HXD1型電力機車電動門設計

李昌奇 趙日出 呂清帆

（湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，株洲 412001）

八軸大功率交流傳動HXD1型電力機車由A節(jié)車和B節(jié)車重聯(lián)組成，整車額定功率為9 600 kW，最大運行速度為120 km·h-1。HXD1型電力機車在后端墻重聯(lián)處設有機械門（后端門），用于司乘人員往返A節(jié)車和B節(jié)車進行巡查、換端操作和維護檢修等[1]。在重聯(lián)處的傳統(tǒng)機械門采用碳鋼材質，機械式閉門器，但手動解鎖所需力矩大。由于機車在運行時機械間存在負壓，導致不易開門，且手動操作時存在夾傷司乘人員的安全隱患。新研發(fā)了一種通過感應信號驅動的電動門可以解決上述問題[2]，采用感應式開關門模式，當司乘人員進入感應區(qū)時，電動門執(zhí)行自動解鎖。整個過程司乘人員不需要對后端門手動進行任何操作，即可安全、快速通過重聯(lián)區(qū)域。

1 電動門概述

電動門主要由門頁、電控箱、連桿機構、鎖閉系統(tǒng)及傳感器等組成，安裝在機車車體的后端墻上，見圖1。

1.1 門頁

1.2 電控箱

電控箱包括電源模塊、控制器、電機、繼電器以及行程開關等部件，是電動門的控制中樞，通過電機（集成減速機構）產(chǎn)生轉矩，驅動連桿機構動作。電控箱箱體主要采用碳鋼材質，蓋板采用鋁合金材質。

1.3 連桿機構

連桿機構承擔著傳遞電機轉矩、與門鎖配合實現(xiàn)開門和關門的功能。

1.4 鎖閉系統(tǒng)

鎖閉系統(tǒng)主要由電磁鐵、門鎖以及復位彈簧等部件組成，主要功能是在電動開閉過程中實現(xiàn)鎖門和電動解鎖，以及在手動開閉過程中實現(xiàn)開閉門。

1.5 傳感器

電動門共有5個傳感器，包括1個微波傳感器和4個光電傳感器。其中，微波傳感器和光電傳感器1安裝在門頁上方對應的頂蓋上，光電傳感器2安裝在電控箱底部蓋板上，光電傳感器3安裝在電控箱左側蓋板上，光電傳感器4安裝在門后（重聯(lián)區(qū)頂部）。傳感器負責感應區(qū)域接收感應信號并傳送至控制器。

2 主要技術參數(shù)和工作原理

2.1 主要技術參數(shù)

電動門外形尺寸（長×寬×高）為1 744 mm×474 mm×115 mm，額定輸入電壓為直流110 V，額定功率為200 W，總質量約為80 kg，傳感器感應距離為3.5～5.0 m，開啟/關閉時間為3～6 s。

2.2 工作原理

電動門電氣原理圖見圖2，其中直流110 V來自機車的控制電源。電控箱中，直流24 V電源為微波傳感器、光電傳感器1～光電傳感器4（圖1中所示為光電傳感器3，其他3個光電傳感器見圖3）、中間繼電器KA3和KA4及行程開關SQ1、SQ2供電；電控箱中，直流48 V電源為電磁鐵繼電器KA1、電機控制繼電器KA2及控制器（數(shù)字信號處理器[4]）供電?？刂破骰诮邮盏妮斎爰胺答佇盘?，通過內(nèi)部控制邏輯發(fā)出相應指令[5]，指揮電機和門鎖等部件有序工作。微波傳感器或光電傳感器將探測的信號傳送至控制器，控制器判斷后控制電機運行，同時監(jiān)控電機轉速及電流，通過控制電機轉速、正轉和反轉等實現(xiàn)開門與閉門動作。

