基于隧道動態(tài)風(fēng)壓的軌道交通站臺門系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：隧道動態(tài)活塞風(fēng)壓是導(dǎo)致地鐵運營期間站臺門關(guān)門受阻的原因之一，鑒于此，從機械傳動系統(tǒng)及站臺門DCU軟件兩個方面展開具體分析，通過建立傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并進行受力驗算確定站臺門電機扭矩、功率選型?；谏鲜龇治觯岢稣九_門動作受阻的解決措施，旨在促進地鐵線路的安全運營。

關(guān)鍵詞：隧道動態(tài)風(fēng)壓;站臺門;DCU軟件

0? ? 引言

站臺門系統(tǒng)是與行車組織直接相關(guān)的車站設(shè)備，其直接影響列車準點率。目前站臺門系統(tǒng)一般根據(jù)環(huán)控專業(yè)提供的隧道最大壓力值進行站臺門結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，但隨著全國各地地鐵進入網(wǎng)絡(luò)化運營，客流不斷增加，行車密度不斷加大，受隧道動態(tài)活塞風(fēng)壓的影響[1]，國內(nèi)不少城市均出現(xiàn)了運營期間站臺門關(guān)門受阻、關(guān)門慢甚至無法關(guān)門的現(xiàn)象，直接影響了列車的正常運營。站臺門系統(tǒng)需要考慮開關(guān)門過程中受到隧道動態(tài)風(fēng)壓的影響，這就對站臺門的系統(tǒng)設(shè)計提出了新的要求，有必要對基于動態(tài)風(fēng)壓的站臺門系統(tǒng)設(shè)計進行分析，并提出解決方案。

1? ? 站臺門傳動系統(tǒng)阻力計算

造成站臺門無法正常關(guān)閉的主要原因是滑動門受活塞風(fēng)壓影響造成關(guān)門阻力變大，控制系統(tǒng)無法驅(qū)動門體正常運動關(guān)門，所以首先對站臺門傳動系統(tǒng)阻力進行分析、計算。

1.1? ? 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

站臺門系統(tǒng)每道標準滑動門配置一套傳動裝置，傳動方式一般有絲杠螺母副和皮帶傳動兩種[2]，本文以國內(nèi)最常用的皮帶傳動為例進行介紹。皮帶傳動系統(tǒng)主要由電機/減速機、皮帶、懸掛裝置、導(dǎo)軌、導(dǎo)靴、導(dǎo)槽等組成，一道滑動門由兩扇門體組成，每扇門通過頂部懸掛裝置與皮帶剛性連接，懸掛裝置滾輪支撐門體在上部導(dǎo)軌上運動，滑動門下部設(shè)置有導(dǎo)靴與門檻導(dǎo)槽，電機帶動皮帶運行，正常情況下，導(dǎo)靴處在導(dǎo)槽中間，兩邊留有間隙，兩者不接觸。電機由DCU進行智能控制，滑動門開門運動曲線包括啟動—勻加速—勻速—勻減速—停止等5個階段。

1.2? ? 傳動系統(tǒng)阻力計算

傳動系統(tǒng)阻力計算所用到的參數(shù)包括各傳動部件的摩擦系數(shù)、傳動比、傳動效率、皮帶輪直徑、門體重量/規(guī)格、皮帶張緊力等等。下面結(jié)合工程經(jīng)驗，按國內(nèi)常規(guī)站臺門的傳動系統(tǒng)參數(shù)代入計算，動態(tài)風(fēng)壓最大值按±400 Pa考慮（實際工程以空調(diào)專業(yè)提資為準）。

1.2.1? ? 加速啟動時最大運行阻力計算

根據(jù)站臺門滑動門動作工況，其在開關(guān)門瞬間的運行阻力是最大的，此時電機須克服傳動系統(tǒng)各部件之間固有的摩擦阻力及啟動瞬間按一定加速度的驅(qū)動力總和。電機啟動時最大阻力按式（1）計算：

Fmax=Fm+FG? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，F(xiàn)max為電機啟動時需要克服的最大阻力（N）;Fm為電機啟動時需要克服的最大摩擦阻力（N）;FG為電機按一定加速度啟動時所需要的驅(qū)動力（N）。

（1）靜摩擦力Fm計算。

由于隧道活塞風(fēng)壓載荷是均布載荷，根據(jù)門體結(jié)構(gòu)，可假設(shè)風(fēng)壓引起的門楣毛刷對門體的支撐力、導(dǎo)靴與門檻導(dǎo)槽、滾輪與導(dǎo)軌3組支撐力相同，滑動門開關(guān)門瞬間的摩擦運行阻力包括：

1）門扇重量引起的滾輪與導(dǎo)軌之間的滾動摩擦力F1=80.36 N;

