地鐵出入口防淹門設(shè)計(jì)

李虎，張康，劉浩，楊傳良

（1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250000；2.青島泰科軌道車輛科技有限公司，山東 青島266000）

地鐵是現(xiàn)代化城市交通系統(tǒng)的重要組成部分。我國南方大部分地區(qū)及北方小部分地區(qū)的夏季氣候受熱帶和亞熱帶氣團(tuán)控制，降水集中且發(fā)生時(shí)間較短，往往在4～5 h內(nèi)產(chǎn)生洪峰，留予地鐵防洪準(zhǔn)備的時(shí)間少，導(dǎo)致地鐵站出現(xiàn)水淹危害。地鐵防洪作為確保地鐵安全運(yùn)營的措施，應(yīng)作為地鐵設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營管理的重點(diǎn)之一[1-4]。地鐵出入口是車站防淹的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在運(yùn)營階段雖然有天氣預(yù)警，但為了方便乘客，往往不能提前封堵車站的出入口，險(xiǎn)情來臨之際，出入口的封堵量比較大、封堵措施便捷度不高，極易造成水淹出入口。地鐵出入口防淹門是防止地鐵站水淹的有效措施。該系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成，在不影響地鐵出入口美觀的同時(shí)兼具可靠度高、反應(yīng)速度快、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，在我國上海、廣州、武漢等城市的地鐵工程中，設(shè)置防淹門系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例較多[3]。

1 地鐵出入口防淹門設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防淹門機(jī)械部分主要由閘門、液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備、鎖定裝置及密封系統(tǒng)等部件組成。

常見防淹門的閘門結(jié)構(gòu)形式可分為平開式和垂直式兩種[5-6]。平開式閘門分為一扇門（一字門）和兩扇門（人字門）兩種結(jié)構(gòu)，閘門啟閉采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)或螺桿傳動(dòng)繞門軸旋轉(zhuǎn)的形式，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受地鐵站臺(tái)高度限制，缺點(diǎn)是工程造價(jià)高、門體重、密封性差。垂直式閘門（又叫升降式閘門）門體為單扇，采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制門體升降，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單可靠、工程造價(jià)低、密封性好，缺點(diǎn)是閘門上方需要較大空間。

基于防淹門成本及密封性能等需求，并為了解決垂直式防淹門對(duì)空間的適應(yīng)性問題，本文設(shè)計(jì)了一種地鐵出入口垂直式防淹門，其機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。由圖1知，該防淹門基體置于地面以下，避免了傳統(tǒng)防淹門占用地鐵站臺(tái)上部空間的問題。閘門外殼結(jié)構(gòu)采用SUS304不銹鋼，內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)采用Q235鋼，Q235鋼框架表面進(jìn)行磷化鍍鋅處理，防止液體銹蝕。閘門與防淹門地面設(shè)施之間采用密封膠條密封，防止防淹門門框內(nèi)部滲水。

圖1 防淹門機(jī)械系統(tǒng)

液壓?jiǎn)㈤]裝置具有具有反應(yīng)快、功率重量比小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[7]。液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備為液壓油缸、電機(jī)、活塞桿、電磁閥及電控元件組成的電液私服系統(tǒng)，該系統(tǒng)電機(jī)額定功率為2.2 kW，液壓泵系統(tǒng)流量13 L/min，額定壓力80 bar。電機(jī)輸出機(jī)械能通過液壓泵轉(zhuǎn)化成液壓油的壓力能，液壓油經(jīng)過液壓管道、液壓閥進(jìn)入液壓缸，通過液壓缸活塞桿的伸縮驅(qū)動(dòng)閘門啟閉、鎖定、松開等動(dòng)作。防淹門液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)配置了三個(gè)液壓油缸，升降油缸作用于活塞桿上的力可控制閘門在閘門導(dǎo)軌范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)鎖緊油缸分別控制防淹門的橫向和縱向鎖緊及松開動(dòng)作。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防淹門控制系統(tǒng)由水位監(jiān)視系統(tǒng)、主控制箱、控制手柄、觸摸屏、可編程控制器（PLC）以及傳感器等元件組成。PLC是防淹門動(dòng)作控制的核心技術(shù)，該技術(shù)以其可靠性、靈活性在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[8]。