在相同的摩擦磨損試驗條件下，GH3536基體的質量損失達到3 mg，而NiAlW涂層僅為0.8 mg，是基體的27%。盡管大氣等離子噴涂NiAlW涂層的摩擦因數(shù)更高，但其磨損量明顯更低，高溫耐磨損性能比基體好。

電動門運行示意圖，見圖3。微波傳感器與光電傳感器的工作區(qū)域共同構成電動門的感應區(qū)域。電動門設計有電動和手動兩種工作模式。

2.2.1 電動模式

假設人由機車的A節(jié)車經(jīng)過重聯(lián)區(qū)域走到B節(jié)車，電動門的工作過程如下。

（1）當人由A節(jié)車機械間走向重聯(lián)處時，在靠近電動門1約4 m距離時，微波傳感器接收感應信號輸入至控制器，控制器輸出信號使電動門1的電磁鐵繼電器KA1和電機控制繼電器KA2得電，從而給門鎖電磁鐵YA和電機M供電，開始執(zhí)行解鎖和開門動作。4 s左右后，從閉門位運行至開門位，在開門過程中蜂鳴器HA紅燈閃爍并發(fā)出蜂鳴聲。開門到位后，開門行程開關SQ1動作，控制器通過繼電器KA2切斷電機M的供電，而電機M通過其減速機構將門頁鎖定在開門位置。

（2）當人穿過電動門1進入重聯(lián)區(qū)域（電動門1和電動門2之間的區(qū)域）后，B節(jié)車電動門2門后光電傳感器感應到信號，2 s內(nèi)執(zhí)行開門動作。開門到位后，開門行程開關動作，門頁被鎖定在開門位置。

（3）當人離開電動門1感應區(qū)域10 s左右時，電動門1電機反轉，驅動連桿機構開始執(zhí)行閉門動作。4 s左右后，電動門1閉門到位，在閉門過程中蜂鳴器HA紅燈閃爍并發(fā)出蜂鳴聲。閉門到位后，閉門行程開關SQ2動作，隨后電機電源被切斷，電機停止工作，門頁則被鎖定在閉門位置。

（4）當人通過電動門2走向B節(jié)車機械間，在離開電動門2感應區(qū)域10 s左右時，電動門2電機反轉，驅動連桿機構開始執(zhí)行閉門動作。4 s左右后，電動門2閉門到位，閉門到位后門頁被鎖定在閉門位置。

2.2.2 手動模式

電動門有兩個從電動模式轉換到手動模式的轉換按鈕SB1和SB2，其中SB1安裝在電控箱底板上，SB2安裝在門后（重聯(lián)處）的車體門框上。按下電動門任意一個轉換按鈕，電動門從電動模式轉換到手動模式后可執(zhí)行手動操作。

3 結構強度分析

電動門門頁主要采用鋁合金5083-H111材料，材料的抗拉強度為275 MPa，屈服強度為125 MPa；電控箱主要采用碳鋼Q195和鋁合金5083-H111材料。以門頁為例，以下分別從靜強度、疲勞強度及模態(tài)等方面對結構進行仿真計算分析。

3.1 靜強度分析

考慮到載荷狀況比較平穩(wěn)，采用ANSYS靜態(tài)求解器，利用程序自動控制求解。在運行過程中，考慮電動門主要承受自重、垂直向下重力加速度、運行過程中的沖擊加速度以及正面能承受4 000 Pa壓強等載荷需求，根據(jù)《鐵路應用 鐵路車輛車體的結構要求》（EN 12663—2010）標準中第6.5.2節(jié)設備附件的驗證載荷要求，結合表1的6種工況進行計算，得出門頁最大等效應力位于門頁骨架上（工況6），最大等效應力值為49.373 MPa（見圖4），小于材料靜強度許用安全應力108.690 MPa，滿足門頁的結構靜強度設計要求。