2）風(fēng)壓作用下引起的導(dǎo)輪與導(dǎo)軌側(cè)面發(fā)生接觸產(chǎn)生的滑動摩擦阻力F2=86 N（無風(fēng)壓時，該值為0）;

3）風(fēng)壓作用下導(dǎo)靴與導(dǎo)槽之間發(fā)生接觸形成的滑動摩擦阻力F3=114.67 N（無風(fēng)壓時，該值為0）;

4）風(fēng)壓作用下門楣毛刷對門體懸掛裝置接觸形成的滑動摩擦阻力F4=86 N（無風(fēng)壓時，該值為0）;

5）皮帶與齒輪之間的摩擦力F5=4.5 N。

則Fm=F1+F2+F3+F4+F5=371.53 N。

（2）啟動加速瞬間所需要的驅(qū)動力FG。

電機啟動加速按式（2）計算：

FG=2ma? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，m為單趟門重量，取82 kg;a為開關(guān)最大加速度（根據(jù)開關(guān)門時間及動能要求，計算結(jié)果最大加速度為1.1 m/s2）。

則FG=180.4 N。

（3）開關(guān)門瞬間最大運行總阻力。

開關(guān)門瞬間電機需要克服的最大阻力為551.93 N。

1.2.2? ? 勻速運行阻力計算

站臺門勻速運行階段，不需要考慮加速度及張緊力，F(xiàn)勻速=

Fm-F5=367.03 N。

2? ? 站臺門電機扭矩、功率選型計算

根據(jù)傳動原理及相關(guān)公式，可計算出電機的啟動扭矩為1.38 Nm，電機的額定扭矩為0.92 Nm，電機的額定功率為194.75 W。

綜上所述，在400 Pa動態(tài)風(fēng)壓作用下，按常規(guī)站臺門系統(tǒng)參數(shù)計算，站臺門電機選型的啟動扭矩不應(yīng)小于1.38 Nm，額定扭矩不應(yīng)小于0.92 Nm，電機額定功率不應(yīng)小于194.75 W。

3? ? 站臺門DCU軟件設(shè)計

除了機械傳動系統(tǒng)對站臺門開關(guān)門有直接影響外，站臺門DCU軟件設(shè)計也是影響站臺門開關(guān)的另一個重要因素。站臺門每個門單元均設(shè)置DCU，用于控制每個滑動門單元的動作，安裝在門體上部的頂箱內(nèi)，DCU本身就是一個控制單元，其安裝的軟件可實現(xiàn)對電機速度、電流、正反轉(zhuǎn)等的控制。

圖1是典型的站臺門關(guān)門速度曲線圖，從圖1可以看出，整個關(guān)門過程為加速—勻速—減速—勻速—減速，關(guān)門故障集中體現(xiàn)在低速勻速區(qū)，該區(qū)域DCU軟件設(shè)計主要取決于規(guī)范中的滑動門功能要求（不大于10 J及最后行程1 J）及阻止滑動門關(guān)閉的力不應(yīng)大于150 N，該行程段是DCU軟件設(shè)計的重點及難點。

為確保阻止關(guān)門力滿足不大于150 N規(guī)范要求，站臺門系統(tǒng)DCU軟件須對電機的輸出力（限制電流）進行人為限制，目前各站臺門廠家一般通過軟件限制電機的輸入電流來實現(xiàn)。該電流限制閾值應(yīng)滿足以下兩個條件：

（1）電機的設(shè)定輸出力（限制電流）F=滑動門傳動系統(tǒng)運行阻力F總+150 N（阻止關(guān)門力）;

（2）電機的設(shè)定電流閾值應(yīng)小于電機額定電流。

條件（1）中，F(xiàn)總包括兩部分力，一部分是不考慮隧道活塞風(fēng)壓等因素，傳動系統(tǒng)固有的運行阻力（計為F固）;另一部分為受隧道活塞風(fēng)壓影響，造成的運行阻力（計為F風(fēng)）。其中F固在機械傳動系統(tǒng)、產(chǎn)品定型后就是固定值，F(xiàn)風(fēng)是隨機變化的，不同線路甚至同一線路的每個車站、每個門單位，每個時刻都是不同的，因此可擴展為：電機的設(shè)定輸出力（限制電流）F=F固+F風(fēng)+150 N（阻止關(guān)門力）。

電機的設(shè)定輸出力（限制電流）既要滿足滑動門在勻速區(qū)段阻止關(guān)門力≤150 N要求，又要滿足在可能出現(xiàn)的最大隧道活塞風(fēng)載情況下滑動門能正常關(guān)閉。DCU軟件設(shè)計可將電機的輸出力（限制電流）設(shè)置為F固+150 N（阻止關(guān)門力），則既可滿足規(guī)范要求，又可滿足動態(tài)風(fēng)壓開關(guān)門的要求，但前提是需滿足最大風(fēng)壓下造成的阻止力F風(fēng)≤150 N。另外，從電機壽命角度考慮，DCU軟件設(shè)計電機的輸出力（限制電流）還應(yīng)小于所選電機的額定電流。

