城市軌道交通安全門電磁鎖的設(shè)計

白雨坤 王富章 聞勁松 韓鵬飛

(中國鐵道科學研究院電子計算技術(shù)研究所，100081，北京∥第一作者，碩士研究生)

安全門作為一種安全、節(jié)能、美觀的車站設(shè)施，伴隨著城市軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展而普及到全國各個城市的新建和既有軌道交通系統(tǒng)中。在安全門系統(tǒng)中，電磁鎖作為一種安全保障設(shè)備，對安全門的正常工作起著至關(guān)重要的作用。然而，在現(xiàn)有的安全門系統(tǒng)中，電磁鎖往往是故障率最高的設(shè)備。這種現(xiàn)象既與其特殊的功能密不可分，也與現(xiàn)有設(shè)計存在缺陷相關(guān)。目前，用于安全門系統(tǒng)的電磁鎖主要分為直軸伸縮型和圓盤旋轉(zhuǎn)型兩類。直軸伸縮型電磁鎖由于構(gòu)造簡單、穩(wěn)定性高、成本低廉等特征，正逐步被業(yè)內(nèi)認可。本文旨在從電氣和機械兩方面介紹如何設(shè)計并實現(xiàn)性能優(yōu)越的直軸伸縮型電磁鎖。

1 主要功能與設(shè)計理念

1.1 主要功能

在安全門系統(tǒng)中，電磁鎖的主要功能為:

(1)在未收到開門命令時，電磁鎖鎖舌處于伸出狀態(tài)，觸發(fā)鎖閉結(jié)構(gòu)，阻止滑動門沿導(dǎo)軌運動，防止不正當理由的開門動作(如個別乘客從站臺側(cè)強行開門)。

(2)在收到開門命令后，電磁鎖鎖舌可以迅速(少于200 ms)吸回，使鎖閉結(jié)構(gòu)釋放，不阻擋滑動門的開關(guān)動作。

(3)在滑動門從開門狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)后，電磁鎖鎖舌釋放回伸出狀態(tài)，觸發(fā)鎖閉機構(gòu)，同時給出反饋信號，告知監(jiān)控系統(tǒng)門已鎖緊。

1.2 設(shè)計理念

針對地鐵安全門系統(tǒng)的實際需要，電磁鎖應(yīng)具備以下性能:

(1)高壽命。由于安全門必須伴隨著列車的進出站做多次開關(guān)動作，而電磁鎖又是控制安全門開關(guān)動作的關(guān)鍵器件，所以，在設(shè)計過程中，必須考慮電磁鎖的壽命。根據(jù)運營部門的相關(guān)要求，安全門必須通過百萬次壽命試驗，這就要求電磁鎖應(yīng)無故障運行100 萬次［1］。

(2)高精確度。電磁鎖的狀態(tài)間接反應(yīng)了滑動門的狀態(tài)，所以電磁鎖的每一個動作都必須精確反饋回監(jiān)控系統(tǒng)。針對運營方的實際需求，其誤報率應(yīng)低于 10－6。

(3)低能耗。電磁鎖屬于有源耗能器件，尤其是在啟動瞬間，單個電磁鎖的熱功率可達150 W以上，所以，通過合理的電氣設(shè)計來降低電磁鐵的熱功率，將會大大減少能耗。

(4)低噪聲。電磁鐵在動作的過程中由于撞擊和摩擦等一系列原因會發(fā)出噪聲，如果處理不當，將會對周圍環(huán)境造成噪聲污染。根據(jù)CJ/T 236—2006中的相關(guān)規(guī)定:電磁鎖在正常工作時，水平距其1 m處的噪聲測量值必須低于 70 dB［2－3］。

本文將分電氣理論設(shè)計和機械功能實現(xiàn)兩部分，詳細介紹如何將上述要求通過計算和反復(fù)試驗轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計參數(shù)，制造出安全、可靠的電磁鎖。

2 電氣理論設(shè)計

電磁鎖的核心部件就是電磁鐵。電磁鎖的壽命、行程、起動力和保持力等重要指標都與電磁鐵的性能直接相關(guān)。

2.1 主要設(shè)計參數(shù)

