高速鐵路智能站臺門系統(tǒng)低溫適應性研究

左艷芳，魏耀南，馬騰飛，韓鵬飛，孫安生

（北京經(jīng)緯信息技術有限公司 北京 100081）

站臺門的應用技術已非常成熟，并廣泛應用于地鐵、城際項目中，由于地鐵、城際線路往往“依城而建”，地域跨度不大，很少出現(xiàn)過大溫度差，所以，目前線路運行的站臺門系統(tǒng)均為統(tǒng)一的配置，未進行特殊處理?！惰F路技術管理規(guī)程》（高速鐵路部分）第143 條中對旅客站臺規(guī)定：有200 km/h及以上列車通過的須設置屏蔽門、安全門等防護設施，列車通過最高速度不得超過250 km/h[1]。因此，鐵路引進站臺門系統(tǒng)是一個必然趨勢。

鐵路與地鐵、城際線路地域范圍不同，它跨度更廣，運行范圍更遠，例如，齊海滿快速鐵路突破了動車組列車的最低耐寒溫度?40 ℃，這條鐵路的延線最低溫度為?45 ℃，由此可見，鐵路運營地區(qū)的環(huán)境溫度不再是常規(guī)的?25 ℃～45 ℃。常規(guī)站臺門的基本性能已無法滿足在低溫壞境下運行的需求，由于氣溫的急劇變化，運行中可能會出現(xiàn)電機啟動困難、門體運行阻力增大出現(xiàn)遇阻、門體運行“凍卡”、控制系統(tǒng)失靈等現(xiàn)象，從而可能導致整個站臺門系統(tǒng)癱瘓。所以，低溫環(huán)境下站臺門的設計參數(shù)需要調整，設計原則也需重新制定，以適應鐵路的運行環(huán)境。為實現(xiàn)站臺門系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的正常運行，本文提出站臺門系統(tǒng)溫度適用性概念和能夠自適應溫度急劇變化的智能站臺門系統(tǒng)設計方案，從結構和控制兩方面解決低溫情況下結構強度低和控制系統(tǒng)故障的問題。

1 低溫環(huán)境下站臺門的結構適應性

1.1 站臺門框架結構的環(huán)境溫度適應性

站臺門框架主要是由材質為碳素鋼、不銹鋼或鋁合金（表面氟碳噴涂處理）、鋼化安全玻璃組成的組合體，其中，承重主結構廣泛采用Q235B 碳素鋼，此承重結構的環(huán)境適用溫度為?29 ℃～343 ℃；不銹鋼和鋁合金材質一般應用于外修飾面，不銹鋼的環(huán)境適用溫度為?196 ℃～800 ℃[2]；鋁合金一般的環(huán)境適用溫度為?47 ℃～121 ℃，但是鋁合金經(jīng)過調節(jié)其中某些微量金屬元素含量后，適用低溫可達到?183 ℃；鋼化安全玻璃的環(huán)境適用溫度為?74 ℃～280 ℃，從以上框架材質特性可知：除常用的承重結構碳素鋼Q235B 不能滿足低溫環(huán)境，其他材質均能滿足低溫環(huán)境的要求。

對于碳素鋼Q235，由于沖擊溫度不同，以及材料中微量元素含量的不同，又細分為Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q235E，其材料的冷脆性能也有所不同，Q235A→Q235E，冷脆性能逐漸增強，因此，采用Q235E 材質更能適應低溫的環(huán)境。

1.2 站臺門傳動系統(tǒng)環(huán)境溫度適應性

站臺門核心傳動系統(tǒng)由動力傳動機構和導向機構組成。

1.2.1 動力傳動機構

動力傳動機構形式又分為同步帶輪和齒輪齒條兩種，這兩種傳動機構均不需要潤滑脂進行潤滑，但是材質溫度的敏感度卻有很大不同。

（1）同步帶輪結構

同步帶輪主要材質為橡膠和碳鋼，橡膠對于溫度的敏感度較高，一般橡膠材質當溫度低至?25 ℃時，會出現(xiàn)硬度、脆性增加的特點，從而出現(xiàn)皮帶打滑、脫皮、斷裂等現(xiàn)象。汽車行業(yè)針對橡膠同步帶進行了深入研究[3]，采用一些處理方式后，橡膠的適用溫度能達到?40 ℃，但是，若要能適應更低的溫度則比較困難，低溫橡膠同步帶與普通同步帶的性能參數(shù)要求如表1 所示。

