強載荷作用下地鐵屏蔽門結構設計及有限元分析

韓曉蘭，王城飛

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

速度快、運輸效率高的地鐵使我國的交通問題得到有效緩解，推動了經濟的持續(xù)發(fā)展。目前，我國的16座城市大力發(fā)展城市軌道交通，這不僅解決了老百姓的出行難的問題，還降低了交通出行成本。地鐵屏蔽門的出現(xiàn)以及發(fā)展為地鐵站臺人們的出行帶來了安全保障，越來越得到人們的肯定。

地鐵屏蔽門系統(tǒng)已經越來越成為地鐵建設中的不可或缺的重要部分，并且也越來越成為地鐵軌道運輸中的列車全自動運行實現(xiàn)的重要基礎，地下鐵道乘客的安全性以及乘車舒適度也越來越被重視。與此同時地鐵軌道交通運輸?shù)男室约斑\行能力也需進一步提高，地下鐵道軌行區(qū)的運行速度也在逐漸被提升。地下鐵道軌行區(qū)運行速度增加，迫使地鐵軌行區(qū)活塞風壓對站臺屏蔽門荷載作用也越來越被提高，地鐵站臺屏蔽門自身的結構強度受到了越來越大的挑戰(zhàn)。

軌道交通運營實踐表明地鐵站臺屏蔽門的開關門性能和自身結構強度受到軌行區(qū)隧道活塞風壓的顯著作用，地鐵車輛在軌行區(qū)隧道內運行狀況相比于活塞運行又有所不同，地鐵車輛前方的氣流一部分沿地鐵車輛與軌行區(qū)隧道之間的環(huán)形空間產生回流，又有一部分被推動向前，這主要是因為空間之內的黏性作用和氣流會對軌行區(qū)隧道內壁之間和地鐵車輛表面會有摩擦作用，從而會使地鐵車輛擠出的氣流不同于在開放大空間中的形式能夠及時散開。所以在地鐵車輛運行時正前方氣流受到擠壓時會形成特定的壓力變化進程，從而造成空氣動力學效應，空氣動力學效應會因為行車速度加快而加劇。在地鐵車輛的運行過程中，通常車頭部位的壓力偏高，通常為正壓，一般車尾位置壓力偏低，為負壓，車身中間部位壓力介于二者之間，且會從車頭部位向車尾部位逐漸遞減，會隨著地鐵車輛的運行方向從前到后出現(xiàn)壓力梯度。

屏蔽門系統(tǒng)的整體強度設計通常根據(jù)隧道內的最大風壓值設計，但是近年來地鐵客運量極速增加，在考慮經濟性的同時，提高發(fā)車頻率、發(fā)車密度無疑是增加線路運力的不二選擇。但地鐵屏蔽門的受壓會隨著發(fā)車頻率、發(fā)車密度的提高而增加，當達到一定程度時，隧道風壓會急劇增加，給屏蔽門的安全性能帶來極大考驗［1］。

目前，在國內沒有屏蔽門的地鐵線上，時常會發(fā)生一些安全事故。近年來，地鐵客運量以及客運時間顯著提高，安全事故隱患也隨之提高。在地鐵站臺安裝屏蔽門可以同時滿足降低地鐵運行能源損耗，減少維護保養(yǎng)成本支出，保證乘客安全乘坐地鐵等目標需求?，F(xiàn)在屏蔽門系統(tǒng)在軌道交通建設中體現(xiàn)越來越重要的作用，各個屏蔽門廠家、設計單位以及各高等院校都在研究，并發(fā)表了許多文章，鐵道第二勘察設計院的向駿在對屏蔽門的防夾設計、控制設計等方面進行設計。中南大學、廣州市地下鐵道設計研究院的楊偉超等［2］在對地鐵活塞風作用下屏蔽門的氣動特性進行探討。華南理工大學的陳海輝［3］提出了一種地鐵屏蔽門的機械設計方案，闡述主要部件的構造和作用、研究屏蔽門承受的外荷載，提出工況組合及校核內容，采用板單元、梁單元組合假設來簡化力學模型。南京理工大學的尹盼春［4］完成了屏蔽門的硬件電路設計，其中的控制系統(tǒng)包含電源、驅動、控制等模塊。華南理工大學岑永明［5］借鑒上海地鐵10號線地鐵工作經驗在他的機電拖動系統(tǒng)設計方案中設計了屏蔽門的絕緣系統(tǒng)。南京理工大學雷菊珍［6］分析計算主要承載部件的強度和剛度，對屏蔽門系統(tǒng)進行有限元分析。