電磁鐵的參數(shù)之間有著相互制約的關(guān)系，必須全面考慮，從而實現(xiàn)滿足設(shè)計要求的最優(yōu)參數(shù)配置。

(1)行程:由于工程實際需要，電磁鐵的行程一般選擇為8 mm，這樣既可以滿足鎖舌鎖定門體的需求，也在保證安全的情況下降低了電磁鐵的體積、功率等參數(shù)。

(2)供電:根據(jù)安全門供電系統(tǒng)的特性，電磁鎖的優(yōu)選供電電壓分為DC 110 V和DC 24 V兩種［4］。在該型電磁鐵的設(shè)計中，DC 110 V電源用于啟動電磁鐵使其行程歸零，DC 24 V電源用于保持電磁鐵的吸合狀態(tài)。如果單一采用DC 110 V電源為電磁鎖供電，會產(chǎn)生較高的功率損耗，同時產(chǎn)生大量的熱量，使電磁鐵的壽命極大地縮短;如果單一使用DC 24 V電源，就必須加倍增大電磁鐵的體積。

(3)吸合力:考慮電磁鎖內(nèi)的彈簧強度、傳動機構(gòu)質(zhì)量和整體抗振性能，只要電磁鐵的吸合力始終大于23 N，電磁鎖就可以穩(wěn)定運行。

2.2 理論計算

電磁鐵的核心功能是實現(xiàn)吸合和釋放兩個動作。所以，理論計算的重點，就是確定電磁鐵的理論吸合力是否能夠滿足設(shè)計要求。

2.2.1 理想條件下的吸合力計算

電磁鐵的精確吸合力計算需要用到Maxwell電磁吸力計算公式［5］:

式中:

F——螺線管的電磁吸力;

B——氣隙磁感應(yīng)強度;

Φ——電磁鐵鐵心中的磁通量;

μ0——真空磁導(dǎo)率;

S——電磁鐵鐵心底部面積。

然而，B需要通過畢奧 薩伐爾定律分不同情況進行計算，這將極大地提高計算的復(fù)雜度，不僅大幅度延長研發(fā)周期，而且容易造成計算錯誤。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的積累和分析，可以得出一個計算電磁鐵吸合力的經(jīng)驗公式:

式中:

K——比例轉(zhuǎn)化因子;

N——電磁鐵繞線安培匝數(shù);

I——流過繞線的電流強度。

由式(2)可以看出，電磁鐵的吸合力與安培匝數(shù)成正比。對多次改進調(diào)整后的試驗電磁鐵進行極限吸合力測量(為電磁鐵加載在各種通電率下所能承受的最大電壓，然后測量在不同行程條件下的吸合力值)，可以得出電磁鐵的電磁動力特性曲線。100%和10%通電率時的電磁鐵動力特性如圖1所示。

圖1 電磁鐵動力學特性曲線

電磁鐵的動力性能是指電磁鐵的初始吸合力和保持吸合力。這兩種力的大小主要與通電電壓相關(guān)。圖1中給出的理想數(shù)值是在DC 113 V啟動、DC 36V保持的條件下測出的。通過F=KNI=KNU/R(R為電磁鐵繞線電阻，U為電壓)可推導(dǎo)出DC 110 V啟動、DC 24 V保持條件下電磁鐵的初始吸合力和保持吸合力。

設(shè) U1=113 V，U2=110 V，U3=36 V，U4=24 V。由于N、K及R均為常數(shù)，可以得出額定初始吸合力F2(溫度為20℃、行程在8 mm處、供電電壓為110 V時的吸合力)的計算式為:

從圖1(b)中可讀出電磁鐵的理想初始吸合力F1=29 N(溫度為20℃、行程在8 mm處、供電電壓為113 V時的吸合力)，則由式(3)可得F2≈28.2 N。

同理可推導(dǎo)出額定保持吸合力F4(溫度為20℃、行程為0、供電電壓為24 V時的吸合力)的計算式為:

