跨座式單軌區(qū)間防護(hù)密閉隔斷門(mén)的研究與設(shè)計(jì)

王召林，王淑敬，盧屹東，徐 勝，殷 卓，彭 飛

(中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100048)

1 研制背景和意義

跨座式單軌交通如圖1所示，為眾多種類(lèi)城市軌道交通之一，由于其具有爬坡能力強(qiáng)(最大坡度100‰)、彎曲半徑小(最小可達(dá)30 m)以及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用于我國(guó)城市軌道交通建設(shè)。其中，重慶市建成了世界上里程數(shù)最長(zhǎng)的跨座市軌道交通線(xiàn)路[1-3]。

圖1 跨座式單軌

根據(jù)我國(guó)城市的地下交通干線(xiàn)以及其他地下工程的建設(shè)，應(yīng)當(dāng)兼顧人民防空需要的要求，建造于地下的跨座式單軌地下段也需要設(shè)置防護(hù)密閉門(mén)。為了滿(mǎn)足跨座式單軌隧道的設(shè)防要求，設(shè)計(jì)出一種適用于跨座式單軌系統(tǒng)的防護(hù)密閉隔斷門(mén)，既可以滿(mǎn)足防護(hù)密閉門(mén)雙向承受沖擊波荷載，又可以在戰(zhàn)時(shí)無(wú)需斷開(kāi)單軌的情況下實(shí)現(xiàn)完全密封[4-5]。

跨座式單軌區(qū)間防護(hù)密閉隔斷門(mén)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)單軌門(mén))的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決如下問(wèn)題：①單軌門(mén)開(kāi)閉的過(guò)程中無(wú)需斷開(kāi)單軌；②戰(zhàn)時(shí)跨座式單軌區(qū)間防護(hù)密閉隔斷門(mén)關(guān)閉的時(shí)候能夠通過(guò)快速操作，實(shí)現(xiàn)區(qū)間防護(hù)密閉門(mén)與門(mén)框和單軌的完全密封；③跨座式單軌存在尺寸制造公差和位置公差，以及單軌存在沿單軌方向的坡度，設(shè)計(jì)單軌門(mén)時(shí)需在滿(mǎn)足這些公差的情況下實(shí)現(xiàn)單軌門(mén)的密閉。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跨座式單軌交通系統(tǒng)的跨座式單軌區(qū)間防護(hù)密閉隔斷門(mén)如圖2所示，由門(mén)框1、大門(mén)扇2、大門(mén)扇鉸頁(yè)3、大門(mén)扇閉鎖4、軌道密封裝置5、密封裝置一6、小門(mén)扇7、小門(mén)扇鉸頁(yè)8、小門(mén)扇閉鎖9、密封裝置二10等組成。

1-門(mén)框；2-大門(mén)扇；3-大門(mén)扇鉸頁(yè)；4-大門(mén)扇閉鎖；5-軌道密封裝置；6-密封裝置一；7-小門(mén)扇；8-小門(mén)扇鉸頁(yè)；9-小門(mén)扇閉鎖；10-密封裝置二

工作原理：關(guān)門(mén)時(shí)，先將大門(mén)扇2繞大鉸頁(yè)3進(jìn)行平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大門(mén)扇2與軌道密封裝置5中左、右、上三側(cè)門(mén)框密封條的擠壓，再將小門(mén)扇7繞小鉸頁(yè)8進(jìn)行平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小門(mén)扇7的閉合；搖動(dòng)大門(mén)扇2上閉鎖機(jī)構(gòu)，使得大門(mén)扇閉鎖4的閉鎖頭緩慢進(jìn)入門(mén)框1對(duì)應(yīng)位置的閉鎖盒中完成大門(mén)扇2與門(mén)框1的密封，同時(shí)大門(mén)扇2一側(cè)的軌道密封裝置5與大門(mén)扇閉鎖4實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)；當(dāng)大門(mén)扇閉鎖4中閉鎖頭到達(dá)最大行程時(shí)，大門(mén)扇側(cè)軌道密封裝置向軌道側(cè)運(yùn)動(dòng)完成軌道密封裝置與單軌的密封；搖動(dòng)小門(mén)扇上閉鎖機(jī)構(gòu)，使得小門(mén)扇閉鎖9下側(cè)的閉鎖頭緩慢進(jìn)入下門(mén)框?qū)?yīng)位置的閉鎖盒中，上側(cè)閉鎖頭進(jìn)入大門(mén)扇上固定的閉鎖座中，完成小門(mén)扇7與大門(mén)扇2和門(mén)框的密封，同時(shí)小門(mén)扇一側(cè)的軌道密封裝置與小門(mén)扇側(cè)閉鎖實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)；當(dāng)小門(mén)扇閉鎖頭到達(dá)最大行程時(shí)，小門(mén)扇側(cè)軌道密封裝置向軌道側(cè)運(yùn)動(dòng)完成軌道密封裝置與單軌的密封。