4? ? 基于隧道動態(tài)風(fēng)壓的站臺門解決方案

上述分析系統(tǒng)介紹了站臺門的傳動系統(tǒng)模型、運行阻力計算、電機功率、扭矩選型計算以及DCU軟件設(shè)計的要點，那么解決站臺門動態(tài)風(fēng)壓問題，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注以下內(nèi)容：

（1）明確動態(tài)風(fēng)壓設(shè)計輸入。動態(tài)風(fēng)壓的大小直接影響站臺門的開關(guān)門，為應(yīng)對動態(tài)風(fēng)壓對屏蔽門開關(guān)門的影響，站臺門系統(tǒng)的設(shè)計輸入載荷應(yīng)在原有疲勞風(fēng)載（用于核算屏蔽門疲勞強度）和最大活塞風(fēng)壓（用于核算屏蔽門強度、變形量）的基礎(chǔ)上增加動態(tài)風(fēng)壓最大輸入值，用于核算站臺門開關(guān)門過程中的運行阻力，在各階段設(shè)計中由通風(fēng)空調(diào)專業(yè)在專業(yè)提資中予以明確。

（2）合理選型電機參數(shù)。電機功率和扭矩的合理選型是保證站臺門受動態(tài)風(fēng)壓影響時正常開關(guān)門的基本條件，如電機功率選擇過小，電機額定電流小于DCU軟件設(shè)計電流閾值，則無法保證電機壽命;亦或為保證電機壽命，把電流閾值調(diào)至電機額定電流，人為降低了電機輸出力，此時即使風(fēng)壓引起的運行阻力小于150 N也不能滿足開關(guān)門要求。具體工程設(shè)計時，可根據(jù)每條地鐵線路站臺門傳動系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，環(huán)控專業(yè)提供的動態(tài)風(fēng)壓最大值，對電機功率及扭矩進行核算[3]。

（3）DCU軟件設(shè)計要求。正確設(shè)計DCU軟件也是確保站臺門正常開關(guān)門的基礎(chǔ)條件，如DCU設(shè)置的電機輸出力（限制電流）過小，甚至未考慮系統(tǒng)固有阻力，那么就容易造成受風(fēng)壓影響出現(xiàn)關(guān)門故障的情況。正確的DCU軟件設(shè)計電機的輸出力（限制電流）應(yīng)為F固+150 N（阻止關(guān)門力），其中系統(tǒng)固定阻力是一定要涵蓋在內(nèi)的;另外軟件設(shè)計時，應(yīng)在此基礎(chǔ)上上下浮動，形成若干條電流曲線，實際應(yīng)用于工程時，可根據(jù)實際需要通過DCU軟件調(diào)整以選擇相應(yīng)合適的電流曲線。

（4）減小傳動系統(tǒng)摩擦系數(shù)，弱化風(fēng)載影響。解決站臺門開關(guān)門故障最直接的辦法是控制最大風(fēng)載引起的系統(tǒng)運行阻力不大于150 N，辦法是降低傳動系統(tǒng)摩擦系數(shù)，如站臺門系統(tǒng)驅(qū)動裝置頂部導(dǎo)輪由原扁平型結(jié)構(gòu)改為球形滾輪結(jié)構(gòu)，底部導(dǎo)靴與導(dǎo)槽由原滑動摩擦改為滾輪摩擦方式，可大大減少風(fēng)壓引起的運行阻力，可先進行理論計算，并在樣機上驗證。

（5）采用智能型DCU。要根本解決在高風(fēng)壓情況下站臺門滑動門關(guān)門不利的問題，采用智能型DCU也是可行的辦法之一。智能型DCU能判別在滑動門無法關(guān)閉時障礙物的類型（乘客障礙物或風(fēng)壓/風(fēng)速），如是風(fēng)壓/風(fēng)速，系統(tǒng)可對電機輸出關(guān)門力進行智能動態(tài)調(diào)整，以確?；瑒娱T正常按時、準確關(guān)閉，并且不影響乘客，確保安全性。

5? ? 結(jié)語

綜上所述，本文對站臺門受隧道活塞風(fēng)壓影響造成開關(guān)門故障的問題進行了系統(tǒng)性分析，對站臺門傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型、傳動系統(tǒng)計算、電機選型、軟件設(shè)計等方面進行了研究，并最終提出了基于隧道動態(tài)風(fēng)壓的軌道交通站臺門系統(tǒng)設(shè)計方案及解決措施，希望本文的分析可為地鐵的安全運營提供可供參考的意見。

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收稿日期：2020-04-03

作者簡介：劉鑫美（1983—），男，福建龍巖人，工程師，從事地鐵站臺門、電扶梯、防淹門系統(tǒng)設(shè)計工作。