一種機械保持解鎖狀態(tài)的電磁鎖的研制

魏廣宏， 譚虓， 劉雄心， 康亞進， 林曉光， 馬寧， 曹健

（北京市地鐵運營有限公司，北京 100043）

0 引言

北京地鐵7號線電磁鎖[1]在運行10萬次時即出現故障，而不是運行100萬次才出現故障。電磁鎖的故障現象為：電磁鎖不解鎖和不落鎖。當發(fā)生電磁鎖不解鎖故障時，滑動門無法打開，乘客無法從該道滑動門乘降；當發(fā)生不落鎖故障時，地鐵站臺門系統(tǒng)無法向列車發(fā)出“所有門關閉且鎖緊”命令，列車將無法駛離車站，電磁鎖的兩個故障影響站臺門的正常打開和關閉，影響列車正常運行，給乘客的乘降帶來不便。

北京地鐵7號線站臺門的設備制造廠家自開通以來，多次改進電磁鎖，電磁鎖的故障率有明顯下降，但電磁鎖仍然存在不解鎖和不落鎖的故障現象。為了提高地鐵站臺門系統(tǒng)的可靠性和安全性，方便廣大乘客正常、有序乘降列車，有必要分析、研究電磁鎖的故障機理，改進電磁鎖的結構和工作原理，研制一種機械保持解鎖狀態(tài)的電磁鎖，用以解決在實際中出現的問題。

1 電磁鎖結構組成

針對現有技術存在的上述技術缺陷，本文針對7號線電磁鎖進行了重新設計。

圖1為解鎖狀態(tài)下的電磁鎖[2-4]軸測圖，圖2為鎖閉狀態(tài)下的電磁鎖軸測圖，圖3為重要零部件示意圖。

圖1 解鎖狀態(tài)下的電磁鎖軸測圖

圖2 鎖閉狀態(tài)下的電磁鎖軸測圖

圖3 重要零部件示意圖

如圖1所示，電磁鎖包括底板、電磁鐵、銜鐵、萬向節(jié)、左行程開關支架、右行程開關支架、左行程開關、右行程開關、左導柱、右導柱、升降板、左卡片、右卡片、卡片擋柱、轉軸和螺釘。電磁鐵固定安裝在底板上，銜鐵安裝在電磁鐵內，銜鐵可以沿著電磁鐵的軸線上、下運動，萬向節(jié)的上端呈扁平狀，萬向節(jié)的上端通過螺釘與銜鐵連接在一起，萬向節(jié)的下端在圓周方向制有槽口，萬向節(jié)下端的槽口與升降板連接在一起，銜鐵可以帶著萬向節(jié)和升降板上、下運動，升降板上端的左側制有左長孔，升降板上端的右側制有右長孔，左導柱呈階梯軸狀，左導柱的粗端固定在底板上，左導柱的細端嵌入升降板的左長孔內，右導柱呈階梯軸狀，右導柱的粗端固定在底板上，右導柱的細端嵌入升降板的右長孔內，升降板下端的中間位置制有下長孔，轉軸固定在底板上，轉軸伸入下長孔中，設置左長孔、右長孔和下長孔是為了能使升降板在約束的條件下做上、下運動，左長孔、右長孔和下長孔在豎直方向的長度等于銜鐵在豎直方向上的直線運動距離，升降板在銜鐵的帶動下可以沿著左導柱、右導柱和轉軸做上、下往復直線運動，左卡片設置為可以繞轉軸旋轉，右卡片設置為可以繞轉軸旋轉，右卡片設置在升降板的前面，左卡片設置在升降板的后面，左行程開關支架固定在底板上部位置的左側，右行程開關支架固定在底板上部位置的右側，左行程開關固定在左行程開關支架上，右行程開關固定在右行程開關支架上，卡片擋柱固定在升降板上，升降板的中間位置左側設置有左鎖舌，升降板的中間位置右側設置有右鎖舌，左卡片從上至下依次設置有左上止擋面、左上止擋弧、左止擋溝槽、左撞擊面和左鎖槽，右卡片從上至下依次設置有右上止擋面、右上止擋弧、右止擋溝槽、右撞擊面和右鎖槽。

在電磁鐵銜鐵和升降板的連接處加了一個萬向節(jié)，這樣能避免電磁鐵銜鐵不動作的情況。把左卡片和右卡片分別布置在升降板的前面和后面，解決了應力集中的問題，使電磁鎖更加安全可靠。