由表1 數(shù)據(jù)可知，低溫環(huán)境下站臺門若采用同步齒輪帶傳動，需要付出較多成本，效果也會受工藝的限制。

表1 低溫、普通同步帶性能參數(shù)

（2）齒輪齒條結構

齒輪齒條材質為高強度鋼，鋼材可選擇的種類較多，選擇對于環(huán)境溫度的敏感度不高、可以耐受低溫環(huán)境的低溫鋼材[4]，通過特定工藝后，可容易地達到低溫應用環(huán)境要求。目前，較常用于齒輪齒條的42CrMo 鋼[5]的韌脆轉變溫度約為?50 ℃，能較好地滿足鐵路站臺門的低溫環(huán)境應用要求。

綜上所述，站臺門動力傳動機構在低溫環(huán)境下應選擇齒輪齒條結構的傳動方式，且此傳動方式具有終身免維護性，減少了設備后期維護工作。

1.2.2 導向機構

導向機構形式又分為滑塊直線導軌和滾輪直線導軌兩種，其中，滑塊直線導軌需要潤滑脂進行潤滑，滾輪直線導軌無需潤滑脂。

（1）滑塊直線導軌結構

滑塊直線導軌由于需要使用潤滑脂而限制了使用的環(huán)境溫度，目前，市面上有兩種潤滑脂：a. 應用于標準環(huán)境的潤滑脂，使用溫度一般為?25 ℃～160 ℃；b. 應用于低溫環(huán)境的潤滑脂，使用溫度一般為?45 ℃～160 ℃。隨著溫度降低，潤滑脂結構強度增大，流變特性復雜，進而導致潤滑脂輸送困難[6]。此外環(huán)境灰塵對于潤滑脂也有很大的影響，很多潤滑脂的應用場合會因為環(huán)境灰塵太大，導致滑塊直線導軌運行出現(xiàn)滑塊注油障礙，甚至出現(xiàn)滑塊損壞的情況，由此可知，滑塊直線導軌對于環(huán)境要求較高。

（2）滾輪直線導軌結構

滾輪直線導軌不使用潤滑脂，是否適應低溫環(huán)境完全取決于滾輪的材質，故滾輪材質是適用低溫環(huán)境的關鍵因素。滾輪材質一般采用單體澆鑄（MC，Monomer Casting）尼龍[7]，屬于尼龍6，未改性的尼龍6 擁有強度高、剛度高、硬度高，抗蠕變，耐磨，耐熱老化等特性，但是韌性和疲勞性不夠理想，改性的尼龍6 則克服了其缺點，在原來特性的基礎上擁有高韌性和耐疲勞性，且成本較低，工業(yè)上常將其用作齒輪齒條的材料。因此，將改性的尼龍6 選作導向材質非常適合[8-9]。

MC 尼龍具有自潤滑、可塑性強等特性，通過改變其成分含量可得到不同性質的工程塑料，其低溫適應性問題已經(jīng)解決，目前，廣泛應用于工程項目的材質環(huán)境適用溫度為?45 ℃～120 ℃，通過調整內(nèi)部物質含量，低溫適應性會更好，甚至能達到超低溫的狀態(tài)，所以采用MC 尼龍材質的滾輪式結構是低溫環(huán)境下的更佳選擇。

滾輪傳動結構如圖1 所示。

圖1 不同形式的滾輪結構

滾輪結構一般采用注塑成型，很多復合材料的綜合性能也非常好，且冷脆性不明顯，能較好地適應低溫的應用環(huán)境[10-12]，這也為后期站臺門的應用材料和設置結構提供了很大的開發(fā)空間，更有利于站臺門的發(fā)展。

