地鐵屏蔽門電機(jī)功率需求計(jì)算①

黃育良

摘 要：地鐵屏蔽門作為站臺(tái)側(cè)和軌道側(cè)的氣密性隔斷工具。因此其正常運(yùn)行狀況下，必然會(huì)受到軌道側(cè)和站臺(tái)側(cè)風(fēng)壓壓差的影響。目前，部分城市的屏蔽門系統(tǒng)出現(xiàn)因?yàn)轱L(fēng)壓過大而出現(xiàn)遇障停止，然后二次關(guān)門的情況，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)延誤。屏蔽門電機(jī)功率選取是否恰當(dāng)，這個(gè)問題受到越來越多業(yè)主的關(guān)注。該文將根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算屏蔽門電機(jī)在風(fēng)壓情況下的功率需求。

關(guān)鍵詞：屏蔽門 ?風(fēng)壓 ?電機(jī) ?荷載

中圖分類號(hào)：TP27 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（c）-0068-02

1 背景說明

1.1 現(xiàn)狀說明

我國(guó)城市軌道交通項(xiàng)目的建設(shè)正處于飛速發(fā)展時(shí)期，在新建線路及舊有線路的改造工程中，站臺(tái)屏蔽門的應(yīng)用日趨廣泛。地鐵站臺(tái)屏蔽門安裝在站臺(tái)邊緣，將站臺(tái)軌道區(qū)與候車區(qū)隔離（同時(shí)區(qū)間隧道與車站也完全隔離）。由于屏蔽門將隧道和站臺(tái)區(qū)域隔離，因此，門體會(huì)承受隧道和站臺(tái)壓差帶來的壓力。在屏蔽門運(yùn)動(dòng)過程中，除了考慮自身正常的摩擦阻力，還需要考慮風(fēng)壓帶來的額外阻力。其電機(jī)荷載會(huì)因?yàn)轱L(fēng)壓而增大。一般各車站的風(fēng)壓狀況是不一致的，即便同一車站，在不同季節(jié)因?yàn)轱L(fēng)機(jī)開啟大小不同，風(fēng)壓狀況也不一致。即便是同一車站的同一時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)機(jī)開啟功率相同，因?yàn)榱熊囘\(yùn)行狀況不同，風(fēng)壓也會(huì)有很大的差異。將風(fēng)壓影響準(zhǔn)確納入屏蔽門電機(jī)功率考慮，是屏蔽門行業(yè)的難題。

1.2 屏蔽門風(fēng)壓荷載數(shù)據(jù)分析

屏蔽門系統(tǒng)設(shè)置于地鐵站臺(tái)邊緣，在列車到達(dá)和出發(fā)時(shí)可自動(dòng)開啟和關(guān)閉。其功能門部分一般由固定門、滑動(dòng)門、應(yīng)急門及端門組成。屏蔽門承受外荷載主要有：（1）風(fēng)壓;（2）人群荷載;（3）沖擊荷載;（4）地震荷載。其中風(fēng)壓主要由列車活塞效應(yīng)和車站空調(diào)系統(tǒng)造成，一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)估計(jì)[1]，也有通過數(shù)值模擬分析確定。但不同工況下實(shí)際風(fēng)壓究竟多大，目前未見有相關(guān)文獻(xiàn)介紹。[2]因此，該論文基于目前的實(shí)際工程風(fēng)壓要求概況為基礎(chǔ)計(jì)算。

不同地鐵線路要求的屏蔽門風(fēng)壓不同，下圖是各地不同地鐵線路對(duì)屏蔽門風(fēng)壓荷載的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：

通過上述統(tǒng)計(jì)可以看出，目前屏蔽門最大風(fēng)壓荷載要求為2000 Pa。除了深圳三期工程外，其余大部分線路的風(fēng)壓要求均在1500 Pa以下。本文后面的計(jì)算中，將采用2000 Pa作為屏蔽門風(fēng)壓的假設(shè)值。

1.3 屏蔽門運(yùn)動(dòng)曲線分析

典型的屏蔽門運(yùn)動(dòng)曲線如圖2所示。

開門過程中，屏蔽門運(yùn)行曲線大致分為加速段，勻速段和減速段。其最大速度不大于0.5 m/s。

關(guān)門過程中，屏蔽門運(yùn)行曲線大致分為加速段，勻速段，減速段，低速段。在最大行程至最后100 mm這段行程中，最大速度不大于0.5 m/s，最后100 mm行程速度不大于0.15 m/s。