本文根據(jù)太原地鐵工程需求設計門體、門機等系統(tǒng)在內的機械結構。并基于ANSYS軟件模擬極限載荷下地鐵屏蔽門門體結構的強度、剛度及穩(wěn)定性。最后在實驗室進行風荷載（風壓荷載）與線荷載（人群擠壓荷載）的模擬，驗證門體結構的可靠性以及穩(wěn)定性［7-8］。

1 地鐵屏蔽門系統(tǒng)的有限元分析

1.1 地鐵屏蔽門系統(tǒng)結構的有限元建模

對地鐵屏蔽門進行結構分析，包括滑動門、固定門、應急門（各寬986.5 mm、2 607 mm、1 303.5 mm）。立柱選材：70 mm×70 mm×4.0 mm，采用Q235B制造；門機梁選材：7 200 mm，6063-T5制造；門體（滑動門、固定門、應急門）鋼通型材選用304 L不銹鋼；固定門、應急門玻璃為10 mm厚的鋼化玻璃，滑動門玻璃為8 mm厚的鋼化玻璃。

本文基于ANSYS軟件，首先建立地鐵門體的幾何模型；其次，分析4種情況下地鐵門屏蔽系統(tǒng)的位移量及強度。屏蔽門結構采用底部固定約束，本文分析采用位移型約束，即約束結構3個方向的平動自由度；結構兩側約束X方向自由度結構頂部約束Z方向自由度。主要目的在于分析整個結構在4種情況下，門體結構的應力分布和位移云圖。4種情況包括：風荷載為900 N∕㎡、風荷載為-900 N∕㎡，線荷載為-1 000 N∕m、線荷載-1 000 N∕m與風荷載-900 N∕㎡的聯(lián)合作用。

1.2 有限元結果分析

4種情況下所獲得的地鐵屏蔽門系統(tǒng)的位移云圖和強度如下。

（1）工況一

在風荷載900 N∕m2的作用下，位移云圖如圖1～3所示。可以看出，該結構的最大位移為13.434 mm，發(fā)生在地鐵屏蔽門結構的固定門玻璃形心。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結構穩(wěn)定運行，且門框與玻璃的最大位移分別為5.402 3 mm、13.434 mm。

圖1 屏蔽門整體位移云圖

圖2 屏蔽門框架位移云圖

圖3 屏蔽門玻璃位移云圖

圖4所示為地鐵屏蔽門系統(tǒng)的等效應力分布（Equivalent Stress）云圖。通過查看結構應力云圖可以看出，結構最大應力在結構貼合處為156.77 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應力分布為藍色和綠色，說明應力均比較小，可以在此載荷條件下結構穩(wěn)定運行。

圖4 屏蔽門整體應力云圖

（2）工況二

在風荷載-900 N∕m2的作用下，位移云圖如5～7所示。圖中表明：最大位移在地鐵屏蔽門的固定門玻璃形心為14.003。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結構穩(wěn)定運行，且門框與玻璃的最大位移分別為5.627 6 mm、14.003 mm。

