城市軌道車輛客室門隔離鎖研究

文/單玉兵，南京康尼機(jī)電股份有限公司

城市軌道交通由于高密度運(yùn)轉(zhuǎn)，列車行車時(shí)間間隔短，行車速度高，列車編組輛數(shù)多而具有較大的運(yùn)輸能力。城軌列車由于運(yùn)行在專用軌道上，沒有平交道口，不受其他交通工具干擾，并且有先進(jìn)的通訊信號(hào)設(shè)備，極少發(fā)生交通事故。因此軌道交通普遍具有運(yùn)量大、速度快、班次密、安全舒適、準(zhǔn)點(diǎn)率高、全天候、運(yùn)費(fèi)低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被世界范圍內(nèi)廣泛使用。在城軌交通眾多特點(diǎn)中，安全可靠是乘客的基本需求和首要標(biāo)準(zhǔn)，也是軌道交通運(yùn)營的重要主題。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,軌道交通的事故中約有25%以上是由車門故障所引起的,所以軌道列車的車門系統(tǒng)對(duì)于列車的運(yùn)行和乘客的安全可靠來說十分重要。當(dāng)門系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，司機(jī)或者乘務(wù)員應(yīng)根據(jù)故障級(jí)別對(duì)列車做響應(yīng)處理。而隔離作為車門常用的故障處理手段，既避免了列車清客下線保障了運(yùn)營的連續(xù)性，又旁路了列車門系統(tǒng)故障，確保安全運(yùn)營。

城軌車門隔離鎖裝置分析

根據(jù)隔離鎖的功能、安裝位置、結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)分別對(duì)不同類型的隔離鎖進(jìn)行介紹：

隔離鎖功能：隔離鎖應(yīng)具備兩大功能：隔離和機(jī)械鎖閉。所謂隔離是指當(dāng)列車門系統(tǒng)出現(xiàn)故障后（比如關(guān)/鎖到位開關(guān)失效），列車安全互鎖回路無法閉合則無法繼續(xù)牽引；此刻操作隔離將激活隔離開關(guān)，對(duì)已有故障的關(guān)/鎖到位開關(guān)進(jìn)行旁路，列車安全互鎖回路閉合，列車可繼續(xù)牽引至下一站或者回庫進(jìn)行檢修。

機(jī)械鎖是指當(dāng)門系統(tǒng)鎖閉系統(tǒng)出現(xiàn)故障后（無法鎖閉），隔離鎖除了上述隔離功能外，應(yīng)同時(shí)具備機(jī)械鎖閉功能。此機(jī)械鎖閉的強(qiáng)度需滿足EN14752標(biāo)準(zhǔn)要求——門系統(tǒng)可抗開門方向力1200N下不產(chǎn)生鎖閉失效或者零件部件功能失效。

隔離鎖安裝位置：根據(jù)不同用戶的需求，隔離鎖位置各有不同，但操作隔離鎖對(duì)象應(yīng)為車輛授權(quán)人員，如乘務(wù)員或者司機(jī)。一般情況下，隔離操作應(yīng)為車內(nèi)隔離，亦有特殊需求從軌面外部隔離。在該需求下，隔離鎖高度位置需要兼顧車內(nèi)隔離與車外軌面解除隔離，因此一般設(shè)置在右側(cè)門板下部約1/3高處。下圖表對(duì)常見的隔離鎖位置和特點(diǎn)進(jìn)行分析：

圖1 隔離鎖位置及特點(diǎn)

隔離鎖結(jié)構(gòu)：因安裝位置不一樣，導(dǎo)致隔離鎖結(jié)構(gòu)差異較大，下面分別介紹上述四種位置的隔離鎖大體結(jié)構(gòu)：

·安裝于側(cè)立罩：該位置隔離鎖一般用于內(nèi)藏&外掛移門、密閉門，其基本原理為操作隔離鎖鎖芯后，隔離鎖閂旋轉(zhuǎn)一定角度后插入門板預(yù)留的鎖槽內(nèi)，可阻止門扇向開門方向移動(dòng)，同時(shí)觸發(fā)隔離鎖開關(guān)并提供信號(hào)給門控器，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電隔離功能。此種結(jié)構(gòu)隔離鎖無法實(shí)現(xiàn)外部操作，一旦操作隔離，當(dāng)緊急逃生時(shí)必須由乘務(wù)員從內(nèi)部解鎖后才能實(shí)現(xiàn)開門逃生，同時(shí)因該裝置獨(dú)立于門系統(tǒng)，操作裝置不受門系統(tǒng)狀態(tài)限制，存在開門隔離的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮并避免，無法避免時(shí)應(yīng)告知客戶此風(fēng)險(xiǎn)。

