,此時(shí)乘客看不見(jiàn)門頁(yè)的位置,只有當(dāng)門頁(yè)關(guān)閉時(shí),乘客才能看見(jiàn)門頁(yè)的外形。

2內(nèi)藏門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1所示,一個(gè)完整的車門系統(tǒng)主要由以下零部件組成:承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、門扇含機(jī)械隔離裝置）、門檻、緊急解鎖裝置及其鋼絲繩、密封膠條毛刷、EDCU等,每個(gè)零部件組合在一起,提供了整個(gè)系統(tǒng)所需要的功能和性能。

各個(gè)子系統(tǒng)的主要功能如下:

承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1）一承受門的重量及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的外部載荷,驅(qū)動(dòng)門頁(yè)進(jìn)行開(kāi)關(guān)門運(yùn)行,并保證車門可靠地關(guān)閉和鎖閉:

門頁(yè)2、3）一連接車輛和站臺(tái)之間的出入口,是乘客可以接觸到的主要車門部件:

門檻4）一乘客上下車時(shí)的腳部支撐,引導(dǎo)門頁(yè)下部運(yùn)行,承受門頁(yè)下部載荷:

EDCU5）一控制車門的運(yùn)行,并和車輛保持通信的部件:

緊急解鎖裝置6）一在緊急情況下,提供給乘客打開(kāi)車門的手動(dòng)解鎖裝置:

鋼絲繩7）一連接緊急解鎖裝置和車門鎖閉裝置的部件:

輔助支撐輪8）一門頁(yè)中間受到載荷變形時(shí),能防止車門過(guò)量變形而摩擦車體。

車門電子控制單元EDCU根據(jù)車輛信號(hào)發(fā)出開(kāi)、關(guān)門指令,動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行門的開(kāi)關(guān),檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)門的開(kāi)啟和關(guān)閉位置進(jìn)行檢測(cè)并反饋給車輛控制端。門關(guān)閉后,會(huì)觸發(fā)門已關(guān)閉傳感器,同時(shí)鎖閉系統(tǒng)觸發(fā)門鎖閉傳感器,以確保車門已經(jīng)可靠地關(guān)閉和鎖閉,并發(fā)出相應(yīng)的檢查信號(hào)給車門電子控制單元和列車控制系統(tǒng)。

3車門的基本要求

3.l功能要求

作為乘客進(jìn)出通道的關(guān)口,車門必須具備如下基本功能:1）運(yùn)行溫度:車門可以在-25～＋45+范圍內(nèi)正常工作。

2）電動(dòng)開(kāi)關(guān)門:車門可以接收車輛發(fā)出的指令,自動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)門,開(kāi)關(guān)門時(shí)間通常設(shè)定為3±℃.5）S可通過(guò)維護(hù)軟件進(jìn)行調(diào)整）。

3）手動(dòng)開(kāi)關(guān)門:在沒(méi)有電的情況下,可以手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)門,手動(dòng)拉門力通常1150N。

4）緊急開(kāi)門:在遇到意外情況,需要臨時(shí)緊急打開(kāi)車門時(shí),可以通過(guò)操作手動(dòng)緊急解鎖裝置將車門解鎖,然后手動(dòng)打開(kāi)車門。

5）車門隔離:在車門有故障的情況下,可以手動(dòng)隔離故障車門,以使列車可以繼續(xù)運(yùn)營(yíng),被隔離的車門不再進(jìn)行開(kāi)關(guān)門且有指示燈常亮以表示此車門有故障）。

6）障礙探測(cè):當(dāng)車門關(guān)門時(shí),如果夾到正在通過(guò)的乘客,車門可以檢測(cè)到,并防止夾傷乘客,可檢測(cè)到的最小障礙物為30mm×60mm,夾住物體后的移除力1150N。

7）水密性:在EN14752規(guī)定的測(cè)試條件下,外部的雨水不能通過(guò)車門進(jìn)入列車內(nèi)部。

(8）強(qiáng)度:車門必須具有一定的強(qiáng)度,以確保乘客在車內(nèi)擠壓車門的情況下,車門的開(kāi)關(guān)門功能可以保持正常,車門變形也不會(huì)與車輛發(fā)生干涉。3#.舒適性要求

為了提高乘客乘坐的舒適性,車門必須滿足如下性能要求:

(1）隔音性能:門板的隔音Rw≥32dB,整個(gè)內(nèi)藏門系統(tǒng)隔音Rw≥23dB。

(2）隔熱性能:K≤4.5w/(m2·K）。

(3）運(yùn)行噪聲:開(kāi)關(guān)門時(shí)噪聲≤70dB,鎖閉和解鎖瞬間噪聲≤75dB。

2承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)門系統(tǒng)最核心的部件,其性能的好壞、可靠性的高低直接決定了整個(gè)車門系統(tǒng)的性能和可靠性。承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由滑軌組件、電機(jī)組件、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)組件、鎖閉系統(tǒng)及車門控制單元EDCU組成,如圖2所示。

