大型懸掛式電動(dòng)推拉門的設(shè)計(jì)研究

□ 倪國春 □ 崔 港

中船江南重工股份有限公司 上海 200023

大型懸掛式電動(dòng)推拉門主要用于封閉式廠房或倉庫，如飛機(jī)機(jī)庫、機(jī)械工業(yè)封閉式車間、大型倉庫等。隨著國內(nèi)航空、航天、造船工業(yè)的發(fā)展，封閉式廠房由于在作業(yè)條件、管理、防盜等方面具有的優(yōu)越性，其大門的設(shè)計(jì)日益受到重視，門體尺寸也越來越大，例如飛艇庫的大門尺寸甚至達(dá)到100 m×100 m。目前大多數(shù)封閉式廠房大門采用電力驅(qū)動(dòng)方式啟閉，從門的開啟方式上有推拉式、提升式、旋轉(zhuǎn)開啟式等（見表1）。

表1 電動(dòng)推拉門的各種開啟方式

筆者以9 m×25 m（寬×高）封閉式廠房外大門設(shè)計(jì)為例，從門體結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)和電氣控制方面介紹了電動(dòng)推拉門的設(shè)計(jì)方案，為類似的廠房大門的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)，提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)方案

按照要求，廠房采用密封門，名義尺寸為 9 m×25 m（寬×高），開合行程為9.3 m，開合速度為0.005～0.12 m/s。門體要求有較高的抗風(fēng)能力，風(fēng)速15 m/s以內(nèi)可以啟閉，關(guān)閉時(shí)最大抗風(fēng)能力41 m/s。重型設(shè)備在進(jìn)出廠房時(shí)不得有振動(dòng)，門洞范圍地面不得設(shè)置軌道。

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)方案選用懸掛式電動(dòng)推拉門。推拉門剛性大，再經(jīng)過合理地布置抗風(fēng)插銷，可以滿足抗風(fēng)能力，采用懸掛式軌道可以保證車輛進(jìn)出地面平整。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用鏈輪、鏈條傳動(dòng)方案，變頻調(diào)速電機(jī)控制，可以很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

2 門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于門體骨架構(gòu)造、門體密封構(gòu)造和抗風(fēng)插銷。門體骨架要有足夠剛度，能夠滿足推拉時(shí)的自身穩(wěn)定和抵抗風(fēng)荷載能力。門體密封構(gòu)造要能防止風(fēng)沙、雨水侵入廠房，提供防護(hù)能力。

2.1 門體骨架

門體在使用過程中，除框架本體穩(wěn)定性之外，主要承受風(fēng)荷載，基于此考慮，門體形式采用平面框架，如圖1所示?？蚣苌蠙M梁為箱型截面，使桿件X、Y方向的慣性矩值都較大，以確保桿件兩個(gè)方向的抗彎能力都得到滿足。框架下橫梁采用臥式放置的H型鋼，除提供單向抗彎，還要與底部的導(dǎo)向裝置匹配，在門體啟閉過程中保持正確導(dǎo)向?？蚣芷溆喔箺U和弦桿均采用H型鋼；交叉支撐采用圓管，形成框架體?？蚣苌蠙M梁設(shè)5組承重輪和6組導(dǎo)向輪（抗風(fēng)輪），兩側(cè)各設(shè)3組抗風(fēng)插銷，底部采用3組隱藏式導(dǎo)向輪。

圖1 門體骨架

門體骨架的計(jì)算采用3D3S軟件，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。計(jì)算設(shè)定了兩組基本工況（如圖2所示），圖2（a）為門體推拉狀態(tài)（風(fēng)速15 m/s以內(nèi)），邊界條件設(shè)為：考慮到結(jié)構(gòu)頂部至少有2組承重輪和2組導(dǎo)向輪會(huì)貼緊上軌道，可簡化成2個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)同時(shí)承受重力和側(cè)向力；考慮到門在移動(dòng)過程中的任何位置都至少有2個(gè)導(dǎo)向輪與導(dǎo)向槽接觸，按最危險(xiǎn)位置確定一端和中部2個(gè)導(dǎo)向承受側(cè)向力。圖2（b）為門體關(guān)閉狀態(tài)（極限風(fēng)速41 m/s），邊界條件設(shè)為：大門結(jié)構(gòu)在承受極限風(fēng)速情況下，大門門體會(huì)發(fā)生彈性變形，考慮到結(jié)構(gòu)頂部有5組承重輪和6組導(dǎo)向輪，在風(fēng)荷載作用下，均可以逐步貼緊上軌道，可簡化成5個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)同時(shí)承受重力和側(cè)向力。兩側(cè)6個(gè)插銷貼緊位于門側(cè)的導(dǎo)槽以承受側(cè)向力，底部3個(gè)導(dǎo)向輪也會(huì)貼緊大門底部導(dǎo)槽一側(cè)以承受側(cè)向力。通過3D3S軟件分析，這兩種基本工況的最大撓度變形均控制在1/400［1］，最大應(yīng)力比值均小于0.6，滿足規(guī)范要求。