2.1 門(mén)框設(shè)計(jì)

門(mén)框采用型鋼分體加工，由上框、下框、左框、右框組成。左、右、下門(mén)框設(shè)有鎖孔，承受閉鎖裝置鎖頭作用力；上、下門(mén)框采用與左、右框同一型號(hào)的型鋼。由于傳統(tǒng)錨筋在實(shí)際工程中存在焊接錨固筋和門(mén)框墻體鋼筋出現(xiàn)干涉問(wèn)題以及現(xiàn)場(chǎng)施工中容易虛焊的情況，為了簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)施工、降低鋼門(mén)框安裝難度以及提高鋼門(mén)框的安裝質(zhì)量，單軌門(mén)門(mén)框設(shè)計(jì)時(shí)鋼門(mén)框固定構(gòu)件采用承插式錨筋代替焊接式錨筋，如圖3所示。

圖3 門(mén)框錨筋示意圖

2.2 門(mén)扇設(shè)計(jì)

門(mén)扇是單軌門(mén)的主體，由大門(mén)扇、小門(mén)扇對(duì)開(kāi)組合。大門(mén)扇形狀類(lèi)似C型，門(mén)扇由骨架和面板焊接而成。

為了保證大、小門(mén)扇之間的密封性，在大門(mén)扇安裝有密封裝置，由密封架1和密封橡膠2組成，如圖4所示。其中密封架1與大門(mén)扇面板固定，當(dāng)小門(mén)扇關(guān)閉后小門(mén)扇面板與密封裝置密封橡膠2擠壓從而實(shí)現(xiàn)密封。

1-密封架；2-密封橡膠

2.3 閉鎖和鉸頁(yè)

設(shè)計(jì)時(shí)為了操作方便，實(shí)現(xiàn)快速臨戰(zhàn)轉(zhuǎn)換，軌道密封裝置采用聯(lián)動(dòng)的形式，通過(guò)操作閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)門(mén)扇的關(guān)閉與軌道密封裝置的密封。為了便于實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，閉鎖和軌道密封裝置采用外置的形式，位于門(mén)扇內(nèi)面板上。大、小閉鎖均采用減速器與剪式伸縮頂?shù)慕M合，通過(guò)剪式伸縮頂?shù)纳炜s實(shí)現(xiàn)閉鎖機(jī)構(gòu)中閉鎖頭的伸縮。剪式伸縮頂如圖5所示。大門(mén)扇閉鎖為左右水平伸縮，小門(mén)扇閉鎖為垂直伸縮。

圖5 剪式伸縮頂

鉸頁(yè)是單軌門(mén)的重要受力部件，與門(mén)扇連接，能夠?qū)崿F(xiàn)門(mén)扇的開(kāi)關(guān)和保證門(mén)扇的支撐可靠。鉸頁(yè)由上鉸頁(yè)座、下鉸頁(yè)座、鉸頁(yè)軸、承重臂、千斤頂組成。其中上、下鉸頁(yè)座與門(mén)框?qū)?yīng)的鉸頁(yè)底座固定。為了便于門(mén)扇關(guān)閉后有一個(gè)水平方向的微調(diào)，鉸頁(yè)座與門(mén)框鉸頁(yè)底座的連接孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)孔，孔中心距的大小為鉸頁(yè)水平方向最大的調(diào)節(jié)量。同時(shí)通過(guò)千斤頂實(shí)現(xiàn)大、小門(mén)扇在垂直方向的調(diào)節(jié)，千斤頂能夠與鉸頁(yè)座共同支撐門(mén)扇的重量，提高了鉸頁(yè)的安全系數(shù)。