4.1承載系統(tǒng)

法中軌道采用鋼制滑軌組件作為承載結(jié)構(gòu),用于承受門頁(yè)的重量和額外載荷,以及控制和引導(dǎo)車門的直線運(yùn)行(開(kāi)關(guān)門）。其主要由滑軌、滑塊、保持架和鋼球組成,如圖3所示。

當(dāng)滑塊移動(dòng)時(shí),鋼球進(jìn)行純滾動(dòng)(保持架也隨著鋼球的滾動(dòng)而進(jìn)行移動(dòng)）,從而使滑塊的移動(dòng)非常平穩(wěn)和順暢。并且得益于圓弧溝槽和高強(qiáng)度鋼球的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),滑塊可以承受很大的載荷而不產(chǎn)生任何永久變形。

目前,傳統(tǒng)的塑料滾輪的承載結(jié)構(gòu)還占據(jù)著大部分市場(chǎng),法中軌道的鋼軌承載系統(tǒng)與之相比,具有如表1所示的特點(diǎn)。

綜合比較可以看出,采用鋼制承載系統(tǒng)更加可靠和耐用,全壽命周期成本(LCC）更低。

4.2傳動(dòng)系統(tǒng)

法中軌道采用的是高精度的金屬絲桿螺母?jìng)鲃?dòng),絲桿采用冷軋的工藝方法加工而成,螺母內(nèi)部有鋼球,屬于滾珠絲桿傳動(dòng)類型,其具有以下特點(diǎn):

(1）傳動(dòng)效率高達(dá)0.98(平均為滑動(dòng)螺旋的2～3倍）,可節(jié)省動(dòng)力1/3～1/2:

(2）摩擦力矩小:

(3）工作壽命長(zhǎng),平均可達(dá)滑動(dòng)螺旋的10倍左右:

(4）傳動(dòng)無(wú)間隙,無(wú)爬行,傳動(dòng)平穩(wěn),傳動(dòng)精度高:

(5）具有很好的高速性能。

4.3動(dòng)力系統(tǒng)

法中軌道采用有刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),由于采用特殊的電刷設(shè)計(jì),結(jié)合每天有限的使用頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),電機(jī)可以達(dá)到3000000次開(kāi)關(guān)門而無(wú)需更換電刷。

如表2所示,與市場(chǎng)上其他車門產(chǎn)品使用的無(wú)刷電機(jī)相比,有刷電機(jī)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)和可靠性。

4.4鎖閉系統(tǒng)

采用法中軌道專利技術(shù)的鎖閉系統(tǒng)是整個(gè)車門系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)之一,其非常巧妙地充分利用了電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車門的鎖閉和解鎖,其鎖閉/解鎖原理如圖4所示。

圖2鎖閉原理

鎖閉支架與電機(jī)定子固定(電機(jī)定子兩端安裝在軸承孔上,因此定子可以旋轉(zhuǎn)）,鎖閉滾輪安裝在鎖閉支架上,并且滾輪與鎖桿接觸。

關(guān)門過(guò)程中,絲桿(與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接）逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)門頁(yè)往關(guān)門方向(如圖5所示,為向右的箭頭）運(yùn)動(dòng),此時(shí)電機(jī)定子雖然有向順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),但鎖閉滾輪與鎖桿接觸,阻止了電機(jī)外殼轉(zhuǎn)動(dòng),滾輪在鎖桿的接觸面上純滾動(dòng),此時(shí),門頁(yè)正常關(guān)門。

圖5關(guān)門過(guò)程示意圖

如圖6所示,當(dāng)門頁(yè)關(guān)閉到位時(shí),這時(shí)絲桿雖然有繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),但由于門頁(yè)已經(jīng)移動(dòng)到位,不能再繼續(xù)移動(dòng),故絲桿不能再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),即門已經(jīng)關(guān)閉到位(并通過(guò)門關(guān)閉到位開(kāi)關(guān)檢測(cè)確定）。如果此時(shí)電機(jī)定子也不能轉(zhuǎn)動(dòng),那么電機(jī)將會(huì)因持續(xù)堵轉(zhuǎn)而燒毀。然而,通過(guò)巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使得鎖閉滾輪正好滾動(dòng)到鎖桿的末端,由此鎖桿不再阻擋電機(jī)定子的轉(zhuǎn)動(dòng),因此電機(jī)定子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(滾輪沿著鎖桿端面滾動(dòng)）一定角度后停止。此時(shí),鎖閉滾輪正好抵住鎖桿端部,從而實(shí)現(xiàn)門頁(yè)的鎖閉(門頁(yè)不能打開(kāi),即向左移動(dòng)）,同時(shí),預(yù)先設(shè)計(jì)的門鎖閉到位開(kāi)關(guān)也被觸發(fā),說(shuō)明已經(jīng)鎖閉到位,從而電機(jī)斷電不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),如圖7所示。

