城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門最大動(dòng)能及其測(cè)試方法的商榷

夏美霞 鄧協(xié)和 孫 斌 陳春元 張 韜

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,200072,上?！蔚谝蛔髡?高級(jí)工程師)

城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)的滑動(dòng)門是乘客頻繁進(jìn)出車廂的通道,乘客難免會(huì)與其發(fā)生接觸或碰撞。為防止人員因撞擊而受到傷害,對(duì)“每扇滑動(dòng)門的最大動(dòng)能限值”以及“每扇滑動(dòng)門關(guān)門的最后100 mm行程的最大動(dòng)能限值”作出明確的規(guī)定(分別為不大于10 J、1 J),是很有必要的。

CJ/T 236—2006《城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門》附錄B(資料性附錄)中對(duì)屏蔽門的動(dòng)能測(cè)試方法作了相應(yīng)的補(bǔ)充。

我院有關(guān)人員對(duì)“每扇滑動(dòng)門的最大動(dòng)能”和“每扇滑動(dòng)門關(guān)門的最后100 mm行程最大動(dòng)能”的測(cè)試方法作了專題研究。研究結(jié)果否定了CJ/T 236—2006附錄B所推薦的相應(yīng)測(cè)試方法?，F(xiàn)將專題研究情況及其研究結(jié)果介紹如下。

1 CJ/T 236—2006的有關(guān)規(guī)定

關(guān)于城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門的滑動(dòng)門最大動(dòng)能要求及其測(cè)試,CJ/T 236—2006作了以下主要規(guī)定:

1)每扇滑動(dòng)門最大動(dòng)能不超過10 J;

2)滑動(dòng)門的動(dòng)能試驗(yàn)裝置見圖1;

3)試驗(yàn)方法:①分別將動(dòng)能試驗(yàn)裝置放置于滑動(dòng)門關(guān)門行程的1/2處和滑動(dòng)門關(guān)門行程的最后100 mm處;②執(zhí)行滑動(dòng)門關(guān)門操作,記錄動(dòng)能試驗(yàn)裝置的彈簧壓縮量;③重復(fù)上述操作3次,并記錄彈簧的壓縮量;④通過E=1/2K x2計(jì)算滑動(dòng)門的動(dòng)能(式中:E為動(dòng)能,K為彈簧彈性系數(shù),x為彈簧壓縮量)。

圖1 滑動(dòng)門的動(dòng)能試驗(yàn)裝置

2 對(duì)CJ/T 236—2006上述有關(guān)規(guī)定的理解

2.1 對(duì)每扇滑動(dòng)門最大動(dòng)能限值的理解

“每扇滑動(dòng)門最大動(dòng)能不超過10 J”這一規(guī)定,與類似設(shè)備的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是一致的。例如,GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中對(duì)電梯層門、轎門的動(dòng)能亦規(guī)定“應(yīng)不大于 10 J”。GB 7588—2003等同采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CEN)的標(biāo)準(zhǔn)EN—81—1《電梯制造與安裝安全規(guī)范》。

城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門的滑動(dòng)門,其功能、運(yùn)行特點(diǎn)等與電梯層門、轎門具有可比性,因此借鑒GB 7588—2003的規(guī)定“每扇滑動(dòng)門最大動(dòng)能不超過10 J”是合理的。

2.2 對(duì)試驗(yàn)裝置放置位置的理解

CJ/T 236—2006規(guī)定:“將動(dòng)能試驗(yàn)裝置放置于活動(dòng)門關(guān)門行程的1/2處”(筆者注:活動(dòng)門、滑動(dòng)門其術(shù)語宜統(tǒng)一,應(yīng)統(tǒng)一為滑動(dòng)門)。滑動(dòng)門關(guān)門運(yùn)行有“加速—?jiǎng)蛩佟獪p速”三個(gè)階段。最大動(dòng)能與最大運(yùn)行速度相對(duì)應(yīng),而最大運(yùn)行速度基本出現(xiàn)在勻速運(yùn)行階段?；瑒?dòng)門在關(guān)門行程的1/2處正處于勻速運(yùn)行階段,因而在該處放置試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試是合理的。