從圖1(a)中可讀出理想保持吸合力(溫度為20℃、行程為0、供電電壓為36 V時的吸合力)F3=50 N，則由式(4)得 F4≈33.3 N。

顯然，F(xiàn)2和F4均大于23 N的設(shè)計要求。

2.2.2 溫度對吸合力的影響

北方地區(qū)冬季寒冷，夏季炎熱，溫度變化劇烈［6］。尤其對于地鐵高架站，冬季和夏季之間的運營溫差可達50℃以上。因此，必須對上述計算結(jié)果進行修正才能得到更加符合實際情況的參數(shù)。對不同溫度條件下電磁鐵繞線的電阻值進行測量，可以得到電阻變化規(guī)律，進而得到安培匝數(shù)的變化規(guī)律(見表1)。

表1 線圈電阻隨溫度的變化規(guī)律

由表1可以看出，隨著溫度由低到高變化，安培匝數(shù)系數(shù)由大變小?？紤]到安培匝數(shù)的變化將直接導(dǎo)致電磁鐵吸合力的變化，且在實際運營條件下電磁鎖的工作溫度會在－20℃至40℃之間變化，所以必須對極端溫度條件下電磁鐵的吸合力進行重新評估。通過破壞性高頻率試驗(電磁鐵每分鐘完成18次吸合、釋放動作)，可使電磁鐵線圈溫度在30 min內(nèi)達到60℃。設(shè)此時電磁鎖的初始吸合力為FC1，保持吸合力為FC2。由表1得60℃時的安培匝數(shù)系數(shù)為 0.865，則有:FC1=0.865F2≈24.4 N;FC2=0.865F4≈28.8 N。

顯然，在溫度上升至60℃后，電磁鐵的吸合力仍然高于23 N的設(shè)計指標。另外，隨著溫度的降低，電磁鐵的安培匝數(shù)系數(shù)將增大，導(dǎo)致電磁鐵的吸合力增大，故溫度降低不會導(dǎo)致電磁鐵失效，反而在一定程度上提高了電磁鐵的電氣動力性能。

2.2.3 能耗計算

現(xiàn)有的安全門電磁鎖啟動功率普遍高于150 W，而重新設(shè)計后的電磁鎖啟動功率在120～130 W之間。用電流檢測鉗(將電流強度轉(zhuǎn)化為電壓大小的儀器，比例參數(shù)為100 mV/A)可以測出電磁鐵線圈內(nèi)的電流強度，并在示波器上得到顯示。圖2中的脈沖高峰是在U=110 V供電條件下產(chǎn)生的電流脈沖，可以讀出高峰均值與初始均值之間相差110 mV;轉(zhuǎn)化為電流強度I后，可知I=1.1 A。由電壓值和電流值可計算出測試電磁鐵的功率P=UI=121 W。同樣，可測出在DC 24 V保持通電時，電磁鐵的功率僅為6.24 W。

低功耗既節(jié)能，又減小了電磁鎖啟動瞬間對供電系統(tǒng)的沖擊，使得供電系統(tǒng)的壽命得以延長，且不會造成由瞬間壓降過大而引起的動作同步性降低。

圖2 電磁鎖通斷電瞬間的線圈電流變化

3 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 總體外觀設(shè)計

電磁鎖的外觀設(shè)計必須優(yōu)先考慮最大限度地發(fā)揮電磁鎖的功能，其次做到外形的精致、勻稱和美觀。設(shè)計過程中采用了建模軟件SolidWorks，通過對鎖體內(nèi)部空間的建模分析，得出電磁鎖的最小外部尺寸參數(shù)。這些參數(shù)將作為約束條件，影響電磁鎖的外形尺寸設(shè)計。目前地鐵使用的直軸型電磁鎖均將電磁鐵設(shè)計在鎖體內(nèi)部，這樣將不利于電磁鐵散熱，同時也壓縮了電磁鐵的尺寸，降低了電磁鐵的設(shè)計性能。如圖3所示，合理的電磁鎖外形設(shè)計應(yīng)將電磁鐵放在鎖體外部，并對鎖體進行整體美化設(shè)計。

圖3 電磁鎖外形設(shè)計

3.2 傳動機構(gòu)與動作檢測裝置

電磁鎖傳動機構(gòu)的作用是將電磁鎖鎖舌與電磁鐵鐵心進行有效連接，使電磁鐵的鐵心可以帶動鎖舌進行吸合、釋放運動。電磁鐵的動作檢測裝置安裝在傳動機構(gòu)上，因此，動作檢測裝置的設(shè)計與傳動裝置的設(shè)計是息息相關(guān)的。