·安裝于車輛內(nèi)側(cè)頂罩：該位置隔離鎖一般用于塞拉門、外掛移門，其基本原理為操作隔離鎖鎖芯后，帶動(dòng)隔離鎖鎖鉤旋轉(zhuǎn)，從而勾住門板連接板的銷軸，實(shí)現(xiàn)阻止門扇往開門方向移動(dòng)。同時(shí)隔離鎖芯上有一凸輪觸發(fā)隔離鎖開關(guān)，提供給門控器隔離信號(hào)。此種結(jié)構(gòu)隔離鎖能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)鎖閉左右門扇，但因安裝在內(nèi)部頂側(cè)罩板，無法從外部操作，同樣存在緊急逃生時(shí)必須由乘務(wù)員從內(nèi)部解鎖后才能實(shí)現(xiàn)開門逃生的問題，另因頂部空間限制，該位置并不便于日常檢查及維護(hù)，維護(hù)成本相對(duì)較高。

·安裝于右側(cè)門板左上部位：該位置隔離鎖一般用于內(nèi)藏&外掛移門，其基本原理為操作隔離鎖鎖芯后，隔離鎖閂從門板上部伸出，進(jìn)入上部導(dǎo)軌卡槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)阻止門扇往開門方向移動(dòng)。同時(shí)鎖閂推動(dòng)一個(gè)開關(guān)觸發(fā)板，引起開關(guān)信號(hào)跳變，提供給門控器隔離信號(hào)。此種結(jié)構(gòu)隔離鎖能實(shí)現(xiàn)外部操作，但是因?yàn)楦綦x鎖芯處于門扇頂部，外部操作時(shí)需要云梯等輔助工具，可操作性并不強(qiáng)，且該裝置在門扇頂部開口，破壞門板密封性，有導(dǎo)致門扇內(nèi)部進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。

·安裝于右側(cè)門板右下部位：該位置隔離鎖一般用于內(nèi)藏&外掛移門，其基本原理為操作隔離鎖鎖芯后，隔離鎖閂從門板側(cè)邊伸出，與車體產(chǎn)生限位關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)阻止門扇往開門方向移動(dòng)。同時(shí)鎖閂轉(zhuǎn)動(dòng)后直接觸發(fā)開關(guān)，引起開關(guān)信號(hào)跳變，提供給門控器隔離信號(hào)。此種結(jié)構(gòu)隔離鎖同樣可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部同步操作，隔離鎖芯處于門扇下部，解決了外部操作受高度限制問題，同時(shí)也解決了門扇頂部開口密封問題，但因靠近車體側(cè)立柱，在方案設(shè)計(jì)時(shí)需要注意鎖芯相對(duì)車體側(cè)立柱的距離，確保有足夠的鑰匙操作空間。

隔離鎖設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

·易接近：操作接口應(yīng)易接近且便于乘務(wù)員操作，隔離狀態(tài)應(yīng)能夠清晰明示；

·密封性：隔離鎖安裝后，不能影響車體或者門扇的密封性；

·安全性：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免開門可隔離，具有操作防錯(cuò)性，且強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

·簡易性：在保證功能的同時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量的簡單，空間占用比例盡量少，便于日常維護(hù)。

綜上，從上述介紹的四種方案中，將隔離鎖安裝在門板右下部位能夠滿足上述所有設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作為首選方案。

安全分析與驗(yàn)證

當(dāng)門系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，隔離鎖作為第二套鎖閉裝置，機(jī)械強(qiáng)度及穩(wěn)定性均要可靠，一旦隔離功能失效，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致列車開門運(yùn)營的風(fēng)險(xiǎn)，這將直接影響乘客的生命安全。因此隔離鎖的可靠性和安全性十分重要。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則采用更顯矩陣進(jìn)行安全性評(píng)估。嚴(yán)重度分級(jí)如下：

嚴(yán)重性等級(jí) 對(duì)人或者環(huán)境的影響 對(duì)運(yùn)營的影響I 災(zāi)難的 多人死亡和/或多重嚴(yán)重傷害和/或?qū)Νh(huán)境嚴(yán)重破壞I I 嚴(yán)重的 單一的災(zāi)禍和/或嚴(yán)重傷害和/或?qū)Νh(huán)境重大的損害失去主要系統(tǒng)I I I 輕度的 較小的傷害和/或?qū)Νh(huán)境有重大的威脅嚴(yán)重系統(tǒng)損壞I V 輕微的 可能有較小的傷害 輕微的系統(tǒng)損壞

頻度分級(jí)如下：

等級(jí) 頻率 頻率A 經(jīng)常發(fā)生的 >1 0次（壽命周期內(nèi)） > 1.0 0 E-5/小時(shí)B 可能發(fā)生的 <1 0次（壽命周期內(nèi)） < 1.0 0 E-5/小時(shí)C 偶然發(fā)生的 <1次（壽命周期內(nèi)） < 1.0 0 E-6/小時(shí)D 很少發(fā)生的 <0.1次（壽命周期內(nèi)） < 1.0 0 E-7/小時(shí)E 不可能發(fā)生的<0.0 1次（壽命周期內(nèi)） < 1.0 0 E-8/小時(shí)F 難以置信發(fā)生的<0.0 0 1次（壽命周期內(nèi)） < 1.0 0 E-9/小時(shí)