2.3 CJ/T 236—2006所提供測(cè)試方法的原理依據(jù)

CJ/T 236—2006附錄B所介紹的測(cè)試方法是基于能量守恒。即:認(rèn)為在試驗(yàn)過程中,如果摩擦損耗忽略不計(jì),則滑動(dòng)門的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能試驗(yàn)裝置的彈簧形變勢(shì)能(彈性力場(chǎng)中的勢(shì)能)?？梢詮囊话阋饬x上來這樣理解CJ/T 236—2006所提供試驗(yàn)方法的原理依據(jù)。但這一原理依據(jù)的應(yīng)用是有條件的,應(yīng)結(jié)合具體情況予以實(shí)施。恰恰在這一非?；径址浅Ｖ匾沫h(huán)節(jié)上,CJ/T 236—2006似乎有所疏漏,其提供的測(cè)試方法值得商榷。

3 幾點(diǎn)商榷

CJ/T 236—2006所描述的站臺(tái)屏蔽門最大動(dòng)能測(cè)試方法并不嚴(yán)密,或者說并不正確。以下提出筆者的一些看法。

3.1 滑動(dòng)門兩種運(yùn)行狀態(tài)的差異

3.1.1 滑動(dòng)門在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下壓縮彈簧

CJ/T 236—2006規(guī)定,動(dòng)能測(cè)試時(shí)“執(zhí)行滑動(dòng)門關(guān)門操作,記錄動(dòng)能試驗(yàn)裝置的壓縮彈簧量”(見CJ/T 223—2006附錄 B.6.2.2)。

滑動(dòng)門是動(dòng)力操作的自動(dòng)門。上述規(guī)定意味著在接觸、壓縮彈簧的瞬間,滑動(dòng)門仍在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下(通過傳動(dòng)裝置)運(yùn)行,在試驗(yàn)過程中滑動(dòng)門的動(dòng)力不切斷。在此運(yùn)行狀態(tài)時(shí),滑動(dòng)門的受力分析如圖2所示。

圖2中:

Q——滑動(dòng)門所受的重力,Q=mg(其中m為滑動(dòng)門的質(zhì)量,包括與滑動(dòng)門剛性連接的機(jī)械零件的質(zhì)量);

N——站臺(tái)面對(duì)屏蔽門的反作用力;

F(x)——滑動(dòng)門驅(qū)動(dòng)力;

P——滑動(dòng)門所受的來自壓縮彈簧的運(yùn)行阻力,P=K x(其中K為彈簧彈性系數(shù),x為彈簧壓縮量);

f——滑動(dòng)門的摩擦阻力。

滑動(dòng)門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程式為:

圖2 滑動(dòng)門受力分析簡(jiǎn)圖(動(dòng)力不切斷)

3.1.2 滑動(dòng)門以慣性運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧

即在滑動(dòng)門接觸、壓縮彈簧的瞬間,切斷其動(dòng)力,使其以慣性運(yùn)動(dòng),壓縮彈簧。在此運(yùn)行狀態(tài)時(shí),滑動(dòng)門的受力分析如圖3所示。

圖3 滑動(dòng)門受力分析簡(jiǎn)圖(以慣性運(yùn)動(dòng))

滑動(dòng)門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程式為:

式(1)、(2)均為二階微分方程,但其解顯然是不同的。式(2)應(yīng)該是正確的。

式(2)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法是本來意義上的能量轉(zhuǎn)化與能量守恒,即滑動(dòng)門固有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的形變勢(shì)能(假如摩擦損耗忽略不計(jì))。

而式(1)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài),由于動(dòng)力不切斷,所以滑動(dòng)門的動(dòng)能中疊加有電動(dòng)機(jī)的輸出能量;這部分能量也貢獻(xiàn)于壓縮彈簧,使其形變,儲(chǔ)存勢(shì)能。這顯然是不合理的。

由力學(xué)理論可知,動(dòng)能是表征物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的量,與質(zhì)量和速度有關(guān),是機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為其它運(yùn)動(dòng)形式的度量。在保守力場(chǎng)中,遵循機(jī)械能守恒。所謂保守力場(chǎng),即在該力場(chǎng)中,力所作的功與路徑無關(guān)。而在式(1)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài),電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力F(x)作功是與其作用的路徑有關(guān)的,因此機(jī)械能不守恒,基于機(jī)械能守恒的計(jì)算公式在此不適用。

從能量守恒的角度看,如果不計(jì)摩擦損耗,則式(1)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)有如下的關(guān)系式:

式中:

由圖1可知，9種試驗(yàn)材料各傳感器間存在明顯差異，數(shù)值各有不同，其中，W1W傳感器在此試驗(yàn)中最為敏感，其次是W2W傳感器和W5S傳感器，明顯差別于其他傳感器，而其余傳感器數(shù)值差別不大。