2 工作原理

電磁鎖[5]的開門及關門動作原理為：1）當準備關門時，右滑動門向左運動，右門銷撞擊右卡片的右撞擊面，右卡片逆時針旋轉，右門銷進入到右鎖槽內，左滑動門向右運動，左門銷撞擊左卡片的左撞擊面，左卡片順時針旋轉，左門銷進入到左鎖槽內，在左卡片和右卡片旋轉到一定角度時，卡片擋柱不再受到左上止擋弧和右上止擋弧的支撐，升降板和固定在其上的卡片擋柱在重力的作用下自由下落，升降板下降時，升降板上的左鎖舌從上方鎖住了左門銷，升降板上的右鎖舌從上方鎖住了右門銷，當卡片擋柱落入左止擋溝槽和右止擋溝槽中時，左卡片和右卡片被限制住并停止轉動，這樣左卡片從下方鎖住了左門銷，右卡片從下方鎖住了右門銷，左滑動門和右滑動門停止運動并處于關門狀態(tài)；2）當準備開門[6]時，門控器[7]接到開門信息，電磁鐵的線圈得電吸合，吸引銜鐵向上運動，升降板和固定在其上的卡片擋柱也隨著向上運動，升降板的左鎖舌不再從上方鎖住左門銷，升降板的右鎖舌不再從上方鎖住右門銷，左行程開關和右行程開關被觸發(fā)并向門控器發(fā)出左滑動門[8]和右滑動門已解鎖信息，驅動電動機帶動左滑動門和右滑動門向兩側運行，這時左門銷帶著左卡片逆時針轉動，右門銷帶著右卡片順時針轉動，當左卡片逆時針旋轉到一定角度時，左上止擋面被卡片擋柱擋住不再轉動，當右卡片順時針旋轉到一定角度時，右上止擋面也被卡片擋柱擋住不再轉動，這時左上止擋弧和右上止擋弧支撐起卡片擋柱，使升降板和固定在其上的卡片擋柱不再下降，使電磁鎖處于機械保持解鎖狀態(tài)，左滑動門和右滑動門打開。

3 易損件及易損原因

地鐵站臺門在運行過程中，發(fā)現電磁鎖的行程開關有時會發(fā)生損壞，降低了站臺門的安全性。

隨機抽取150個損壞的行程開關，對其進行解剖分析，其中升降板撞擊行程開關造成損壞的占90個，行程開關線圈燒壞的占30個，行程開關質量問題的占15個，安裝問題占9個，其它原因占6個，按照損壞原因所占比例從大到小進行數據統(tǒng)計如表1所示。

表1 行程開關損壞原因統(tǒng)計表

根據行程開關發(fā)生損壞數據統(tǒng)計表，做巴雷特累計頻率曲線（排列圖），如圖4所示。

由圖4中看出：按照累計頻率分為主要因素A類（0～80%）、次要因素B類（80%～90%）和一般因素C類（90%～100%）。由分析得出：升降板撞擊行程開關是行程開關損壞的最主要因素。

4 減震降噪探討

在以往的電磁鎖設計中，常常忽視升降板上部的滑道曲線的設計。結果給行程開關造成了很大破壞，產生了很大的噪聲并降低了行程開關的壽命。可以采用組合型運動規(guī)律對滑道曲線進行優(yōu)化設計。具體的可以采用變形正弦加速度曲線[9-10]，變形正弦加速度曲線是正弦加速度與等速規(guī)律組合。

4.1 變形正弦加速度曲線的構建方法（推程）

在電磁鎖中：M為升降板的最大行程；m為在某時刻t升降板的行程；h為升降板運動時行程開關滾輪的最大位移；s為行程開關的滾輪在某時刻t的位移；v為行程開關的滾輪在某時刻t的速度；a為行程開關的滾輪在某時刻t的加速度；j為行程開關的滾輪在某時刻t的躍度。

圖5所示為變形正弦加速度曲線的運動線圖。變形正弦加速度曲線的加速度由3段曲線依次銜接。

圖5 正弦加速度與等速規(guī)律組合（推程）

在0～M/4段是正弦函數的第一、二象限曲線，其幅值為R、周期為M/2。

在M/4～3M/4段是水平直線段，其幅值等于零。

在3M/4～M段是正弦函數的第三、四象限曲線，其幅值為R、周期為M/2。

1）在第一段曲線可以得出：

4.2 變形正弦加速度曲線的建立（推程）

由圖5可以看出，本文所構建的變形正弦加速度曲線、速度曲線和位移曲線連續(xù)，躍度曲線沒有無窮大階躍斷點，既避免了剛性沖擊，也避免了柔性沖擊，不會給行程開關帶來沖擊性損害。本文依靠計算機所構建的變形正弦加速度曲線具有優(yōu)良的動力特性和運動特性，可以推廣使用到很多需要特殊要求的機械設計場合中。

5 結語

由于發(fā)明了一種機械保持解鎖狀態(tài)的電磁鎖，使電磁鎖在解鎖過程中的電保持解鎖狀態(tài)轉化為機械保持解鎖狀態(tài)，使電磁鎖的加電時間大大縮短，避免了電磁鎖線圈被燒壞的可能；把左卡片和右卡片分別設計在升降板的前面和后面，避免了應力集中，延長了電磁鎖的壽命；在電磁鐵銜鐵和升降板的連接處加了一個萬向節(jié)，避免了電磁鐵銜鐵不動作的情況，使電磁鎖不再出現卡死現象；同時針對行程開關被撞擊易損壞的情況，重新設計了與行程開關相對應的升降板上面的滑道曲線，避免了對行程開關的剛性沖擊和柔性沖擊，降低噪聲的同時，延長了行程開關的壽命。實踐證明：該機械保持解鎖狀態(tài)的電磁鎖的研制，解決了北京地鐵7號線屏蔽門電磁鎖出現的問題，有力地保障了列車的安全運行。