嚴(yán)重度分類矩陣：

注：R1：可忽略的；R2：可容忍的；R3：不希望有的；R4：無法接受的

僅當(dāng)綜合安全等級(jí)評(píng)定為R1時(shí)，當(dāng)前設(shè)計(jì)才被認(rèn)為是安全可靠的。當(dāng)前軌道門系統(tǒng)隔離鎖常見危害識(shí)別如下：

潛在危害 潛在原因 減輕措施列車運(yùn)營時(shí)，被隔離的門電氣意外驅(qū)動(dòng)或者打開門控器驅(qū)動(dòng)開門1. 門系統(tǒng)隔離后，不響應(yīng)任何開門指令；2. 機(jī)械裝置可靠，當(dāng)電機(jī)開門時(shí)，可以承受電機(jī)開門力；列車運(yùn)營時(shí)沒被隔離的門意外打開乘客操作了E E D 1.乘客操作E E D，車門不解鎖；2.隔離裝置因能承受E E D的解鎖力；列車停止在站臺(tái)時(shí)，開著門發(fā)出門未關(guān)到位時(shí)意外隔離1-當(dāng)門控器診斷出故障時(shí)，判斷門位置，若未處于關(guān)鎖到位位置，則驅(qū)動(dòng)關(guān)門2-隔離開關(guān)與額外的鎖到位開關(guān)串聯(lián)，旁路安全回路緊急情況時(shí)，車門無法從內(nèi)部操作緊急解鎖裝置打開發(fā)生緊急情況時(shí)，乘客無法解隔離發(fā)生緊急情況時(shí)，通過其他車門逃生；緊急情況時(shí)，車門無法從外部操作解鎖裝置打開發(fā)生緊急情況時(shí)，車外救援人員無法解隔離發(fā)生緊急情況時(shí)，通過其他車門逃生；

通過對(duì)上述常見危害識(shí)別進(jìn)行判定，開門發(fā)車嚴(yán)重度評(píng)估為I級(jí)（災(zāi)難的）。利用故障樹分析法分析“列車在車門沒有關(guān)到位的情況下發(fā)車”的風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)定該風(fēng)險(xiǎn)事件的失效率為5.64075E-14/h。因“列車在車門沒有關(guān)到位的情況下發(fā)車”的風(fēng)險(xiǎn)頻度為F，故根據(jù)下表得出，期綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為R1，可忽略的（無需任何同意即可接受）。基本事件：隔離鎖的機(jī)械強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致隔離裝置損壞、機(jī)械隔離功能失效，致使本該被隔離的門系統(tǒng)可能會(huì)在列車運(yùn)營的過程中被打開，因此隔離鎖的機(jī)械強(qiáng)度驗(yàn)證應(yīng)作為關(guān)鍵驗(yàn)證項(xiàng)點(diǎn)納入設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)節(jié)。

ID 描述 失效率Q事件 1 鎖到位開關(guān)組件故障（無法釋放） 2.3636E-7事件 2 關(guān)到位開關(guān)組件故障（無法釋放） 2.3636E-7事件 3 關(guān)門保護(hù)失效 2.57465E-10事件 4 隔離開關(guān)組件故障（以外觸發(fā)） 2.57465E-10中間事件 1車門未關(guān)到位且安全回路錯(cuò)誤閉合 5.5866E-14中間事件 2隔離開關(guān)以外觸發(fā)且主動(dòng)關(guān)門失效 5.41559E-16

根據(jù)EN 14752的標(biāo)準(zhǔn)要求，隔離鎖舌需要承受開門方向1200N的力門不被打開。隔離鎖的強(qiáng)度受材質(zhì)及自身結(jié)構(gòu)的影響，本文對(duì)截面6mm×9mm材質(zhì)為ZG12Cr18Ni9的鎖舌進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

門板前沿承受1200N時(shí)，鎖舌變形0.05mm，持續(xù)加力至3000N時(shí)變形量增加至1.46mm，此時(shí)門系統(tǒng)隔離功能正常，但門系統(tǒng)不能退出隔離，故該材質(zhì)截面的極限加載強(qiáng)度為2000N，當(dāng)加載力超出2000N時(shí)門系統(tǒng)隔離功能正常，不存在安全隱患，整體滿足EN14752的設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)見下表，鎖舌的殘余變形曲線圖見圖2。

施加力 隔離鎖舌變形量（mm） 隔離功能 退出隔離1200N 0.05 正常 正常2000N 0.7 正常 正常2400N 1 正常 無法退出3000N 1.46 正常 無法退出

圖2 外載荷和殘余變形關(guān)系

隔離鎖對(duì)門系統(tǒng)的安全及列車的可靠運(yùn)行有著深遠(yuǎn)的影響，車輛及乘客的安全是設(shè)計(jì)中的重中之重，不同位置的隔離鎖功能及安全性能上存在一定的差異性，雖然隔離鎖的操作位置由主機(jī)廠根據(jù)業(yè)主的需求提前完成確認(rèn)，但設(shè)計(jì)師在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮并分析可能存在的安全隱患，并告知客戶存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以提高門系統(tǒng)及整車的安全及可靠性。