1.4 電機(jī)特性參數(shù)

目前行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的屏蔽門系統(tǒng)通常采用的直流無刷主電機(jī)參數(shù)如圖4所示。

電機(jī)型號(hào)采用BG65×75（110 V）額定扭矩為0.4 Nm，額定轉(zhuǎn)速為3200 rpm。

減速箱參數(shù)如下：

電機(jī)的減速箱采用型號(hào)為SG80K （1∶15），減速比為1∶15，效率為0.55。

2 功率需求計(jì)算

2.1 風(fēng)壓影響分析

風(fēng)壓對(duì)門體的影響跟門體關(guān)閉的面積有關(guān)。假設(shè)單扇活動(dòng)門門體面積為1 m×2.15 m。而由于打開部分的屏蔽門面積并不受風(fēng)壓影響。因此，風(fēng)壓的壓力與開度有關(guān)。

F為屏蔽門受到風(fēng)壓荷載力（N）;

p為軌道側(cè)與站臺(tái)側(cè)間風(fēng)壓（Pa）;

w為屏蔽門活動(dòng)門寬度（m）;

s為屏蔽門活動(dòng)門開度（m）;

h為屏蔽門活動(dòng)門高度（m）。

其中w=2 m，h=2.15 m，s=0～2 m。p=2000 Pa。

公式可以轉(zhuǎn)化為：

則可以得知開度越大門體受風(fēng)壓影響越小。把風(fēng)壓荷載轉(zhuǎn)化為對(duì)門的阻力。

f為屏蔽門因?yàn)轱L(fēng)壓荷載而增加的阻力（N）;

F為屏蔽門受到風(fēng)壓荷載力（N）;

μ為摩擦系數(shù);

2.2 速度曲線影響分析

由門體運(yùn)動(dòng)曲線可知，門體在開門過程中加速段，運(yùn)動(dòng)速度為0～Vmax;在勻速段，可以認(rèn)為門機(jī)的速度為Vmax;減速段為Vmax～0。

門體在關(guān)門過程中加速段，運(yùn)動(dòng)速度為0～Vmax;在勻速段，可以認(rèn)為門機(jī)的速度為Vmax;減速段為Vmax～Vmax100 mm。低速段速度為Vmax100 mm。

而根據(jù)1.3分析，Vmax可以假設(shè)等于0.5 m/s，Vmax100 mm可假設(shè)等于0.15 m/s。

此外，門機(jī)在加減速過程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力會(huì)受到加速度的影響。根據(jù)對(duì)速度曲線的分析計(jì)算，門機(jī)加速段的加速度不大于0.9 m/s2，門機(jī)減速段電機(jī)對(duì)門體施加反向作用力，電機(jī)輸出功率減小，該段對(duì)于計(jì)算電機(jī)最大功率參考意義不大。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單扇活動(dòng)門重量一般為65～80 kg，我們將以80 kg為假設(shè)值。則兩扇門按160 kg計(jì)算。

2.3 電機(jī)功率計(jì)算

根據(jù)能量守恒定律，電機(jī)輸出功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔诰S持門體運(yùn)動(dòng)瞬間所需功率。因此，電機(jī)輸出功率可以用如下公式計(jì)算：

P為電機(jī)輸出功率;

f為門機(jī)瞬間驅(qū)動(dòng)力（包括風(fēng)壓疊加阻力，正常阻力及加速力）;

v為門機(jī)瞬間速度。

其中：

;

f1為正常門機(jī)阻力;

f2為風(fēng)壓疊加阻力;endprint

f3為加速力。

門機(jī)在開門階段，風(fēng)壓得到排泄，因此，風(fēng)壓力在整個(gè)過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風(fēng)壓影響作用小于關(guān)門作用。而根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，一般門機(jī)只會(huì)在關(guān)門情況下受到風(fēng)壓影響產(chǎn)生二次關(guān)門的遇障情況，與理論假設(shè)吻合。因此，對(duì)于電機(jī)最大輸出功率的計(jì)算，我們只需考慮關(guān)門過程即可。