3.2.1 傳動機構(gòu)

電磁鐵工作時，鐵心不能承受側(cè)向沖擊力。因為側(cè)向沖擊力會極大地增加電磁鐵鐵心與內(nèi)壁間的摩擦力，造成鐵心與內(nèi)壁的磨損，降低壽命。同時，由于鐵心的偏心作用，內(nèi)部氣隙的均勻程度也會發(fā)生改變，從而顯著減小電磁鐵的吸合力，甚至引發(fā)卡殼。若鎖舌與電磁鐵鐵心直接相連，那么由于杠桿作用，鎖舌上發(fā)生的極小側(cè)向位移都將導(dǎo)致電磁鐵鐵心發(fā)生較大的側(cè)向位移。所以，傳動機構(gòu)必須能夠緩解甚至消除鎖舌側(cè)向受力對電磁鐵鐵心的影響。圖4所示的傳動機構(gòu)可以很好地解決側(cè)向沖擊的問題。在電磁鐵鐵心上部留一個凹槽，使得鎖舌下部可以在該凹槽內(nèi)自由活動，這樣就可以使鎖舌上端的徑向位移變化在這個凹槽內(nèi)得到消除，不會傳導(dǎo)到電磁鐵鐵心上。

3.2.2 動作檢測裝置

現(xiàn)有電磁鎖的動作感應(yīng)裝置主要由微動開關(guān)和光電開關(guān)兩種。主流的做法是將傳感器安裝在鎖體內(nèi)壁上，在傳動桿上安裝一個伸出的觸片，通過感應(yīng)這個觸片的動作來實現(xiàn)對鎖舌動作的檢測。然而，該方式需要在電磁鐵鐵心上加裝限位防轉(zhuǎn)動裝置，這將增大鐵心與電磁鐵內(nèi)部襯套之間的摩擦，甚至會頻繁引發(fā)卡殼。合理的優(yōu)化措施是將觸片換為360°的環(huán)狀擋片(見圖4)，并且采用雙側(cè)微動開關(guān)設(shè)計，這樣就不用加裝鐵心防轉(zhuǎn)動裝置。

圖4 電磁鎖傳動機構(gòu)爆炸圖

4 結(jié)語

本文對已有電磁鎖的不足進行了分析，并有針對性地進行了全新的設(shè)計。在機械結(jié)構(gòu)上，采用了全新的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計和感應(yīng)裝置設(shè)計;在電氣設(shè)計方面，針對安全門系統(tǒng)的需要重新設(shè)計了電磁鐵。經(jīng)過累計近1000萬次動作試驗，得到了大量數(shù)據(jù)。在分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行理論分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比。結(jié)果表明，全新設(shè)計的電磁鎖在傳動、狀態(tài)檢測和電磁鐵性能方面都實現(xiàn)了優(yōu)化配置，解決了誤報頻率高、鎖舌容易卡死等問題，增強了電磁鐵的動力性能并降低了20%的功耗，使電磁鎖整體上達到了理想的設(shè)計要求。但直軸式電磁鎖在防水防塵方面還存在一定的不足，需要進一步改進。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］CJ/T 236—2006城市軌道交通站臺屏蔽門［S］.

［3］夏美霞，鄧協(xié)和，孫斌，等.安全門的噪聲及其測試方法的研究——對標準CJ/T 236—2006有關(guān)條文的修改建議［J］.城市軌道交通研究，2011(8):13.

［4］陳海輝，胡躍明，熊建明.地鐵安全門的直流驅(qū)動電源設(shè)計［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2002，30(5):50.

［5］賈起民，鄭永令，陳暨耀.電磁學［M］.3版.北京:高等教育出版社，2010.

［6］李國慶，張春生.城市軌道交通發(fā)展中的安全門創(chuàng)新［J］.都市快軌交通，2007，20(5):81.

［7］吳明暉.地鐵站臺屏蔽門系統(tǒng)隱患分析及改進研究［J］.城市軌道交通研究，2011(5):55.