地鐵防淹門的監(jiān)視系統(tǒng)負(fù)責(zé)地鐵出入口水淹險(xiǎn)情的預(yù)警工作，該系統(tǒng)由中央監(jiān)視系統(tǒng)、站臺(tái)控制室和地鐵出入口現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)監(jiān)視系統(tǒng)組成。地鐵中央監(jiān)視系統(tǒng)、站臺(tái)控制室與地鐵站出入口的水位探測(cè)器相連，水位探測(cè)器發(fā)現(xiàn)地鐵出入口存在進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，將信號(hào)同時(shí)傳輸至三級(jí)監(jiān)視系統(tǒng)的報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)中央、車站和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地鐵水淹風(fēng)險(xiǎn)的同步監(jiān)視，如圖2所示。中央監(jiān)視系統(tǒng)、站臺(tái)控制室可實(shí)時(shí)顯示水位、門體狀態(tài)（啟門、閉門）等信息，并監(jiān)測(cè)防淹門系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

圖2 防淹門監(jiān)視系統(tǒng)組成

防淹門設(shè)置站臺(tái)控制室和地鐵出入口現(xiàn)場(chǎng)二級(jí)控制系統(tǒng)，地鐵站臺(tái)控制室和地鐵出入口均可實(shí)現(xiàn)防淹門啟閉控制。防淹門控制系統(tǒng)如圖3所示，可知，當(dāng)?shù)罔F出入口存在水淹風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，站臺(tái)控制中心可通過觸摸屏直接向防淹門主控制箱內(nèi)的PLC發(fā)送啟閉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)防淹門的啟閉功能。地鐵出入口現(xiàn)場(chǎng)可通過控制手柄啟閉防淹門。

圖3 防淹門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控制箱發(fā)出上升信號(hào)時(shí)，油泵鎖緊油缸卸載，升降油缸啟動(dòng)，升降閥組控制閘門上升，位移傳感器檢測(cè)閘門的位置，閘門上升到設(shè)定位置后停止上升。主控制箱發(fā)出鎖緊信號(hào)時(shí)，油泵鎖緊油缸啟動(dòng)，橫向壓緊閥組、豎向壓緊閥組執(zhí)行壓緊動(dòng)作，壓緊力傳感器到達(dá)預(yù)設(shè)壓緊力時(shí)，油泵鎖緊油缸關(guān)閉，防淹門系統(tǒng)上升動(dòng)作完成。反之，主控制箱收到下降信號(hào)時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)控制閘門松開及下降，下降到設(shè)定位置后鎖定閘門，完成防淹門下降動(dòng)作。此外，防淹門系統(tǒng)設(shè)置了極限位置傳感器，位置傳感器置于防淹門閘門導(dǎo)軌內(nèi)部，可根據(jù)實(shí)際需要固定位置傳感器的位置，當(dāng)位置傳感器探測(cè)到閘門處于極限位置時(shí)，限位報(bào)警裝置啟動(dòng)。

控制手柄和觸摸屏的功能基本相似，均可以實(shí)現(xiàn)防淹門的升降及鎖定控制。區(qū)別是控制手柄有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式，兩種模式通過轉(zhuǎn)換旋鈕切換，而觸摸屏僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制?？刂剖直氖謩?dòng)模式僅用于防淹門PLC控制系統(tǒng)單體調(diào)試過程。防淹門使用過程中，控制手柄、觸摸屏處于自動(dòng)模式，需要開啟或關(guān)閉防淹門時(shí)，直接點(diǎn)擊上升或下降開關(guān)，防淹門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉?？刂剖直O(shè)有緊急制動(dòng)開關(guān)，觸摸屏設(shè)有緊急制動(dòng)按鈕，緊急狀態(tài)下可隨時(shí)停止防淹門的任意動(dòng)作。

防淹門安裝時(shí)，預(yù)先對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，編程內(nèi)容包括防淹門的急停、上升、下降、鎖定、限位等程序。防淹門PLC控制系統(tǒng)主要包括單體調(diào)試和綜合聯(lián)調(diào)兩種工作模式，單體調(diào)試時(shí)需使用控制手柄的手動(dòng)模式，綜合聯(lián)調(diào)可通過控制手柄或觸摸屏的自動(dòng)模式完成。單體調(diào)試模式主要用于檢修和調(diào)試，綜合聯(lián)調(diào)模式是在系統(tǒng)平時(shí)運(yùn)行時(shí)使用。PLC的工作原理的程序框圖如圖4所示。