Ed——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功;

Ec——門機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能;

Eh——滑動(dòng)門的動(dòng)能;

Et——彈簧測(cè)試裝置的形變勢(shì)能。

在這一運(yùn)行狀態(tài)中,認(rèn)為滑動(dòng)門的動(dòng)能等于動(dòng)能試驗(yàn)裝置內(nèi)彈簧的形變勢(shì)能。這是對(duì)能量守恒與能量轉(zhuǎn)化定律的誤用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)接受電能,對(duì)外輸出機(jī)械能,不僅使傳動(dòng)裝置和滑動(dòng)門運(yùn)行,而且當(dāng)滑動(dòng)門運(yùn)行至接觸動(dòng)能試驗(yàn)裝置時(shí),輸出的機(jī)械能還用于克服彈簧阻力、壓縮彈簧、儲(chǔ)存勢(shì)能。顯然,滑動(dòng)門的動(dòng)能、動(dòng)能試驗(yàn)裝置的勢(shì)能都來自于電機(jī),試驗(yàn)裝置內(nèi)彈簧的形變勢(shì)能(Et)并不單由滑動(dòng)門的動(dòng)能(Eh)轉(zhuǎn)換而來。因此,這一試驗(yàn)方法的原理是有錯(cuò)誤的。

而式(2)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài),Eh=Et是成立的,故其試驗(yàn)方法的原理是正確的。

然而,式(2)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)在操作上卻有具體的困難:因地鐵站臺(tái)屏蔽門結(jié)構(gòu)上的原因,切斷動(dòng)力后滑動(dòng)門難以與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)解脫,所以在檢測(cè)操作時(shí)并不能實(shí)施使門扇以慣性運(yùn)動(dòng)。

3.2 測(cè)試結(jié)果受動(dòng)能試驗(yàn)裝置特性的明顯影響

CJ/T 236—2006所提供的方法,其不正確之處還在于測(cè)試結(jié)果受動(dòng)能試驗(yàn)裝置特性(彈簧彈性系數(shù)K)的明顯影響,現(xiàn)分析如下。

現(xiàn)假定利用K值不同的兩套動(dòng)能試驗(yàn)裝置,分別對(duì)同一扇滑動(dòng)門作動(dòng)能測(cè)試。兩套動(dòng)能試驗(yàn)裝置對(duì)同一滑動(dòng)門的阻止關(guān)門力相同,即P=K 1 x1=K 2 x2。(P已在制造安裝時(shí)事先被設(shè)定,故對(duì)一扇被確定的供測(cè)定的滑動(dòng)門來說,P是一個(gè)定值。測(cè)試時(shí),滑動(dòng)門作關(guān)門運(yùn)行并壓縮彈簧,當(dāng)彈簧提供的阻力達(dá)到阻止關(guān)門力P時(shí),滑動(dòng)門重新開啟。)利用第一套動(dòng)能試驗(yàn)裝置的測(cè)試結(jié)果為=2=P/2,利用第二套動(dòng)能試驗(yàn)裝置的測(cè)試結(jié)果為=/2=Px2/2。因?yàn)?K1≠K2,所以 x1≠x2,從而 E1≠。

兩者的測(cè)試結(jié)果明顯不同(即所得試驗(yàn)結(jié)果會(huì)隨試驗(yàn)裝置的特性而異),這顯然是不合理的。這一不合理現(xiàn)象恰恰說明了所采用的試驗(yàn)方法在科學(xué)性上是值得質(zhì)疑的。

鑒于彈簧彈性系數(shù)K不同會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響,所以GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》對(duì)彈性系數(shù)作了規(guī)定:“彈簧常數(shù)為25 N/mm”。這并不能解決試驗(yàn)方法本身的正確性問題,但卻起到了統(tǒng)一試驗(yàn)尺度的作用,避開了彈性系數(shù)K不同所造成的弊端。

4 以測(cè)定運(yùn)行速度和質(zhì)量的方法計(jì)算滑動(dòng)門最大動(dòng)能

如上所述,CJ/T 236—2006附錄B所提出的試驗(yàn)方法不甚合理,而切斷動(dòng)力,使滑動(dòng)門在接觸彈簧的瞬間以慣性運(yùn)動(dòng)又難以具體實(shí)施,因而有必要另行探索尋求新的試驗(yàn)方法?？梢岳脺y(cè)定滑動(dòng)門運(yùn)行速度和質(zhì)量的方法計(jì)算其最大動(dòng)能。