圖2 門體骨架的兩種工況

門體結(jié)構(gòu)采用平面框架，桿件節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)度螺栓連接方式，為增加剛度，框架四周節(jié)點(diǎn)采用栓焊結(jié)合方式。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案使門體可以成套進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，制造、安裝均十分方便，為面層（例如保溫夾芯彩板或聚氨酯板）安裝提供了較大的空間。

2.2 門體密封

由于門體的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)以及對(duì)地面通道的特殊要求原因，門體的四面密封采用了不同的密封形式，包括頂部密封、側(cè)密封和底部密封3種，其中頂部密封和側(cè)密封為被動(dòng)式密封，底部密封為采用電動(dòng)推桿的主動(dòng)式密封。

2.2.1 頂部密封

如圖3所示，密封板沿門體上橫梁設(shè)置，左端通過螺栓安裝在門框埋件上，右端與門體上的通長異型密封條形成密封構(gòu)造，在門體完全關(guān)閉時(shí)，形成頂部完全密封。

圖3 頂部密封

這種密封形式構(gòu)造簡潔，密封效果好，便于安裝和維護(hù)，缺點(diǎn)在于對(duì)密封板的平面加工精度要求高，異型密封條的磨損較大，這可以通過定期調(diào)整密封條位置或更換密封條加以解決。

2.2.2 側(cè)密封

如圖4所示，密封件沿門體縱向通長布置，左端固定在密封件支架上，右端通過與門體擠壓形成密封構(gòu)造。在門體完全關(guān)閉時(shí)，門體與密封件擠壓接觸，壓縮量通過行程限位控制在20 mm左右，以形成良好的擠壓密封。

圖4 側(cè)密封

這種密封形式是典型的被動(dòng)式密封，方式易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高。也有采用主動(dòng)式密封形式，即采用電力推桿或液壓推桿將密封件推動(dòng)到密封位置，密封效果好，如底部密封形式。但主動(dòng)式密封在密封長度長的情況下較難實(shí)現(xiàn)，為確保同時(shí)密封，將增加推桿數(shù)量，即使采用機(jī)械連桿，也因存在連桿裝配累積誤差而產(chǎn)生密封效果不佳的問題。

2.2.3 底部密封

如圖5所示，門體的底部密封采用電動(dòng)推桿系統(tǒng)，電動(dòng)推桿系統(tǒng)與門體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電氣上進(jìn)行互鎖，在門體完全關(guān)閉后，電動(dòng)推桿系統(tǒng)才能工作。這時(shí)，推桿系統(tǒng)推動(dòng)密封件壓向地面，與地面擠壓接觸形成密封構(gòu)造。密封件擠壓接觸地面，壓縮量通過行程限位控制在20 mm左右，以形成良好的擠壓密封。門體開啟時(shí)，電動(dòng)推桿先回抽解除密封，回抽到位后，門體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才能開始工作，帶動(dòng)門體平移推拉。

圖5 底部密封

2.3 抗風(fēng)插銷

由于門體高度過高，為防止關(guān)門時(shí)風(fēng)荷載導(dǎo)致門體變形過大而損壞，在門體內(nèi)3檔弦桿位置設(shè)置了抗風(fēng)插銷。插銷頭部設(shè)置滾輪，門體一側(cè)設(shè)置喇叭口導(dǎo)槽，以確保門體在風(fēng)吹變形時(shí)仍能沿導(dǎo)槽正確與插銷裝置配合。

3 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式和門體運(yùn)動(dòng)方式，本案中設(shè)計(jì)采用鏈輪、鏈條驅(qū)動(dòng)方式，門體通過承重輪和導(dǎo)向輪吊掛在懸掛軌道上平移，門體底部采用可伸縮式的導(dǎo)向件，實(shí)現(xiàn)平移過程中的導(dǎo)向。