圖4 防淹門PLC原理程序框圖

單體調(diào)試時(shí)，通過控制手柄切換至手動(dòng)模式?？刂剖直刂埔簤河捅玫膯?dòng)、停止動(dòng)作，此時(shí)地鐵站臺(tái)控制室防淹門控制系統(tǒng)觸摸屏處于鎖定狀態(tài)。防淹門升降單體調(diào)試過程為：控制手柄發(fā)出上升信號(hào)，液壓升降油缸驅(qū)動(dòng)閘門上升，到達(dá)預(yù)定位置后停止，反之，控制手柄發(fā)出下降信號(hào)，液壓系統(tǒng)卸載，到達(dá)預(yù)定位置后停止。防淹門系統(tǒng)中閘門的橫向及縱向鎖緊單體調(diào)試原理相同，防淹門鎖緊單體調(diào)試過程為：控制手柄發(fā)出鎖緊壓緊信號(hào)，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鎖定裝置，到達(dá)設(shè)定壓力后停止，反之，控制手柄發(fā)出鎖緊松開信號(hào)，液壓系統(tǒng)卸載，到達(dá)設(shè)定壓力后停止。

綜合聯(lián)調(diào)時(shí)，通過控制手柄切換至自動(dòng)模式?？刂剖直蛘哂|摸屏點(diǎn)擊上升按鈕，PLC控制程序檢測(cè)橫向鎖緊和豎向鎖緊是否松開到位，如果松到位則執(zhí)行閘門上升動(dòng)作，如果鎖緊裝置未松開，先將鎖緊裝置松開到位，再執(zhí)行閘門上升動(dòng)作。閘門上升過程中松開控制手柄按鈕或到達(dá)閘門上限位置，系統(tǒng)自動(dòng)停止執(zhí)行閘門上升動(dòng)作，啟動(dòng)橫向鎖緊和豎向鎖緊，到達(dá)壓力設(shè)定值后鎖緊停止?？刂剖直蛴|摸屏點(diǎn)擊下降按鈕，PLC控制程序檢測(cè)橫向鎖緊和豎向鎖緊是否松開到位，如果松開到位則執(zhí)行閘門下降動(dòng)作，如果鎖緊裝置未松開，先將鎖緊裝置松開到位，再執(zhí)行閘門下降動(dòng)作，閘門下降高度滿足鎖緊條件時(shí)，啟動(dòng)橫向鎖緊和豎向鎖緊，到達(dá)壓力設(shè)定值后鎖緊停止。

2 仿真試驗(yàn)

根據(jù)防淹門的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，閘門外殼結(jié)構(gòu)采用SUS304不銹鋼，內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)采用Q235鋼，外殼結(jié)構(gòu)厚度及強(qiáng)度遠(yuǎn)低于內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用過程中，閘門外殼失效則防淹門系統(tǒng)破壞，因此，仿真計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)化仿真對(duì)象為SUS304不銹鋼材質(zhì)。對(duì)防淹門模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，主要分析在靜態(tài)水壓工況和動(dòng)態(tài)水壓工況下防淹門結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度是否滿足要求。

2.1 有限元模型

針對(duì)防淹門設(shè)計(jì)的幾何模型進(jìn)行有限元分析，如圖5所示。

SUS304不銹鋼材料的力學(xué)性能如表1所示。由材料密度及體積求得防淹門總質(zhì)量為1288 kg，通過底部與兩側(cè)的8個(gè)凸臺(tái)固定。有限元模型按圖5（a）所示坐標(biāo)系設(shè)定方向：X、Z為軸平行于防淹門的迎水面；Y為軸垂直于防淹門的迎水面。

表1 有限元分析采用的SUS304材料屬性

2.2 仿真過程

前處理軟件、求解器和后處理軟件分別為HYPERMESH、OPTISTRUCT及HYPERVIEW。為便于有限元分析，對(duì)原模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。有限元模型采用二維殼單元，主體結(jié)構(gòu)的單元平均尺寸為10 mm。假設(shè)防淹門材料均勻一致、線彈性不變，不考慮溫度影響。

采用HYPERMESH對(duì)防淹門結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要采用殼單元模擬主體板殼結(jié)構(gòu)，整個(gè)模型包括225628個(gè)單元、228884個(gè)節(jié)點(diǎn)。詳細(xì)有限元結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖5（b）所示，模型中的焊接結(jié)構(gòu)采用剛性單元模擬連接。根據(jù)防淹門運(yùn)行過程中的實(shí)際情況約束防淹門安裝處的所有自由度，如圖5（c）所示。

