一種采用組合曲線減震降噪的電磁鎖的研制

時(shí)振濤，郝偉，劉強(qiáng)，劉藝?yán)冢觚?/p>

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 機(jī)電分公司，北京 100043）

0 引言

我國(guó)在20世紀(jì)80年代將站臺(tái)屏蔽門(mén)系統(tǒng)引入并應(yīng)用于地鐵、輕軌等軌道交通系統(tǒng)，屏蔽門(mén)將站臺(tái)和列車(chē)運(yùn)行區(qū)域隔開(kāi),通過(guò)控制系統(tǒng)控制其自動(dòng)開(kāi)啟，電磁鎖是地鐵屏蔽門(mén)滑動(dòng)門(mén)的核心部件，電磁鎖的安全性尤為重要。目前在地鐵屏蔽門(mén)滑動(dòng)門(mén)上應(yīng)用的電磁鎖普遍噪聲大且振感明顯，存在著安全隱患，需要研制一種振感小且噪聲低的電磁鎖來(lái)提高電磁鎖的安全性能。

1 結(jié)構(gòu)組成

圖1為解鎖狀態(tài)下的電磁鎖軸測(cè)圖。

圖1 解鎖狀態(tài)下的電磁鎖軸測(cè)圖

如圖1所示，電磁鎖，包括座板、圓柱電磁鐵、圓柱形銜鐵、螺釘、左限位開(kāi)關(guān)支架、右限位開(kāi)關(guān)支架、左限位開(kāi)關(guān)、右限位開(kāi)關(guān)、起落板、左卡柱、右卡柱、左下軸套、右下軸套、左上軸套、右上軸套、左下旋轉(zhuǎn)板、右下旋轉(zhuǎn)板、左下轉(zhuǎn)軸、右下轉(zhuǎn)軸、左上旋轉(zhuǎn)板、右上旋轉(zhuǎn)板、左上旋轉(zhuǎn)軸、右上旋轉(zhuǎn)軸、左下齒輪、右下齒輪、左上齒輪、右上齒輪、左下定標(biāo)柱、右下定標(biāo)柱、左長(zhǎng)孔和右長(zhǎng)孔。圓柱電磁鐵固定安裝在座板上，圓柱形銜鐵安裝在圓柱電磁鐵內(nèi)，圓柱形銜鐵可以沿著圓柱電磁鐵的中心線上、下運(yùn)動(dòng)。圓柱形銜鐵和起落板通過(guò)螺釘連接在一起，圓柱形銜鐵可以帶著起落板上、下運(yùn)動(dòng)。左限位開(kāi)關(guān)支架固定在座板上部位置的左側(cè)，右限位開(kāi)關(guān)支架固定在座板上部位置的右側(cè)，左限位開(kāi)關(guān)固定在左限位開(kāi)關(guān)支架上，右限位開(kāi)關(guān)固定在右限位開(kāi)關(guān)支架上。左卡柱和右卡柱固定在起落板上；左下軸套、右下軸套、左上軸套和右上軸套固定在座板上。左下轉(zhuǎn)軸穿入左下軸套內(nèi)，左下轉(zhuǎn)軸可以在左下軸套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，左下旋轉(zhuǎn)板和左下齒輪固定在左下轉(zhuǎn)軸上，左下旋轉(zhuǎn)板和左下齒輪隨著左下轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)；右下轉(zhuǎn)軸穿入右下軸套內(nèi)，右下轉(zhuǎn)軸可以在右下軸套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，右下旋轉(zhuǎn)板和右下齒輪固定在右下轉(zhuǎn)軸上，右下旋轉(zhuǎn)板和右下齒輪隨著右下轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)；左上轉(zhuǎn)軸穿入左上軸套內(nèi)，左上轉(zhuǎn)軸可以在左上軸套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，左上旋轉(zhuǎn)板和左上齒輪固定在左上轉(zhuǎn)軸上，左上旋轉(zhuǎn)板和左上齒輪隨著左上轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)；右上轉(zhuǎn)軸穿入右上軸套內(nèi)，右上轉(zhuǎn)軸可以在右上軸套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，右上旋轉(zhuǎn)板和右上齒輪固定在右上轉(zhuǎn)軸上，右上旋轉(zhuǎn)板和右上齒輪隨著右上轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)同步旋轉(zhuǎn)。左下定標(biāo)柱和右下定標(biāo)柱固定在座板上。起落板的下端的左側(cè)設(shè)置長(zhǎng)孔，起落板的下端的右側(cè)設(shè)置長(zhǎng)孔，左下定標(biāo)柱穿入長(zhǎng)孔，右下定標(biāo)柱穿入長(zhǎng)孔。