經(jīng)過分析研究和實(shí)踐摸索,現(xiàn)提出利用測(cè)定滑動(dòng)門的質(zhì)量及測(cè)定其運(yùn)行速度或記錄其運(yùn)行速度曲線,并利用公式E=mv2/2計(jì)算滑動(dòng)門最大動(dòng)能的試驗(yàn)方法。式中:m為一扇滑動(dòng)門的質(zhì)量;v為滑動(dòng)門關(guān)門時(shí)的最大運(yùn)行速度。速度曲線測(cè)定5次,取其算術(shù)平均值(與 CJ/T 236—2006附錄 B.3.3“速度曲線測(cè)試至少進(jìn)行5次”的要求相呼應(yīng))?，F(xiàn)將這一試驗(yàn)方法的操作步驟簡(jiǎn)述如下。

4.1 滑動(dòng)門運(yùn)行速度的測(cè)定

4.1.1 計(jì)量器具與儀器設(shè)備

1)水平儀;

2)位移、速度、加速度綜合測(cè)試儀(或其它等效的速度測(cè)試儀器或裝置)。

4.1.2 操作步驟

1)測(cè)定時(shí)所使用的計(jì)量器具與儀器設(shè)備(例如水平儀,位移、速度、加速度綜合測(cè)試儀等)均應(yīng)經(jīng)計(jì)量檢定,合格有效;

2)按使用說明書的要求安裝調(diào)整好上述器具和儀器,速度傳感器沿滑動(dòng)門運(yùn)行方向調(diào)整水平;

3)開啟位移、速度、加速度綜合測(cè)試儀,執(zhí)行滑動(dòng)門關(guān)門操作,測(cè)試并記錄其速度曲線(需要時(shí)還可測(cè)試、記錄位移曲線和加速度曲線),測(cè)試、記錄需重復(fù)進(jìn)行5次;

4)計(jì)算5次測(cè)得值的速度算術(shù)平均值,精度取小數(shù)后兩位,單位為m/s。

位移、速度、加速度綜合測(cè)試儀見圖4。測(cè)得的滑動(dòng)門速度曲線如圖5所示。

圖4 位移、速度、加速度綜合測(cè)試儀

圖5 滑動(dòng)門關(guān)門的速度曲線

4.2 滑動(dòng)門質(zhì)量的測(cè)定

4.2.1 計(jì)量器具

電子秤:量程為0～100 kg,分辨率為0.01 kg。

4.2.2 操作步驟

1)測(cè)試前,電子秤應(yīng)經(jīng)計(jì)量檢定,合格有效;

2)按使用說明書的要求安裝調(diào)整好電子秤,將滑動(dòng)門輕放于電子秤,測(cè)定其質(zhì)量(單位kg),精度取小數(shù)后兩位。

4.3 滑動(dòng)門最大動(dòng)能的計(jì)算

按動(dòng)能公式 E=mv2/2計(jì)算滑動(dòng)門的最大動(dòng)能,計(jì)算結(jié)果取整數(shù)或取小數(shù)后一位,單位J。

4.4 技術(shù)分析

1)滑動(dòng)門是平動(dòng)剛體,所以其動(dòng)能E=mv2/2。此方法從屏蔽門運(yùn)行最大動(dòng)能的本質(zhì)上提出了屏蔽門運(yùn)行最大動(dòng)能的測(cè)試方法,其原理無疑是正確的。

2)該試驗(yàn)方法中涉及到屏蔽門質(zhì)量 m和屏蔽門運(yùn)行速度v的測(cè)定,完全可使用相應(yīng)的計(jì)量器具和儀器以確保滿足測(cè)量精度的要求。而彈簧試驗(yàn)裝置尚沒有成熟的定型產(chǎn)品,其精度較低(電梯行業(yè)使用過此類試驗(yàn)裝置的企業(yè)都有這方面的反映)。

3)采用此試驗(yàn)方法可全程觀察與記錄滑動(dòng)門的運(yùn)行狀況,有利于分析、判定屏蔽門在開關(guān)門過程中的運(yùn)行質(zhì)量,能為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供有效信息。

4)在測(cè)試“滑動(dòng)門的最大動(dòng)能”的同時(shí),也同步完成了CJ/T 236—2006所要求的“滑動(dòng)門速度曲線”的測(cè)試。