3.1 懸掛軌道

如圖6所示，懸掛軌道作為門體的承重件和導(dǎo)向件，常采用工字鋼。一方面熱軋型鋼尺寸精度較高，使用成本低，另一方面工字鋼翼緣板內(nèi)側(cè)有自然坡度，可以為走輪提供導(dǎo)向作用，這也是工字鋼常用于小型起重機(jī)軌道的原因。在本案中，考慮到軌道需要承載門體全部重量，還要承載風(fēng)荷載側(cè)向力，工字鋼無法滿足要求，故采用焊接H型鋼構(gòu)造，通過軌道壓板和壓板螺栓固定在挑梁下端。在門體整體強(qiáng)度計(jì)算通過后，根據(jù)支點(diǎn)反力驗(yàn)算軌道腹板的拉應(yīng)力和腹板根部的彎曲應(yīng)力。經(jīng)過受力分析，焊接H型鋼軌道可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 承重輪和導(dǎo)向輪

為確保走輪行走平穩(wěn)，門體上橫梁設(shè)置了5組承重輪和6組導(dǎo)向輪，以增加門體承載點(diǎn)，提高抗彎曲變形和抗風(fēng)荷載側(cè)向變形能力。圖7為承重輪結(jié)構(gòu)，包括走輪、深溝球軸承、固定軸和輪架等裝配總成。軌道踏面為焊接H型鋼翼緣板內(nèi)側(cè)，經(jīng)過機(jī)加工保證平面度。

圖8為導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)圖，包括導(dǎo)向輪、深溝球軸承、固定軸和輪架等裝配總成。導(dǎo)向輪除導(dǎo)向功能外，還要承載側(cè)向風(fēng)力。導(dǎo)向輪與焊接H型鋼腹板之間保留1～3 mm間隙，保證導(dǎo)向輪在軌道全程順利通行，減少導(dǎo)向輪與焊接H型鋼腹板由于制造、裝配累積誤差而引起的附加擠壓應(yīng)力。

3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

如圖9所示，本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是鏈輪、鏈條的傳動(dòng)方案。鏈條用螺栓固定在焊接H型鋼軌道下翼緣的底部，鏈輪與驅(qū)動(dòng)軸之間采用平鍵連接傳動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)與鏈條嚙合實(shí)現(xiàn)水平驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪架上設(shè)置4組驅(qū)動(dòng)走輪，走輪軌道面與承重輪相同。為防止驅(qū)動(dòng)輪架在行走過程中產(chǎn)生跳動(dòng)或跑偏，設(shè)置了4組防脫靠輪。驅(qū)動(dòng)輪架上裝配大滾輪，與門體結(jié)構(gòu)上的大滾輪架配合，推動(dòng)門體水平移動(dòng)。大滾輪設(shè)計(jì)成可以水平旋轉(zhuǎn)，可以抵消大滾輪與門體大滾輪架相互作用時(shí)產(chǎn)生的切向力。

圖9 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

減速電機(jī)的計(jì)算和選用參照了《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行電機(jī)、減速器的計(jì)算和選型。根據(jù)門體的運(yùn)行情況，選定機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M4［2］，按照已知條件，根據(jù)手冊(cè)計(jì)算選定帶制動(dòng)器的三相異步變頻電機(jī)。為確保使用安全，減速器的服務(wù)系數(shù)FB要求1.0［3］以上。減速電機(jī)輸出端設(shè)計(jì)成空軸套形式，與驅(qū)動(dòng)軸采用平鍵傳動(dòng)，以便于將來驅(qū)動(dòng)軸和減速電機(jī)的維修更換。機(jī)座采用扭矩臂形式與驅(qū)動(dòng)輪架連接，可以節(jié)省空間。

這種驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)比較緊湊，適合應(yīng)用在有美觀要求或者空間有限的場(chǎng)合。鏈輪鏈條傳動(dòng)較為精確，傳動(dòng)效率也高。缺點(diǎn)在于裝配精度要求高，驅(qū)動(dòng)時(shí)有少許噪聲。也有采用鋼絲繩傳動(dòng)方案的，可靠性高、噪聲小，但是占用空間大，傳動(dòng)精確性相對(duì)低一些。

