地鐵隧道平開式防淹門啟閉裝置分析與設(shè)計

田江澤 張瑞龍 袁代光 徐 勝

(中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司,100048,北京∥第一作者,工程師)

地鐵隧道平開式防淹門啟閉裝置分析與設(shè)計

田江澤 張瑞龍 袁代光 徐 勝

(中國建筑標準設(shè)計研究院有限公司,100048,北京∥第一作者,工程師)

啟閉裝置是地鐵隧道防淹門的關(guān)鍵部件。以平開式防淹門啟閉裝置設(shè)計為背景,結(jié)合防淹門的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點,對啟閉裝置進行運動學和動力學分析。同時介紹了啟閉裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計及安全設(shè)置。平開式防淹門的運行結(jié)果表明,該啟閉裝置占用空間小、啟閉迅速、結(jié)構(gòu)形式合理可靠。

地鐵隧道; 平開式防淹門; 啟閉裝置; 仿真分析

Author′s address China Institute of Building Standard Design & Research Co.,Ltd.,100048,Beijing,China

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》要求:對下穿河流和湖泊等水域的地鐵工程,應在進出水域的兩端適當位置設(shè)防淹門或采取其他防淹設(shè)施。目前,在我國地鐵工程中主要是安裝降落式防淹門,但是受制于特殊的施工條件,個別線路不具有安裝空間。為此,國內(nèi)相關(guān)單位競相開始研發(fā)平開式防淹門。

啟閉裝置是平開式防淹門的一個關(guān)鍵部件,其主要作用是在地鐵隧道發(fā)生透水事故時能驅(qū)動防淹門門扇迅速關(guān)閉,阻斷水流,從而保護車站內(nèi)人員和物資的安全。當事故排除后,啟閉裝置能將門扇開啟并鎖緊,以防止地鐵列車高速通過時所形成的局部負壓帶動門扇關(guān)閉而發(fā)生車毀人亡的惡性事故。

本文以平開式防淹門的開發(fā)為背景,介紹了啟閉裝置結(jié)構(gòu)形式、運動特點,進而介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計及安全設(shè)置,最后對啟閉裝置進行了運動學和動力學仿真分析,為今后開發(fā)相似設(shè)備提供參考。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)

地鐵防淹門根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為降落式、平開式和平推式3種。目前,降落式防淹門已在我國地鐵工程中有一定應用。采用降落式防淹門時,門洞上方需設(shè)置1個大于門洞尺寸的設(shè)備機房,以存放防淹門的門扇及啟閉裝置。這種方式當區(qū)間隧道左右雙向水平布置時沒有問題,而當區(qū)間隧道采用上下布置時下層隧道就沒有空間設(shè)置設(shè)備機房。此時,只能采用平開式或平推式防淹門。

平推式防淹門必須在隧道一側(cè)設(shè)置1個大于門扇尺寸的空間放置門扇和啟閉裝置,但當防淹門啟閉橫向移動時則與電纜、消防管道等設(shè)備的布置有沖突,故在越江隧道中不予采用。此時,須利用車站出入口的空間才能設(shè)置平推式防淹門。平開式防淹門只需將門扇放置在平行于行車方向隧道兩側(cè)的小洞室即可,啟閉機機房亦可設(shè)置在隧道兩側(cè),不受隧道高度的限制,其空間需求最低。

2 平開式防淹門啟閉裝置結(jié)構(gòu)

平開式防淹門啟閉裝置主要由折疊擺臂、液壓油缸和機架組成。折疊擺臂分前臂和后臂,通過銷軸連接。擺臂前臂與門扇鉸接;后臂與機架鉸接,后臂同時與油缸活塞桿連接;油缸缸筒與機架連接。啟閉裝置通過油缸活塞桿的伸縮帶動擺臂后臂轉(zhuǎn)動,進而通過前臂帶動門扇轉(zhuǎn)動。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平開式防淹門啟閉裝置組成示意圖

3 機構(gòu)設(shè)計

啟閉裝置的作用是驅(qū)動防淹門門扇迅速方便地啟閉,主機構(gòu)采用平面四連桿機構(gòu),門扇作為從動桿,后臂作為主動桿。主動桿的驅(qū)動又由曲柄搖桿機構(gòu)構(gòu)成,并以液壓油缸活塞桿作為搖桿來驅(qū)動后臂擺動。

啟閉裝置實現(xiàn)的主要功能是啟閉防淹門門扇繞鉸頁旋轉(zhuǎn)90°,并須適應區(qū)間隧道狹窄空間的安裝要求。

3.1 啟閉機構(gòu)分析

啟閉機構(gòu)包含5個構(gòu)件,7個低副(含6個轉(zhuǎn)動副,1個移動副),1個原動件。其計算簡圖見圖2。則此機構(gòu)自由度F=3×5-2×7=1,可見,機構(gòu)自由度等于原動件數(shù),機構(gòu)具有確定的運動。該機構(gòu)在應用中主要是利用油缸活塞桿的伸縮(即圖2中EF長度的變化)來實現(xiàn)門扇M的旋轉(zhuǎn)。

注:CE——后臂;CD——前臂; EF——變幅油缸;AD——門扇

3.1.1 運動學分析

由于在防淹門門扇啟閉時應盡量減少水頭動載壓力,故將門扇的開啟角速度ω設(shè)為定值,使門扇勻速開啟或關(guān)閉。

門扇的旋轉(zhuǎn)速度和活塞桿運行速度的關(guān)系可利用封閉矢量法計算。

以圖2點O為原點,OA和OB為X、Y軸建立坐標系,以E點為研究動點,以矢量a、b、c、f來表示各構(gòu)件長度及方向。

首先以雙搖桿機構(gòu)為研究對象,建立位移方程:

(1)

(2)

再建立速度方程,得:

(3)

(4)

解以上方程,得:

(5)

(6)

又:

(7)

(9)

(10)

再建立速度方程,得:

(11)

(12)

建立加速度方程:

(13)

(14)

3.1.2 動力學分析

按國家相關(guān)規(guī)范要求,平開式防淹門須在1.5m水深時也能順利啟閉。啟閉裝置驅(qū)動門扇時的主要阻力來自門扇承受的水壓力和裝置的摩擦阻力。為了簡化計算,忽略各鉸鏈處的摩擦阻力。

當門扇閉門時,由于門扇兩側(cè)水壓相抵,故啟閉裝置承受的水壓力很小。當門扇開啟時,由于僅門扇外側(cè)注水,故啟閉裝置須克服靜水壓力,開門力最大。其水壓力圖如圖3所示。

圖3 平開式防淹門靜水壓力圖

則有:

(15)

(16)

式中:

P——總水壓力,kN;

γ——水的重度,可取10kN/m3;

A——門扇應流面積,m2;

Hs——水深,取1.5m;

Hc——P力作用點位置高度,m。

如水流速穩(wěn)定,則設(shè)備靜水壓力只與門扇的迎流面積有關(guān)。設(shè)門扇寬為L,得:

(17)

取油缸推力為F,將啟閉裝置作為整體研究,由力平衡條件可得:

(18)

聯(lián)立式(15)-式(18)可得油缸推力

(19)

3.2 機構(gòu)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)規(guī)范要求,整個裝置的操作時間應低于90 s。考慮到閉鎖動作比較耗時,故將開關(guān)門的操作時間設(shè)置為20 s。

受制于土建空間限制,可設(shè)計出啟閉裝置各部件的關(guān)鍵尺寸。其中,a=2 650 mm,b=1 400 mm,c=2 830 mm,d=1 550 mm,e=980 mm,g=1 100 mm,m=825 mm,油缸活塞桿收縮后長度f=1 157 mm,行程800 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可求得其他參數(shù)。

4 控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與仿真

啟閉裝置的控制系統(tǒng)主要由遠程控制系統(tǒng)、就地控制系統(tǒng)、液位監(jiān)控系統(tǒng)和液壓工作站系統(tǒng)構(gòu)成。遠程平開式防淹門采用的遠程控制系統(tǒng)、就地控制系統(tǒng)及液位監(jiān)控系統(tǒng)與降落式防淹門采用的完全一致,在此不再贅述。

4.1 液壓工作站系統(tǒng)

液壓工作站系統(tǒng)主要由液壓缸、液壓馬達、液壓泵、液壓控制系統(tǒng)和液壓輔助系統(tǒng)組成。當防淹門接收到指令后,啟動電機帶動液壓泵運轉(zhuǎn),為液壓系統(tǒng)提供動力。通常1套防淹門由2樘門組成,每鏜門各由1套液壓泵站驅(qū)動。為了提高系統(tǒng)可靠性,將2套泵站設(shè)計成互為備份。在特殊情況下,如1套泵站受損,則可由另1套泵站驅(qū)動2樘門啟閉。

液壓控制系統(tǒng)的2套子系統(tǒng)通過手動換向閥連接。每套子系統(tǒng)包括1套與電機驅(qū)動的油泵。油泵并聯(lián)設(shè)置1套手動泵,并與油箱連接。油泵和手動泵的入油管加裝吸油濾油器與油箱聯(lián)通,出油管與閥組聯(lián)通;閥組回油管通過回油濾油器連入油箱。此外,油箱還裝有液位計、液位繼電器和電接點溫度計。油泵與3套換向閥組連接,每組換向閥組同樣由1套電磁換向閥和1套手動換向閥并聯(lián)搭接而成。第1套換向閥組與液控單向閥連接,單向閥與兩位兩通手動錐閥連接,手動錐閥與拉桿油缸連接,同時接通油箱;第2套換向閥組與液控單向閥連接,單向閥與單向節(jié)流閥連接,節(jié)流閥與兩位兩通手動錐閥連接,手動錐閥與工程油缸連接,同時接通油箱;第3套換向閥組與兩位兩通手動錐閥連接,手動錐閥與液壓馬達連接,同時接通油箱。此外,在閥組外加裝壓力繼電器、壓力表及壓力表開關(guān)。防淹門液壓控制系統(tǒng)及電氣原理如圖4所示。

4.2 啟閉裝置的安全保障

防淹門作為地鐵隧道的關(guān)重設(shè)備,在開啟狀態(tài)時必須嚴格保證位置鎖定,以保障列車運行的絕對安全。根據(jù)行業(yè)標準要求,地鐵隧道防淹門的安全鎖定裝置不應少于2套,且機械鎖定、電氣鎖定裝置各不應少于1套。防淹門機械鎖定裝置將門扇鎖定在開啟位置,其解鎖應能實現(xiàn)自動控制和手動控制。

注:1——油箱; 2——空氣濾清器; 3——電機; 4——手動泵; 5——油泵; 6——吸油濾油器; 7——回油濾油器; 8——液位繼電器; 9——電接點溫度計; 10——單向閥; 11——電磁換向閥; 12——直動式溢流閥; 13——壓力表開發(fā); 14——壓力表; 15——壓力繼電器; 16——手動換向閥; 17——節(jié)流閥; 18——電磁換向閥; 19——疊加式液控單向閥; 20——疊加式單向節(jié)流閥; 21——兩位兩通手動錐閥

圖4 液壓工作站原理圖

平開式防淹門不僅設(shè)有專門的機械鎖定裝置和電氣鎖定裝置,而且其啟閉裝置上還設(shè)有輔助機械鎖定裝置。該輔助機械鎖定裝置即在啟閉油缸上安裝液壓鎖。當門扇處于開啟位置時,液壓鎖鎖定油缸活塞桿,防止油缸泄壓,從而防止門扇自動關(guān)閉。

5 建立啟閉機構(gòu)模型及仿真

采用PRO/E軟件建立防淹門啟閉機構(gòu)的三維模型,并定義好裝配關(guān)系,然后將模型導入ADAMS。液壓系統(tǒng)初步設(shè)計將門扇開啟90°,耗時20 s。經(jīng)過虛擬樣機仿真得到活塞桿的速度時間曲線和推力-時間曲線,如圖5、圖6所示。

仿真結(jié)果表明,在門扇開門到位的末端(18.7 s后),油缸推力急劇增大,超過液壓設(shè)計系統(tǒng)壓力。

圖5 活塞桿速度-時間曲線

而在之前,整個載荷波動比較平順,油缸最大推力約為128 kN,與設(shè)計值125 kN基本一致。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),當門扇開啟90°時,由于油缸與門扇夾角太小,導致垂直于門扇的分力太小,考慮到空間的因素,故在后續(xù)優(yōu)化中將門扇開啟角度稍微縮小。

圖6 油缸推力-時間曲線

6 結(jié)語

平開式防淹門是防災設(shè)備和人防設(shè)備一次大膽的結(jié)合,自動化程度高。通過對關(guān)鍵部件啟閉裝置的運動仿真,為液壓和控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考,同時有效地驗證了在空間受限的情況下,防淹門的啟閉裝置設(shè)計的合理性和安全性。目前,該設(shè)備已經(jīng)通過了型號定型試驗,即將應用于南寧地鐵2號線工程中。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局.地鐵設(shè)計規(guī)范:GB 50157—2003[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵隧道防淹門:CJ/T 453—2014[S].北京:中國標準出版社,2014.

[3] 王三民,諸文俊.機械原理與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[4] 劉細龍,陳福榮.閘門與啟閉設(shè)備[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[5] 郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應用實例教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[6] 雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京:北京理工大學出版社,1998.

Design and Analysis of the Opening and Closing Device for Subway Tunnel Flat Open Flood Gate

TIAN Jiangze, ZHANG Ruilong, YUAN Daiguang, XU Sheng

The opening and closing device is a critical component for subway flood gate. Based on the design of opening and closing device for flat open flood gate,then combined with the structural characters and application environments,the kinematics and dynamics of the opening and closing device are analyzed,the control system design and security settings are also introduce.The operation of flat open flood gate indicates that the opening and closing device occupies smaller space and operates faster,so the structure is reasonable and reliable.

subway tunnel; flat open flood gate; opening and closing device; simulation analysis

TH123

10.16037/j.1007-869x.2016.12.004

2015-03-11)