5)此試驗(yàn)方法也適用于“每扇滑動(dòng)門關(guān)門行程的最后100 mm處最大動(dòng)能的檢測(cè)”。CJ/T 236—2006規(guī)定:“每扇滑動(dòng)門關(guān)門的最后100 mm行程最大動(dòng)能不超過1 J”,同樣采用附錄B中B.6所描述的方法來進(jìn)行測(cè)試,其原理顯然也是不正確的。本文論述的測(cè)試方法同樣適用于“每扇滑動(dòng)門關(guān)門的最后100 mm行程最大動(dòng)能不超過1 J”的檢測(cè),需要注意的是,應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)得關(guān)門行程的最后100 mm處所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)門的運(yùn)行速度。該運(yùn)行速度可采用以下兩種方法來確定:①通過速度曲線的有關(guān)面積計(jì)算可以確定關(guān)門的最后100 mm行程所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)門運(yùn)行速度,從而利用動(dòng)能計(jì)算公式方便地計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的動(dòng)能。②不僅測(cè)定速度曲線,同時(shí)也測(cè)定位移曲線(滑動(dòng)門關(guān)門位移曲線如圖6所示),然后在位移曲線上確定關(guān)門的最后行程100 mm處()所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,再在速度曲線上找到t1所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)門運(yùn)行速度v1;通過動(dòng)能計(jì)算公式E=m/2即可測(cè)得對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)能。

圖6 滑動(dòng)門關(guān)門的位移曲線

5 滑動(dòng)門最大動(dòng)能測(cè)試的兩種方法實(shí)測(cè)比較

筆者對(duì)同一扇滑動(dòng)門按兩種方法進(jìn)行了實(shí)測(cè)比較。按測(cè)定滑動(dòng)門運(yùn)行速度和質(zhì)量的方法,測(cè)得值為:m=68.50 kg,v=0.50 m/s。計(jì)算結(jié)果為:滑動(dòng)門最大動(dòng)能E=mv2/2=8.6 J。

按動(dòng)能試驗(yàn)裝置測(cè)定滑動(dòng)門最大動(dòng)能的方法,采用的測(cè)試儀器為門力測(cè)試儀(即動(dòng)能試驗(yàn)裝置中的彈簧裝置)。經(jīng)檢定,其實(shí)際彈性系數(shù)K=24.5 N/mm(儀器銘牌標(biāo)稱參數(shù)為K=25 N/mm)。圖7所示為測(cè)得的特性曲線。自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)表明,其測(cè)得值:阻止關(guān)門力P為93 N,E為0.18 J。利用公式E=K x2/2,計(jì)得E=0.18 J。這與自動(dòng)記錄動(dòng)能數(shù)據(jù)相吻合。

圖7 阻止關(guān)門力特性曲線

利用動(dòng)能試驗(yàn)裝置的測(cè)試方法,其測(cè)試結(jié)果與通過測(cè)定滑動(dòng)門的質(zhì)量、運(yùn)行速度來計(jì)算其動(dòng)能的測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果相差懸殊。其錯(cuò)誤在于,利用動(dòng)能試驗(yàn)裝置的測(cè)試方法誤用了能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,將所得到的結(jié)果誤認(rèn)為是滑動(dòng)門的動(dòng)能。實(shí)際上,該方法所得的結(jié)果數(shù)據(jù)僅僅是彈簧因受到滑動(dòng)門的壓縮而儲(chǔ)存的勢(shì)能,而這一勢(shì)能是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的。如上所述,滑動(dòng)門、動(dòng)能試驗(yàn)裝置之間事實(shí)上并不存在等量的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

6 結(jié)語

1)CJ/T 236—2006所描述的利用動(dòng)能試驗(yàn)裝置測(cè)試每扇滑動(dòng)門最大動(dòng)能的方法,在原理上存在瑕疵,試驗(yàn)方法的科學(xué)性是值得商榷的。

2)利用測(cè)定滑動(dòng)門的質(zhì)量及運(yùn)行速度或記錄其運(yùn)行速度曲線,并利用公式E=mv2/2計(jì)算滑動(dòng)門最大動(dòng)能的試驗(yàn)方法,符合平動(dòng)剛體動(dòng)能測(cè)定的本質(zhì)含義,原理正確,有較高的測(cè)試精度,而且又具有能同步測(cè)定滑動(dòng)門的速度曲線,了解滑動(dòng)門在關(guān)門全過程中的運(yùn)行性能,是可以推廣應(yīng)用的。

[1]GB 7588—2003電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].

[2]史信芳,陳影,毛宗源.電梯技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1989.

[3]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)編寫組.理論力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003.