圖2為鎖閉狀態(tài)下的電磁鎖軸測(cè)圖，圖3為重要零部件示意圖。

圖2 鎖閉狀態(tài)下的電磁鎖軸測(cè)圖

左下旋轉(zhuǎn)板從上到下依次設(shè)置有左鎖止面、左撐持弧、左定標(biāo)面、左碰撞面和左下鎖槽；右下旋轉(zhuǎn)板從上到下依次設(shè)置有右鎖止面、右撐持弧、右定標(biāo)面、右碰撞面和右下鎖槽；左上旋轉(zhuǎn)板設(shè)置有左上鎖槽；右上旋轉(zhuǎn)板設(shè)置有右上鎖槽；在起落板上部的左側(cè)設(shè)置有左上滑道，在起落板上部的右側(cè)設(shè)置有右上滑道[1]。

2 工作原理

電磁鎖的開(kāi)門(mén)及關(guān)門(mén)動(dòng)作如下所述。

1）當(dāng)準(zhǔn)備關(guān)門(mén)時(shí)[2]，左屏蔽門(mén)向右運(yùn)動(dòng)，左門(mén)銷(xiāo)撞擊左碰撞面，左下旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左下鎖槽從下方鎖住左門(mén)銷(xiāo)，左下旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)左下齒輪同樣順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左下齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)左上齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左上齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)左上旋轉(zhuǎn)板同樣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左上旋轉(zhuǎn)板同樣逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使左上鎖槽從上方鎖住左鎖銷(xiāo)，右屏蔽門(mén)向左運(yùn)動(dòng)，右門(mén)銷(xiāo)撞擊右碰撞面，右下旋轉(zhuǎn)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右下鎖槽從下方鎖住右門(mén)銷(xiāo)，右下旋轉(zhuǎn)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)右下齒輪同樣逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右下齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)右上齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右上齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)同樣帶動(dòng)右上旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右上旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)使右上鎖槽從上方鎖住右門(mén)銷(xiāo)，當(dāng)左下鎖槽鎖住左門(mén)銷(xiāo)后左撐持弧不再撐持左卡柱、當(dāng)右下鎖槽鎖住右門(mén)銷(xiāo)后右撐持弧不再撐持右卡柱，當(dāng)左撐持弧不再撐持左卡柱、右撐持弧不再撐持右卡柱時(shí)，左卡柱、右卡柱和起落板在重力的作用下自由下落，當(dāng)左卡柱、右卡柱和起落板下落到下極限位置時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，這時(shí)左卡柱運(yùn)動(dòng)到左定標(biāo)面的左側(cè)，左下旋轉(zhuǎn)板被左卡柱擋住不再轉(zhuǎn)動(dòng)，右卡柱運(yùn)動(dòng)到右定標(biāo)面的右側(cè)，右下旋轉(zhuǎn)板被右卡柱擋住不再轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)左下旋轉(zhuǎn)板和右下旋轉(zhuǎn)板不再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左門(mén)銷(xiāo)被左下鎖槽和左上鎖槽緊緊抱住，右門(mén)銷(xiāo)被右下鎖槽和右上鎖槽緊緊抱住，左屏蔽門(mén)和右屏蔽門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)并不能再運(yùn)動(dòng)。

2）當(dāng)準(zhǔn)備開(kāi)門(mén)時(shí)[3]，門(mén)控器發(fā)出開(kāi)門(mén)命令，圓柱電磁鐵[4]的線圈得電吸合，吸引圓柱形銜鐵向上運(yùn)動(dòng)，左卡柱、右卡柱和起落板隨著向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)左卡柱、右卡柱和起落板向上運(yùn)動(dòng)到上極限位置時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，這時(shí)左卡柱不再擋著左定標(biāo)面，右卡柱不再擋著右定標(biāo)面，同時(shí)左限位開(kāi)關(guān)和右限位開(kāi)關(guān)同時(shí)被觸發(fā)，左限位開(kāi)關(guān)和右限位開(kāi)關(guān)向門(mén)控器發(fā)出電磁鎖已開(kāi)鎖信息，門(mén)控器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)左屏蔽門(mén)和右屏蔽門(mén)向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)左門(mén)銷(xiāo)帶著左下旋轉(zhuǎn)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左下旋轉(zhuǎn)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)左下齒輪同樣逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左下齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)左上齒輪順時(shí)針，左上齒輪順時(shí)針帶動(dòng)左上旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣左下旋轉(zhuǎn)板和左上旋轉(zhuǎn)板不再抱住左門(mén)銷(xiāo)，右門(mén)銷(xiāo)帶著右下旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右下旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)右下齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右下齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)右上齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右上齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)右上旋轉(zhuǎn)板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣右下旋轉(zhuǎn)板和右上旋轉(zhuǎn)板不再抱住右門(mén)銷(xiāo)，當(dāng)左下旋轉(zhuǎn)板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，左鎖止面被左卡柱擋住不再轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)右下旋轉(zhuǎn)板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，右鎖止面被右卡柱擋住不再轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)左鎖止弧撐持起左卡柱，右鎖止弧撐持起右卡柱，使左卡柱、右卡柱和起落板不再下降，使電磁鎖處于機(jī)械保持開(kāi)鎖狀態(tài)，左屏蔽門(mén)和右屏蔽門(mén)打開(kāi)。