表1 加速度載荷組合方式

3.2 疲勞強度分析

按照EN 12663—2010標準中第6.7.3節(jié)設備附件的要求，設備在3個方向的加速度載荷按8種組合工況進行加載（縱向x取值±0.3g，橫向y取值±0.4g，垂向z取值1g±0.3g）。根據(jù)疲勞缺口式樣疲勞壽命S-N曲線分析可知[6]，預期壽命在107時對應的疲勞許用應力為200 MPa。門頁疲勞強度仿真最大等效應力出現(xiàn)在門頁骨架上，最大等效應力值為48.928 MPa，門頁在對稱循環(huán)下的疲勞應力為0.36 MPa，均小于材料的許用疲勞應力200 MPa，滿足門頁結構疲勞強度設計要求。

3.3 模態(tài)分析

根據(jù)《鐵路應用 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》（IEC 61373—2010）對門頁進行模態(tài)仿真計算，第一階模態(tài)為114.71 Hz，遠高于機車車體的固有振動頻率（一般小于20 Hz），因此門頁在車輛運行環(huán)境激勵頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生共振。

4 型式試驗

4.1 絕緣耐壓試驗

按照《軌道交通 機車車輛電子裝置》（GB/T 25119—2010）進行絕緣和耐壓試驗。將電動門所有對外連接的帶電部件短接，用500 V兆歐表測量短接點對地的電阻，測量結果為42.1 MΩ，滿足技術規(guī)范不小于5 MΩ的要求。在短接點與接地點之間施加交流1 000 V/50 Hz交流電，試驗時間為1 min。試驗過程中，無閃爍、擊穿現(xiàn)象。試驗后，電動門能正常工作，滿足技術規(guī)范要求。

4.2 功能試驗

4.2.1 自動啟閉試驗

調節(jié)供電電源為直流110 V±0.5 V，用試驗工裝模擬電動門在機車上的安裝方式，安裝好電動門，依次執(zhí)行門頁開關功能及按照2.2.1節(jié)電動模式進行試驗。重復測試5次，試驗結果表明電動門響應正確且與功能設計保持一致。

4.2.2 防夾試驗

在門開、閉運動過程中，在門頁與門框之間放置Φ50 mm的障礙物，直致門頁夾住障礙物。試驗結果顯示，當門頁夾住障礙物時，門頁停止當前的動作，延時1 s后執(zhí)行與反向力相同方向的動作，直到門頁打開或關閉到位為止，且在4 s后恢復自動開閉功能。

4.2.3 手動、自動功能轉換試驗

電動門接通電源，確認電動門能正常工作后，按下手動、自動功能轉換按鈕，轉換按鈕上的電源指示燈熄滅，可以執(zhí)行手動操作，進行開門和關門。

4.3 振動沖擊試驗

按照《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》（GB/T 21563—2018）規(guī)定的I類A級進行振動和沖擊試驗。振動沖擊試驗完成后檢查電動門，無機械損傷，且通電后能正常工作，滿足技術規(guī)范要求。

電動門型式試驗內(nèi)容還包括外觀質量檢查、稱重、電源電壓波動試驗、耐久性試驗（開閉不低于50 000次）、交變濕熱試驗、電磁兼容試驗、高低溫試驗、氣密性試驗以及淋雨試驗等。樣機型式試驗的各項試驗結果均滿足技術規(guī)范要求。

5 結語

基于設計計算、仿真分析、型式試驗及在段運行試驗評估，采用鋁合金板和鋁合金蜂窩在減輕重量、保證強度的同時，又可起到隔音降噪的作用。采用微波傳感器和光電傳感器構成的感應區(qū)域，通過控制器的邏輯控制指令，確保司乘人員能快速、安全通過重聯(lián)區(qū)域。該型電動門已經(jīng)安裝在HXD1型機車上運行，手動、自動轉換模式及基于電機特性的控制閾值和光電傳感器實現(xiàn)雙重防夾功能設計等進一步提高了電動門運行的安全性和可靠性，同時符合機車部件向自動化、智能化發(fā)展趨勢，為后續(xù)在其他車型上應用推廣打下基礎。