3.4 伸縮式下導(dǎo)向件

廠房在功能設(shè)計(jì)時(shí)，要求重型設(shè)備在進(jìn)出廠房時(shí)不得有振動(dòng)，門洞范圍內(nèi)不能有任何障礙物，因此地面導(dǎo)軌和固定導(dǎo)向器均不能使用。對(duì)此，專門設(shè)計(jì)了可伸縮式導(dǎo)向器，該裝置在關(guān)門時(shí)升出地面，滿足導(dǎo)向和關(guān)門后承受側(cè)向力，在門開敞時(shí)縮回地面以下，保證門洞范圍內(nèi)滿足功能設(shè)計(jì)對(duì)地面平坦無障礙物的要求。

這種下導(dǎo)向件（如圖10所示）通過人力踩壓實(shí)現(xiàn)伸縮，其機(jī)械組成包括導(dǎo)向輪、導(dǎo)向軸、異型齒嚙合機(jī)構(gòu)、反力彈簧、機(jī)架等。導(dǎo)向輪可水平轉(zhuǎn)動(dòng)，與門體下橫梁的導(dǎo)槽通過滾動(dòng)接觸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能。為防止雨水侵蝕，除了在機(jī)械上考慮必要的密封措施外，機(jī)架本體進(jìn)行鍍鋅處理，內(nèi)部零件采用抗腐蝕的不銹鋼材質(zhì)制作。在基坑中還設(shè)置了排水管，可以避免下導(dǎo)向件的浸泡腐蝕。

圖10 下導(dǎo)向件結(jié)構(gòu)

4 電氣控制設(shè)計(jì)

電氣控制設(shè)計(jì)首先要確保安全運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮功能滿足、操作簡單、便于維護(hù)等。設(shè)計(jì)上采用了變頻調(diào)速電機(jī)，可調(diào)速控制門體運(yùn)行速度。采用PLC控制電路，簡化了系統(tǒng)線路。按鈕、指示燈和行程開關(guān)均采用24V低壓電路，保證了安全性。

系統(tǒng)供電電源380 V，頻率50 Hz。大門驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻調(diào)速控制，設(shè)減速和停止兩檔限位開關(guān)定位。兩套電動(dòng)推桿采用直通定速控制，同時(shí)推拉，各設(shè)推拉限位開關(guān)。大門與推桿具有運(yùn)動(dòng)互鎖關(guān)系，控制上采用機(jī)械互鎖方式：大門關(guān)到位，推桿推上；推桿拉到位，大門打開?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制單元，包括CPU和擴(kuò)展I/O模塊，以簡化中間繼電器及復(fù)雜的接線電路。PLC控制單元、中間繼電器、限位開關(guān)和指示燈均采用直流24V供電。

控制系統(tǒng)采用就近操作方式，可以通過控制柜門上的操作按鈕分別對(duì)大門和電動(dòng)推桿進(jìn)行操作。為便于操作和觀察設(shè)有指示燈，用于顯示大門和推桿的運(yùn)行狀態(tài)。

控制柜到門體驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主電纜和信號(hào)纜采用履帶式拖鏈方式供電，既小巧靈活，又便于保養(yǎng)維護(hù)。

控制柜中變頻器不僅可以驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)大門的緩起緩?fù)?，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流、過載、過熱、缺相等保護(hù)。PLC單元根據(jù)開關(guān)量的輸入輸出實(shí)現(xiàn)功能控制，擴(kuò)展I/O模塊預(yù)留有一定數(shù)量的端口，可以按業(yè)主要求進(jìn)行功能擴(kuò)充，例如增加聲光報(bào)警、防撞激光簾等安全功能。

大門采用多重限位保護(hù)，大門設(shè)置有開門到位限位、開門減速限位、關(guān)門到位限位、關(guān)門減速限位。兩個(gè)推桿控制分別有推進(jìn)、收回行程限位。控制系統(tǒng)具有故障顯示功能，包括變頻器故障、行程故障、故障急停，能夠提示用戶操作和維護(hù)。

5 結(jié)束語

本文較為詳細(xì)地介紹了懸掛式電動(dòng)推拉門的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方案，并對(duì)方案中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，通過優(yōu)缺點(diǎn)分析以及對(duì)比其它設(shè)計(jì)方案，為類似廠房大門的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)，提供借鑒。

［1］ 中華人民共和國建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.GB50017-2003.

［2］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.GB/T 3811-2008.

［3］ 德國SEW公司.K系列_斜齒輪-傘齒輪減速電機(jī)選型手冊(cè)［Z］.2009.