根據(jù)關(guān)門過程的運(yùn)動(dòng)特性：

根據(jù)門機(jī)重量及阻尼系數(shù)可推算出門機(jī)阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會(huì)小于800 mm，根據(jù)屏蔽門所用材料，查得摩擦系數(shù)為0.035。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計(jì)算，門機(jī)加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機(jī)速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會(huì)小于200 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=240.8 N。

門機(jī)加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機(jī)速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機(jī)作用力與門機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反，因此，此段電機(jī)的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為;f2=301 N。

門機(jī)加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機(jī)速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機(jī)最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結(jié)語(yǔ)

由于電機(jī)的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機(jī)整機(jī)（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據(jù)理論計(jì)算電機(jī)最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計(jì)算方式為極限最大值疊加方式，實(shí)際工程中功率會(huì)比理論計(jì)算小?？蓱]到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機(jī)功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風(fēng)壓情況下的可靠運(yùn)行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機(jī)整機(jī)的輸出功率。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機(jī)械設(shè)計(jì)及力學(xué)模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚(yáng)，等.地鐵屏蔽門風(fēng)壓實(shí)測(cè)研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統(tǒng)的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint

f3為加速力。

門機(jī)在開門階段，風(fēng)壓得到排泄，因此，風(fēng)壓力在整個(gè)過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風(fēng)壓影響作用小于關(guān)門作用。而根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，一般門機(jī)只會(huì)在關(guān)門情況下受到風(fēng)壓影響產(chǎn)生二次關(guān)門的遇障情況，與理論假設(shè)吻合。因此，對(duì)于電機(jī)最大輸出功率的計(jì)算，我們只需考慮關(guān)門過程即可。

根據(jù)關(guān)門過程的運(yùn)動(dòng)特性：

根據(jù)門機(jī)重量及阻尼系數(shù)可推算出門機(jī)阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會(huì)小于800 mm，根據(jù)屏蔽門所用材料，查得摩擦系數(shù)為0.035。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計(jì)算，門機(jī)加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機(jī)速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會(huì)小于200 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=240.8 N。

門機(jī)加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機(jī)速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機(jī)作用力與門機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反，因此，此段電機(jī)的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為;f2=301 N。

門機(jī)加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機(jī)速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機(jī)最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結(jié)語(yǔ)

由于電機(jī)的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機(jī)整機(jī)（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據(jù)理論計(jì)算電機(jī)最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計(jì)算方式為極限最大值疊加方式，實(shí)際工程中功率會(huì)比理論計(jì)算小?？蓱]到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機(jī)功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風(fēng)壓情況下的可靠運(yùn)行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機(jī)整機(jī)的輸出功率。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機(jī)械設(shè)計(jì)及力學(xué)模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚(yáng)，等.地鐵屏蔽門風(fēng)壓實(shí)測(cè)研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統(tǒng)的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint

f3為加速力。

門機(jī)在開門階段，風(fēng)壓得到排泄，因此，風(fēng)壓力在整個(gè)過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風(fēng)壓影響作用小于關(guān)門作用。而根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，一般門機(jī)只會(huì)在關(guān)門情況下受到風(fēng)壓影響產(chǎn)生二次關(guān)門的遇障情況，與理論假設(shè)吻合。因此，對(duì)于電機(jī)最大輸出功率的計(jì)算，我們只需考慮關(guān)門過程即可。

根據(jù)關(guān)門過程的運(yùn)動(dòng)特性：

根據(jù)門機(jī)重量及阻尼系數(shù)可推算出門機(jī)阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會(huì)小于800 mm，根據(jù)屏蔽門所用材料，查得摩擦系數(shù)為0.035。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計(jì)算，門機(jī)加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機(jī)速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會(huì)小于200 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=240.8 N。

門機(jī)加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機(jī)速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機(jī)作用力與門機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反，因此，此段電機(jī)的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為;f2=301 N。

門機(jī)加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機(jī)速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機(jī)最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結(jié)語(yǔ)

由于電機(jī)的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機(jī)整機(jī)（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據(jù)理論計(jì)算電機(jī)最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計(jì)算方式為極限最大值疊加方式，實(shí)際工程中功率會(huì)比理論計(jì)算小?？蓱]到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機(jī)功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風(fēng)壓情況下的可靠運(yùn)行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機(jī)整機(jī)的輸出功率。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機(jī)械設(shè)計(jì)及力學(xué)模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚(yáng)，等.地鐵屏蔽門風(fēng)壓實(shí)測(cè)研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統(tǒng)的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint