基于調(diào)速性能仿真的地鐵隧道防淹門啟閉裝置設(shè)計優(yōu)化

尚文濤 盧屹東 邢善鵬 王淑敬

(中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司，100048,北京//第一作者,工程師)

隨著我國城市軌道交通技術(shù)的迅速發(fā)展，地鐵隧道下穿河流、湖泊的規(guī)劃設(shè)計屢見不鮮?？紤]到城市軌道交通兼顧人防及地下隧道防水災(zāi)的特殊要求，具備防淹、抗毀、密閉三重功能的防淹機(jī)械設(shè)備，可以迅速消減突發(fā)水患對隧道及地下車站的災(zāi)難損失。因此,防淹門的設(shè)計在城市軌道交通工程的建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。落閘式防淹門快速下降時，鋼絲繩對卷筒的負(fù)載力矩由轉(zhuǎn)動阻力矩變?yōu)榫硗蔡峁﹦恿Φ某截?fù)載力矩，在實(shí)際應(yīng)用中既要滿足快速落閘的需求，又不會對軌道產(chǎn)生沖擊破壞。因此,對落閘式防淹門啟閉裝置的調(diào)速性能研究顯得尤為重要。文獻(xiàn)[1]通過試驗結(jié)果繪制了調(diào)速器的調(diào)速特性曲線，分析表明調(diào)速器的工作穩(wěn)定性與調(diào)速率的關(guān)系隨著轉(zhuǎn)速變化而不同；文獻(xiàn)[2]研究了機(jī)械離心式轉(zhuǎn)速敏感元件的遲滯特性，結(jié)果表明摩擦力和彈簧剛度差是影響遲滯性的重要因素；文獻(xiàn)[3]建立了單軌吊機(jī)車離心釋放器的動力學(xué)模型，分析了不同初始角位移對滑動軸伸出位移的影響。

本文提出了地鐵隧道落閘式防淹門啟閉裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，耦合建立了調(diào)速器的重力加速模型、離心力模型及摩擦力矩制動模型，對防淹門的快速落閘調(diào)速性能進(jìn)行了仿真，為調(diào)速器的參數(shù)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和研究方法。

1 落閘式防淹門啟閉裝置的優(yōu)化設(shè)計

地鐵隧道落閘式防淹門依靠啟閉裝置可實(shí)現(xiàn)閘門體的升降。既有工程中防淹門的啟閉裝置一般分為卷揚(yáng)式和電動葫蘆式兩類。電動葫蘆式啟閉裝置安裝在頂板上，閘門開啟時需要滿足車輛運(yùn)營的限界要求，受起升極限位置制約，設(shè)備機(jī)房凈空要求較高；緊急狀態(tài)時手動關(guān)閉較為困難，維護(hù)成本亦較高；兩臺電機(jī)驅(qū)動的中間傳動軸較長，設(shè)備容易振動且對傳動軸的疲勞壽命要求嚴(yán)格。卷揚(yáng)式啟閉裝置可以節(jié)省機(jī)房凈高，設(shè)計采用單電機(jī)集中驅(qū)動，有利于解決雙吊點(diǎn)同步振動、維修不便等問題，在隧道空間內(nèi)安裝更為實(shí)用。

目前，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)大多選用QPQ型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)備布置相對復(fù)雜但不緊湊，同時在起重質(zhì)量較大的閘門時，啟閉速度較低，往往難以滿足孔口高度較大的閘門快速閉門的時間要求。SL 41—2011《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定了閘門快速關(guān)閉孔口時接近底部門檻的速度不大于5 m/min，同時該規(guī)范要求電動開門時間和關(guān)門時間均不應(yīng)大于1.5 min[4]。因此，需要加裝調(diào)速器作為限速裝置，并采用非標(biāo)設(shè)計的卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終本文采用雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式、雙聯(lián)動滑輪組、單層纏繞雙卷筒和開式齒輪傳動的組合結(jié)構(gòu)型式[5]，如圖1所示。卷揚(yáng)式啟閉機(jī)在地鐵車站內(nèi)的布置方案如圖2所示。優(yōu)化后的方案幾乎不增加設(shè)備造價，占據(jù)空間較小，大幅降低了土建成本、設(shè)備安裝和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，且具有調(diào)速功能的防淹門關(guān)閉時對地鐵軌道和道床起到一定的緩沖保護(hù)。優(yōu)化后的防淹門啟閉裝置具有節(jié)約投資和安全可靠的特點(diǎn)，在今后的地鐵工程中應(yīng)用將更為廣泛，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更加突出。

注:1——左卷筒；2——調(diào)速器；3——齒輪箱；4——制動輪；5——制動器；6——電動機(jī)；7——手搖裝置；8——鏈輪;9——鏈條；10——右卷筒；11——左小齒輪；12——聯(lián)軸器；13——同步軸；14——右小齒輪；15——機(jī)架

b) 右視圖

2 快速落閘調(diào)速性能分析

圖3為LT-200型雙錐形機(jī)械離心式調(diào)速器示意圖。當(dāng)防淹門執(zhí)行關(guān)閉指令時，通過直流電源打開制動器抱閘，閘門門體在重力作用下，克服啟閉機(jī)的阻力加速下落。當(dāng)轉(zhuǎn)軸的速度達(dá)到離心式調(diào)速器的初始速度時，配重片的離心力克服彈簧的阻力，在角形杠桿的作用下帶動裝有導(dǎo)向鍵的滑動軸平移，與滑動軸相連的摩擦盤與固定支座上的錐形制動盤通過摩擦力矩來降低軸的轉(zhuǎn)速，當(dāng)摩擦力矩與轉(zhuǎn)動力矩平衡時實(shí)現(xiàn)限速。

2.1 機(jī)械離心式調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型

圖4為角形杠桿受力分析圖。圖4中，假設(shè)配重片的質(zhì)心位于點(diǎn)A，忽略銷軸處的摩擦力,此時沿軸線方向的水平拉(壓)力Fz為：

注：1——轉(zhuǎn)動軸；2——左摩擦盤；3——錐形制動盤；4——右摩擦盤；5——角形杠桿；6——調(diào)節(jié)彈簧；7——配重片；8——鎖緊螺母

(1)

式中：

Z——角形杠桿的數(shù)量；

m——配重片在質(zhì)心A處的質(zhì)量；

n——杠桿的轉(zhuǎn)速；

θ——杠桿的旋轉(zhuǎn)角度,θ≈180y/πb，y為軸向位移；

a，b——角形杠桿的力臂長度；

α，β——初始力臂與轉(zhuǎn)軸法線的夾角；

R——角形杠桿的旋轉(zhuǎn)半徑。

雙錐形制動盤摩擦面結(jié)合所需的軸向壓力Fz與摩擦力矩Tc之間的計算關(guān)系如下[6]：

(2)

式中：

γ——錐面傾斜角；

μ——摩擦系數(shù)，μ=tanγ；

Ds——摩擦面的平均直徑。

注：F1為配重片在質(zhì)心A處所受的作用力

2.2 機(jī)械離心式調(diào)速器的仿真模型

通過AMESim仿真平臺建立防淹門啟閉裝置的離心力模型、閘門重力加速模型及制動摩擦力矩模型，如圖5所示。主要設(shè)計參數(shù)如下：a=85 mm，b=42.5 mm，R=74 mm，Ds=185 mm，α=91.5°，β=0°，γ=23°，m=1.3 kg，K(調(diào)節(jié)彈簧的剛度)=1.5×105N/m。

圖5 機(jī)械離心式調(diào)速器計算模型

2.3 仿真結(jié)果分析

從閘門降落速度和位移曲線(見圖6)可知，閘門下降過程大致可分為3個階段：

(1)在0～0.03 s內(nèi),閘門自由下落。

(2)受錐形摩擦盤的阻尼作用，下落加速度階躍性減小，最后摩擦力矩與轉(zhuǎn)動力矩相互制衡，下降速度波動幅度逐漸變小。

(3)當(dāng)閘門降落時間為0.3 s時，下落速度逐漸穩(wěn)定在0.08 m/s；閘門在5 s內(nèi)降落位移達(dá)到0.033 m，整個下落動作用時約63.3 s(以FYM-J3845型防淹門、閘門降落總高度為4.7 m計算)，滿足規(guī)范要求；卷筒轉(zhuǎn)速變化趨勢與閘門降落趨勢一致，最終穩(wěn)定在3.85 r/min。

圖6 閘門降落速度和位移變化曲線

圖7為K對閘門平衡速度的影響曲線。由圖7可知,當(dāng)增大K時，閘門開始達(dá)到平衡速度的時間會縮短，但由初始狀態(tài)進(jìn)入平衡速度時的波動較大，平衡速度略有增加。相反地，當(dāng)減小K時，閘門會延長平衡時間，由初始狀態(tài)進(jìn)入平衡速度時的波動變小，最終的平衡速度會略有減小。

圖7 K對閘門平衡速度的影響曲線

由此可見，當(dāng)K增大時，角形杠桿克服彈簧阻力實(shí)現(xiàn)軸向平移的軸向壓力會增大，此時需要較大的離心力來維持平衡;同時,在達(dá)到平衡狀態(tài)時,卷筒的轉(zhuǎn)速會提高，閘門下降的平衡速度隨之增大。

圖8模擬了調(diào)速器不同配重片質(zhì)量對軸向位移的影響曲線。由圖8可知，閘門開始下降時軸向位移線性急劇增大，此時配重片的質(zhì)量對力矩平衡時的軸向位移影響不大，但離合摩擦階段達(dá)到平衡狀態(tài)的時間差別較大。具體表現(xiàn)為：配重片質(zhì)量越小，相應(yīng)地在離合摩擦階段的軸向位移變化幅度亦較小，因此達(dá)到平衡狀態(tài)的時間越短。

3 結(jié)論

(1) 對卷揚(yáng)式啟閉機(jī)優(yōu)化為雙聯(lián)動滑輪組、單層纏繞雙卷筒、單電機(jī)同步集中驅(qū)動、開式齒輪傳動的組合結(jié)構(gòu)型式。應(yīng)用該啟閉裝置的落閘式防淹門可以較好地滿足地鐵隧道區(qū)間防淹的工程需求。

(2) 加裝機(jī)械離心式調(diào)速器可以平衡防淹門落

圖8 調(diào)速器不同配重片質(zhì)量對軸向位移的影響曲線

閘產(chǎn)生的超越負(fù)載力矩，有效地解決防淹門快速落閘的時間限制和速度問題。耦合建立的調(diào)速器重力加速模型、離心力模型及摩擦力矩模型仿真為調(diào)速器的參數(shù)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和研究方法。

(3) 調(diào)速器的仿真研究表明,K對平衡速度和平衡時間影響較大，當(dāng)增大K時，閘門達(dá)到平衡的速度會增大，平衡時間會縮短；配重片的質(zhì)量對軸向位移影響不大，但影響摩擦力矩與轉(zhuǎn)動力矩達(dá)到平衡的時間，配重片質(zhì)量越小，達(dá)到平衡狀態(tài)的時間越短。