圖5 屏蔽門整體位移云圖

圖6 屏蔽門框架位移云圖

圖7 屏蔽門玻璃位移云圖

在風荷載-900 N∕m2的作用下，地鐵屏蔽門系統(tǒng)的應力云圖如圖8所示?？梢钥闯?，結構最大應力在結構貼合處為141.9 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應力分布為藍色和綠色，說明應力均比較小，可以在此載荷條件下結構穩(wěn)定運行。

圖8 屏蔽門整體應力云圖

（3）工況三

在線荷載-1 000 kN∕m的作用下，位移云圖如圖9～11所示，圖中可以看出，該結構的最大位移為6.794 5 mm，發(fā)生在地鐵屏蔽門結構的左應急門玻璃形心。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結構穩(wěn)定運行，且門框與玻璃的最大位移分別為4.145 6 mm、6.794 5 mm。

圖9 屏蔽門整體位移云圖

圖10 屏蔽門框架位移云圖

圖11 屏蔽門玻璃位移云圖

在線荷載-1 000 kN∕m的作用下，地鐵屏蔽門系統(tǒng)的應力云圖如圖12所示。結構最大應力在結構貼合處為188.95 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應力分布為藍色和綠色，說明應力均比較小，可以在此載荷條件下結構穩(wěn)定運行。

圖12 屏蔽門整體應力云圖

（4）工況四

在線荷載-1 000 N∕m與風荷載-900 N∕m2的聯(lián)合作用下，位移云圖如圖13～15所示。圖中可以看出，該結構的最大位移為15.004 mm，發(fā)生在地鐵屏蔽門結構的固定門玻璃形心。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結構穩(wěn)定運行，且門框與玻璃的最大位移分別為10.797 mm、15.004 mm。

圖13 屏蔽門整體位移云圖

圖14 屏蔽門框架位移云圖

圖15 屏蔽門玻璃位移云圖

在線荷載-1 000 kN∕m的作用下，地鐵屏蔽門系統(tǒng)的應力云圖如圖16所示。在應力云圖中表明，結構最大應力在結構貼合處為256.54 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應力分布為藍色和綠色，說明應力均比較小，可以在此載荷條件下結構穩(wěn)定運行。

圖16 屏蔽門整體應力云圖

2 實驗驗證

針對上面4種情況，對地鐵屏蔽系統(tǒng)樣機的結構測試。在該樣機上選取9個點，分別測量了9個點的位移量，分別是：（1）左滑動門左豎料框上端；（2）左滑動門左豎料框中點；（3）左滑動門左豎料框下端；（4）左滑動門右豎料框上端；（5）左滑動門右豎料框中點；（6）左滑動門右豎料框下端；（7）左應急門玻璃形心；（8）右滑動門玻璃形心；（9）固定門玻璃形心。

如表1～2所示，通過對比4種工況下有限元分析與實驗結果數(shù)據(jù)對比位移偏差接近，整個檢測過程由第三方出具檢測報告，達到工程設計指標要求。如圖17所示。

表1 門框有限元與實驗驗證最大位移量對比

表2 玻璃有限元與實驗驗證最大位移量對比

3 結束語

本文依托某市地鐵二號線工程，針對屏蔽門系統(tǒng)的結構，并根據(jù)某市地鐵二號線屏蔽門項目所要求的設計參數(shù)和技術指標，對4種極限工況下地鐵屏蔽門系統(tǒng)進行有限元分析與強度校核及結構測試實驗驗證。當風荷載為900 N∕m2、風荷載為-900 N∕m2。線荷載-1 000 N∕m與風荷載-900 N∕m2的聯(lián)合作用3種工況下，屏蔽門結構的最大位移主要發(fā)生在地鐵屏蔽門結構的固定門玻璃形心。當線荷載為-1 000 kN∕m時屏蔽門結構的最大位移主要發(fā)生在左應急門玻璃形心。4種工況載荷下，門框的最大位移均發(fā)生在左滑動門右塑料框中點。通過對比有限元分析以及實驗結果，本次設計符合強度、剛度及穩(wěn)定性的要求。

圖17 測點結構性能