圖6門關(guān)到位

圖7門鎖到位

而開(kāi)門時(shí),電機(jī)的動(dòng)作過(guò)程正好與關(guān)門相反。這樣,整個(gè)鎖閉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就最大限度地巧妙利用了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單高效,不需要再單獨(dú)設(shè)計(jì)鎖閉裝置和附加的解鎖動(dòng)力源,大大提高了整個(gè)車門系統(tǒng)的可靠性,也降低了成本。4.5檢測(cè)系統(tǒng)

車門的開(kāi)啟和關(guān)閉是由作為核心部件的承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的,而車門是否已經(jīng)關(guān)到位、鎖閉系統(tǒng)是否已經(jīng)鎖到位、列車是否可以啟動(dòng)等,這些關(guān)系到乘客的安全和列車的正常運(yùn)行,因此必須有一套設(shè)計(jì)合理、功能可靠的傳感器組成的檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)刻對(duì)車門的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并通過(guò)車門控制單元EDCU將車門的實(shí)時(shí)狀態(tài)發(fā)送給列車控制系統(tǒng)TCMS。為了實(shí)現(xiàn)這一功能,在承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的中間位置以及電機(jī)鎖閉位置,分別裝有一個(gè)車門關(guān)閉到位開(kāi)關(guān)DCS(圖8）和車門鎖閉到位開(kāi)關(guān)DSS(圖7）。

圖8車門關(guān)閉到位開(kāi)關(guān)DCS

每個(gè)開(kāi)關(guān)都有兩對(duì)觸點(diǎn),分別為一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)(LN）和一個(gè)常閉觸點(diǎn)(LC）,它們?cè)谖锢砩鲜窍嗷ミB接的,但單獨(dú)供電。一個(gè)觸點(diǎn)用于傳送信號(hào)給列車回路,另一個(gè)用于門的內(nèi)部控制。LN觸點(diǎn)用于"門已關(guān)閉并鎖定"安全回路,LC觸點(diǎn)用于車門控制單元EDCU對(duì)車門位置狀態(tài)的判斷和確認(rèn)。如圖9所示,當(dāng)車門關(guān)閉時(shí),首先觸發(fā)門關(guān)閉到位開(kāi)關(guān),以表明門頁(yè)已經(jīng)處于完全關(guān)閉位置,然后門鎖閉到位開(kāi)關(guān)被安裝在電機(jī)定子上的鎖閉支架觸發(fā),表明車門已經(jīng)完全鎖閉。這時(shí),這2個(gè)串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)接通列車上的安全回路,列車才滿足允許啟動(dòng)的條件,只要有任意一個(gè)開(kāi)關(guān)沒(méi)有被觸發(fā),列車都無(wú)法啟動(dòng)。

4.6車門隔離

當(dāng)個(gè)別車門出現(xiàn)故障而不能正常開(kāi)關(guān)門時(shí),列車安全回路將不能正常接通,列車將無(wú)法啟動(dòng)。為了保證車輛的正常運(yùn)行(可用性）,在承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上特別設(shè)計(jì)了一個(gè)隔離開(kāi)關(guān)SNS,門頁(yè)上設(shè)計(jì)有隔離裝置,通過(guò)四方鑰匙順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,鎖舌將向上伸出,進(jìn)而觸發(fā)這個(gè)開(kāi)關(guān),如圖10所示。

當(dāng)門頁(yè)出現(xiàn)故障而不能自動(dòng)關(guān)門時(shí),需要人工手動(dòng)將門關(guān)閉和鎖閉,才能進(jìn)行隔離操作。隔離后,被隔離的門將一直處于關(guān)閉狀態(tài),不再進(jìn)行開(kāi)門,此時(shí)列車安全回路將通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)接通(圖9）,從而列車可以繼續(xù)運(yùn)行,直到運(yùn)營(yíng)結(jié)束回車庫(kù)后再進(jìn)行故障排除。

5內(nèi)藏門承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)快速發(fā)展及地鐵車輛設(shè)計(jì)日趨成熟,未來(lái)車門的承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將要求可靠性、安全性更高,全壽命周期成本(SCC）更低,并向著免潤(rùn)滑、免維護(hù)、輕量化方向發(fā)展。近年來(lái),各大地鐵運(yùn)營(yíng)公司提出了車門健康管理(也有稱作"智能運(yùn)維"）,要求車門系統(tǒng),特別是承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有故障提前預(yù)警的功能,能及時(shí)向運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員發(fā)送偵測(cè)到的車門即將發(fā)生的故障信息,以達(dá)到提前預(yù)防、提前維護(hù)的要求,從而進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

6結(jié)語(yǔ)

本文介紹了地鐵內(nèi)藏門的基本原理、功能和結(jié)構(gòu),重點(diǎn)分析了承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理,通過(guò)分析和對(duì)比,為以后的技術(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)提供了初步的方向和思路。