圖5 防淹門仿真計(jì)算過程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，計(jì)算兩種靜強(qiáng)度載荷工況。工況1是靜態(tài)水壓工況，水深1 m、寬6 m。工況2是水流速為4 m/s的動(dòng)態(tài)水壓工況，根據(jù)伯努力原理計(jì)算出迎水面承載8 kPa的水壓。具體如表2所示。

通過有限元分析得到各工況下產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，防淹門結(jié)構(gòu)中使用的均為塑性材料，本次有限元結(jié)構(gòu)分析中，防淹門的安全系數(shù)為2，則材料的許用應(yīng)力如表3所示。

表3 SUS304材料許用強(qiáng)度

選取第四強(qiáng)度理論進(jìn)行評(píng)估，有：

式中：σequivalent為等效應(yīng)力（von Mises stress），MPa；iσ為三個(gè)方向的主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)結(jié)構(gòu)中所使用材料的屈服強(qiáng)度，得：

式中：UF為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度利用系數(shù)；σallowable為材料許用強(qiáng)度，MPa。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)母材靜強(qiáng)度評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)防淹門結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，要求UF≤1.0。

由表4、圖6、圖7可以看出，兩種工況下，SUS304材料的最大靜強(qiáng)度利用系數(shù)都小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.0，滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的要求。

圖6 工況1下SUS304防淹門仿真計(jì)算云圖

圖7 工況2下SUS304防淹門仿真計(jì)算云圖

表4 SUS304防淹門靜強(qiáng)度工況下母材強(qiáng)度結(jié)果匯總表

3 防淹門試驗(yàn)

防淹門系統(tǒng)必須通過單體調(diào)試和綜合聯(lián)調(diào)以驗(yàn)證其控制功能、監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9-10]。為了驗(yàn)證地鐵出入口防淹門的制造質(zhì)量和技術(shù)性能是否符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了防淹門動(dòng)作順序試驗(yàn)和防淹門密封試驗(yàn)。

3.1 動(dòng)作順序試驗(yàn)

根據(jù)操作流程，對(duì)防淹門動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試，如圖8所示。測(cè)試內(nèi)容包括：升降動(dòng)作，即防淹門是否能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成升降動(dòng)作，往復(fù)測(cè)試10次以上，動(dòng)作完成正常，無異常報(bào)警；鎖緊動(dòng)作，門體升降過程中，在任意位置停車后，門體自動(dòng)鎖緊，負(fù)載測(cè)試無松動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：此項(xiàng)目設(shè)計(jì)的防淹門啟閉裝置動(dòng)作靈敏、無噪聲、無卡頓，重復(fù)啟閉穩(wěn)定性優(yōu)良。

圖8 防淹門動(dòng)作順序試驗(yàn)

3.2 密封試驗(yàn)

為檢驗(yàn)防淹門的防水性能，展開密封試驗(yàn)。將防淹門升起后鎖緊，蓄水槽加注水800 mm后，進(jìn)行靜載水密試驗(yàn)，檢測(cè)防淹門泄漏情況，如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，此項(xiàng)目設(shè)計(jì)的防淹門在設(shè)計(jì)水頭壓力下，保壓30 min，漏水量小于0.25 m/min。蓄水槽加水后，進(jìn)行24 h密封試驗(yàn)，在未考慮水體自然蒸發(fā)的情況下，24 h水位下降不超過10 mm，泄漏量小于0.011 m3/h。因此，所設(shè)計(jì)的地鐵防淹門密封性能良好，可以有效避免地鐵水淹風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 防淹門密封試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了地鐵出入口垂直式防淹門，該防淹門主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。防淹門機(jī)械系統(tǒng)由閘門、液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備、鎖定裝置及密封系統(tǒng)構(gòu)成，控制系統(tǒng)由水位監(jiān)視系統(tǒng)、主控制箱、控制手柄、觸摸屏、PLC以及傳感器等元件組成。

（2）對(duì)地鐵防淹門模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明防淹門在靜態(tài)水壓工況和動(dòng)態(tài)水壓工況下的結(jié)構(gòu)最大靜強(qiáng)度利用系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求。

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證地鐵出入口防淹門的機(jī)械性能可靠，密封性能優(yōu)良，符合設(shè)計(jì)要求，可以有效避免地鐵水淹風(fēng)險(xiǎn)。