綜上所述，導向機構采用滾輪直線導軌結構更適用于低溫環(huán)境下門體系統(tǒng)。

2 低溫環(huán)境下站臺門的控制系統(tǒng)智能適應性

為保證站臺門在低溫環(huán)境下的正常運行，低溫環(huán)境下的站臺門控制系統(tǒng)由常規(guī)站臺門控制系統(tǒng)和站臺門預熱系統(tǒng)組成，可采用手動和自動兩種控制模式。常規(guī)站臺門控制系統(tǒng)主要包括電機、門鎖、門控單元及監(jiān)控中心。

門控單元低溫控制邏輯關系是反映門體智能性的一個重要的指標，采用閉環(huán)式低溫控制邏輯，如圖2 所示。

圖2 門控單元低溫環(huán)境控制邏輯

預熱控制系統(tǒng)使常規(guī)站臺門控制系統(tǒng)運行在合適的環(huán)境溫度，具有集中控制、無級調溫及回差控制、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集冗余控制等功能。

2.1 集中控制

站臺控制器通過通過現(xiàn)場總線集中控制技術，對站臺門系統(tǒng)各門機系統(tǒng)（包括預熱控制系統(tǒng)）實施集中控制，可采用雙向數(shù)字通信，將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能，集中到站臺控制器統(tǒng)一管理。

2.2 無級調溫及回差控制

采用經(jīng)典比例積分微分（PID，Proportion Integration Differentiation）智能控制算法。通過PID 控制參數(shù)設置，有效減少起始時的超調量；通過程序算法編寫，實現(xiàn)溫度回差控制；當溫度在報警值周圍回差內(nèi)波動變化時，控制器輸出不會反復跳變，減少對控制設備及加熱裝置的損害。

2.3 遠程監(jiān)控

通過現(xiàn)場總線RS485 接口，采用Modbus 通信協(xié)議，實現(xiàn)對預熱系統(tǒng)工作參數(shù)遠程錄入，對加熱回路實時監(jiān)測，實現(xiàn)事故報警、運行數(shù)據(jù)自動存儲和調用，并可將預熱系統(tǒng)狀態(tài)上傳到監(jiān)控中心[13]，保證加熱裝置可靠運行。

2.4 數(shù)據(jù)采集冗余控制

門控單元采集站臺門關鍵部件的溫度信息，并制定出最佳控制策略、預熱系統(tǒng)啟停邏輯，實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的冗余容錯控制。

3 結束語

常規(guī)站臺門系統(tǒng)在鐵路領域難以適應低溫環(huán)境，制約了站臺門在鐵路行業(yè)的推廣和應用，針對低溫環(huán)境問題，本文提出站臺門系統(tǒng)溫度適用性概念和能夠自適應溫度急劇變化的智能站臺門系統(tǒng)設計方案。

（1）智能站臺門要適應低溫的應用環(huán)境，必須根據(jù)地域分別設計。常規(guī)地帶，承重結構可選擇經(jīng)濟型較好的Q235B 碳素鋼；低溫地帶，承重結構采用冷脆性較低的Q235E 碳素鋼；

（2）傳動結構采用齒輪齒條傳動與滾輪式導向組合體，在適應低溫環(huán)境的同時，又能兼顧經(jīng)濟成本；

（3）控制系統(tǒng)采用常規(guī)、低溫兩種控制模式，環(huán)境溫度的分界點建議為?25 ℃，常規(guī)模式時，執(zhí)行常規(guī)控制方式；低溫模式時，控制系統(tǒng)配有低溫預熱系統(tǒng)，其低溫轉化控制功能能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動切換到低溫模式；

（4）智能站臺門系統(tǒng)的低溫適應性問題，需要結構和控制的相互配合才能完美解決。

目前， 在實驗室環(huán)境下塔建了智能站臺門系統(tǒng)并完成對該系統(tǒng)的試驗，試驗結果表明，該系統(tǒng)能克服極寒環(huán)境給站臺門運行帶來的不利影響，滿足站臺門系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運行需求。