2.4 軌道梁密封裝置

軌道梁密封裝置如圖6所示，主要由連桿組件1、轉(zhuǎn)臂組件一2、轉(zhuǎn)臂支座3、轉(zhuǎn)臂組件二4、連桿二5、上側(cè)擠壓裝置6、左側(cè)密封角鋼7、右側(cè)擠壓裝置8、滑動(dòng)軸承9、轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿10、垂直導(dǎo)向桿11、下側(cè)密封角鋼12、下側(cè)擠壓裝置13、左側(cè)密封角鋼14、左側(cè)擠壓裝置15等組成。

連桿組件位于大門(mén)扇側(cè)，如圖7所示，連桿組件的左端連接頭1與閉鎖機(jī)構(gòu)中剪式伸縮頂?shù)倪B接頭相連，右端連桿3與圖6中的左側(cè)擠壓裝置15中的推桿5連接。推桿5通過(guò)銷(xiāo)軸6與圖6中的密封角鋼7連接。導(dǎo)向擠壓座如圖8所示，設(shè)置有長(zhǎng)孔，長(zhǎng)孔末端設(shè)置有斜面，長(zhǎng)孔和擠壓座2個(gè)肋板實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向的導(dǎo)向作用。密封角鋼如圖9所示，其中的肋板2在導(dǎo)向擠壓座中進(jìn)行滑動(dòng)。

1-連接頭；2-輔助調(diào)節(jié)螺桿；3-連桿；4-擠壓裝置；5-推桿；6-銷(xiāo)軸

1-密封橡膠；2-肋板；3-角鋼

如圖6所示，當(dāng)大門(mén)扇側(cè)閉鎖閉合時(shí)，剪式伸縮頂連接頭向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，與軌道密封裝置左側(cè)連桿組件1相連的剪式伸縮頂連接頭推動(dòng)連桿組件1向單軌側(cè)移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)左側(cè)密封角鋼密封橡膠1(如圖9所示)與單軌和門(mén)扇的密封。

圖6中，連桿組件中的連桿與轉(zhuǎn)臂組件一連接，轉(zhuǎn)臂組件一與轉(zhuǎn)臂組件二相連；轉(zhuǎn)臂組件一和轉(zhuǎn)臂組件二均通過(guò)轉(zhuǎn)臂支座與門(mén)扇固定，二者均圍繞轉(zhuǎn)臂支座進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)臂組件二與連桿二相連，連桿二與上、下導(dǎo)向擠壓裝置中推桿相連；軌道密封裝置上、下兩側(cè)完全對(duì)稱(chēng)。工作時(shí)連桿組件帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂組件一轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂組件一帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂組件二轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂組件帶動(dòng)連桿二在垂直方向運(yùn)動(dòng)，連桿二通過(guò)推桿推動(dòng)上、下兩側(cè)的密封角鋼分別與單軌上、下兩側(cè)實(shí)現(xiàn)密封。

圖6中，軌道密封裝置右側(cè)擠壓裝置8、滑動(dòng)軸承9、垂直導(dǎo)向桿11安裝在小門(mén)扇面板上；轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿10與小門(mén)扇閉鎖機(jī)構(gòu)中剪式伸縮頂中絲桿相連；轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿10與垂直導(dǎo)向桿11焊接件上螺紋套筒連接，螺紋套筒與轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿采用梯形螺紋傳動(dòng)；垂直導(dǎo)向桿上、下兩端與右側(cè)導(dǎo)向擠壓裝置中推桿螺紋連接；垂直導(dǎo)向桿中導(dǎo)向桿通過(guò)滑動(dòng)軸承固定。當(dāng)小門(mén)扇閉鎖裝置關(guān)門(mén)時(shí)，閉鎖機(jī)構(gòu)中剪式伸縮頂中絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)右側(cè)軌道密封裝置中轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)垂直導(dǎo)向桿向單軌側(cè)運(yùn)動(dòng)，使得右側(cè)軌道密封裝置完成與單軌的密封。同樣，通過(guò)操作大、小門(mén)扇中閉鎖機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)軌道密封裝置的開(kāi)啟狀態(tài)。