3 電磁鎖減震降噪的研究

在電磁鎖中，升降板上部的左上滑道曲線和右上滑道曲線的設(shè)計(jì)極為重要。在以往的設(shè)計(jì)中，沒(méi)有重視這兩段曲線的設(shè)計(jì)，結(jié)果對(duì)行程開(kāi)關(guān)產(chǎn)生了很大沖擊，降低了行程開(kāi)關(guān)的壽命，并且產(chǎn)生了很大的噪聲及振動(dòng)。因此需要對(duì)這兩段曲線進(jìn)行重新校核和改進(jìn)。

3.1 以往運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

在過(guò)去的生產(chǎn)中，為了加工方便，左上滑道曲線和右上滑道曲線一般采用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線[5]。等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)是在行程初始位置[6]，速度由0直接跳變到v0，得出加速度計(jì)算公式為

在行程終止位置，速度由v0直接變?yōu)?，得出加速度為-∞。在行程的初始和終止位置，加速度無(wú)窮大，產(chǎn)生的慣性力也是無(wú)窮大，這使得沖擊力變得非常大。這種非常大的沖擊力對(duì)行程開(kāi)關(guān)的破壞力很大[7]。因此必須對(duì)左上滑道曲線和右上滑道曲線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行改進(jìn)?？梢圆捎媒M合型運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 組合型運(yùn)動(dòng)規(guī)律的構(gòu)建方法

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律：物體加速度的大小跟作用力成正比，我們用幾何方法構(gòu)建出組合型加速度曲線。

設(shè)銜鐵在電磁鐵內(nèi)最大的行程為M，在某時(shí)刻t的行程為m，行程開(kāi)關(guān)滾輪的最大位移為h，行程開(kāi)關(guān)的滾輪在某時(shí)刻的位移為S，速度為v，加速度為a，躍度為j。

3.3 推導(dǎo)組合型運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程

圖4所示為推程期，余弦加速度與等速規(guī)律組合而成新的運(yùn)動(dòng)線圖。加速度曲線分3段，其中：第1段的曲線（0～M/4）由周期為M、幅值為R的余弦函數(shù)的第一象限曲線組成；第2段曲線（M/4～3M/4）由幅值為0的水平直線段組成；第3段曲線（3M/4～M）由周期為M、幅值為R的余弦函數(shù)的第2象限曲線組成。這幾段曲線首尾相連無(wú)斷點(diǎn)，拼接成的加速度曲線無(wú)突變。

圖4 余弦加速度與等速規(guī)律組合（推程）

1）第1段曲線。由該曲線可以看出

把上式代入，得出類(lèi)加速度方程曲線為

將上式積分，得出類(lèi)速度方程曲線為

進(jìn)一步解得

將上式積分，得出位移方程曲線為

進(jìn)一步解得

2）第2段曲線。由該曲線可以看出，類(lèi)加速度的曲線方程為d2s2/dm2=0。

對(duì)類(lèi)加速度積分得出類(lèi)速度為

對(duì)類(lèi)速度積分得出位移方程為

3）第3段曲線。由該曲線可以看出

把上式代入，得出類(lèi)加速度方程曲線為

對(duì)類(lèi)加速度積分得出類(lèi)速度為

進(jìn)一步解得類(lèi)速度為

對(duì)類(lèi)加速度積分得出位移方程為

進(jìn)一步解得位移方程為

4）根據(jù)拼接點(diǎn)上在各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的位移、類(lèi)速度、類(lèi)加速度的值沒(méi)有突變和相應(yīng)的邊界條件計(jì)算得出：

把C1～C6及R值上面的各個(gè)公式，可以計(jì)算出相應(yīng)區(qū)段的運(yùn)動(dòng)方程。

3.4 組合曲線方程式的建立（推程）

1）在第一運(yùn)動(dòng)區(qū)段，φ∈［0～M/4］，則有：

2）在第二運(yùn)動(dòng)區(qū)段，φ∈[M/4～3M/4]，則有：

3）在第三運(yùn)動(dòng)區(qū)段，φ∈［3M/4～M］，則有：

4 結(jié)語(yǔ)

在構(gòu)建組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，應(yīng)該根據(jù)機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求進(jìn)行拼接。實(shí)踐中應(yīng)按照以下原則拼接：在高速機(jī)構(gòu)中，要求運(yùn)動(dòng)曲線的加速度曲線在起點(diǎn)和終點(diǎn)必須連續(xù)，以減小柔性沖擊；運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)的速度曲線和位移曲線必須連續(xù)，以減小剛性沖擊。

在過(guò)去沒(méi)有應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，人們只能用簡(jiǎn)單的曲線應(yīng)對(duì)生產(chǎn)，這使得產(chǎn)品的各種性能得不到提高，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣，組合型運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線的設(shè)計(jì)變得不再?gòu)?fù)雜。本文所構(gòu)建的變形余弦加速度曲線具有優(yōu)良的動(dòng)力特性和運(yùn)動(dòng)特性，可以推廣到很多有特殊要求的機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)中使用。