3 有限元分析

鉸頁(yè)和門(mén)扇是單軌門(mén)重要的受力部件，為了保證跨座式防護(hù)密閉隔斷門(mén)門(mén)扇受沖擊波荷載以及鉸頁(yè)承受門(mén)扇重力的可靠性，對(duì)門(mén)扇和鉸頁(yè)進(jìn)行了有限元分析。

3.1 門(mén)扇有限元分析

門(mén)扇由上扇和下扇組成，因此分別對(duì)上扇和下扇進(jìn)行有限元分析，抗力級(jí)別選取六級(jí)。根據(jù)RFJ02—2009《軌道交通工程人民防空設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于區(qū)間防護(hù)密閉隔斷門(mén)，當(dāng)抗力級(jí)別為六級(jí)時(shí)，等效荷載為0.05 MPa。

對(duì)上扇左、上、右三邊施加約束，下端為自由端。圖10、圖11分別為上扇和上扇龍骨有限元模型應(yīng)力云圖。由圖10和圖11可知，上扇的最大應(yīng)力為218.68 MPa，發(fā)生的門(mén)扇龍骨自由端槽鋼與兩邊槽鋼焊接的地方。由于門(mén)扇龍骨和面板材料采用Q345，屈服強(qiáng)度是345 MPa,因此強(qiáng)度滿(mǎn)足要求[6-7]。

圖10 上扇有限元模型應(yīng)力云圖

圖11 上扇龍骨有限元模型應(yīng)力云圖

圖12、圖13分別為下扇和下扇龍骨有限元模型應(yīng)力云圖。由圖12和圖13可知，下扇的最大應(yīng)力為249.13 MPa。由于下扇龍骨和面板材料采用Q345，屈服強(qiáng)度是345 MPa，因此強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖12 下扇有限元模型應(yīng)力云圖

圖13 下扇龍骨有限元模型應(yīng)力云圖

3.2 鉸頁(yè)有限元分析

對(duì)鉸頁(yè)的重要受力部件承重臂和鉸頁(yè)底座進(jìn)行有限元分析。圖14為承重臂整體應(yīng)力云圖，承重臂的最大等效應(yīng)力為40.1 MPa，位于兩板連接處。圖15為下鉸頁(yè)座應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力為66.6 MPa，位于螺栓連接處。由于承重臂和下鉸頁(yè)底座選用材料均為Q345，屈服強(qiáng)度為345 MPa，因此滿(mǎn)足要求。

圖14 承重臂整體應(yīng)力云圖

圖15 下鉸頁(yè)座整體應(yīng)力云圖

4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)實(shí)現(xiàn)了在不斷開(kāi)跨座式單軌的情況下跨座式單軌區(qū)間防護(hù)密閉門(mén)的正常開(kāi)閉。

(2)所設(shè)計(jì)的跨座式單軌區(qū)間防護(hù)密閉隔斷門(mén)軌道密封裝置具有輔助調(diào)節(jié)功能，因此能夠很好地實(shí)現(xiàn)軌道密封裝置與單軌的密封。

(3)通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)軌道密封裝置，將軌道密封裝置的動(dòng)作與閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，操作簡(jiǎn)便，因此能夠更快速實(shí)現(xiàn)平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語(yǔ)

新設(shè)計(jì)的跨座式單軌區(qū)間防護(hù)密閉隔斷門(mén)成功解決了跨座式單軌地下段關(guān)門(mén)時(shí)不斷開(kāi)軌道梁并能保證密封的難題，具有操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、密封效果好的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)成果對(duì)于地鐵人防工程的建設(shè)具有重要的技術(shù)支撐作用。