引言

地鐵已經(jīng)逐漸成為大部分現(xiàn)代城市中的人們上下班出行的首選交通工具,而與乘客接觸最多的就是車輛上的車門,其功能是:當(dāng)車輛到站停穩(wěn)時,車門打開,乘客可以上下車:之后車門關(guān)上,列車才可以啟動與運(yùn)行:在運(yùn)行過程中一直處于關(guān)閉狀態(tài),直到列車到達(dá)下一站停穩(wěn),再打開門,乘客進(jìn)行上下車。

目前市場上車門的類型主要有3種一內(nèi)藏門、外掛門和塞拉門,而內(nèi)藏門因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、成本低廉以及易于維護(hù),特別適用于大型城市的軌道交通系統(tǒng)。本文介紹了在上海地鐵和北京地鐵應(yīng)用的法中軌道的內(nèi)藏門,研究和分析了車門系統(tǒng)承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

1內(nèi)藏門定義

內(nèi)藏門是指在車門打開和關(guān)門時,門頁直線運(yùn)動,并且車門完全打開后,門頁位于列車的外墻和內(nèi)裝之間,此時乘客看不見門頁的位置,只有當(dāng)門頁關(guān)閉時,乘客才能看見門頁的外形。

2內(nèi)藏門結(jié)構(gòu)簡介

如圖1所示,一個完整的車門系統(tǒng)主要由以下零部件組成:承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)、門扇含機(jī)械隔離裝置）、門檻、緊急解鎖裝置及其鋼絲繩、密封膠條毛刷、EDCU等,每個零部件組合在一起,提供了整個系統(tǒng)所需要的功能和性能。

各個子系統(tǒng)的主要功能如下:

承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)1）一承受門的重量及運(yùn)動過程中受到的外部載荷,驅(qū)動門頁進(jìn)行開關(guān)門運(yùn)行,并保證車門可靠地關(guān)閉和鎖閉:

門頁2、3）一連接車輛和站臺之間的出入口,是乘客可以接觸到的主要車門部件:

門檻4）一乘客上下車時的腳部支撐,引導(dǎo)門頁下部運(yùn)行,承受門頁下部載荷:

EDCU5）一控制車門的運(yùn)行,并和車輛保持通信的部件:

緊急解鎖裝置6）一在緊急情況下,提供給乘客打開車門的手動解鎖裝置:

鋼絲繩7）一連接緊急解鎖裝置和車門鎖閉裝置的部件:

輔助支撐輪8）一門頁中間受到載荷變形時,能防止車門過量變形而摩擦車體。

車門電子控制單元EDCU根據(jù)車輛信號發(fā)出開、關(guān)門指令,動力系統(tǒng)帶動傳動系統(tǒng)進(jìn)行門的開關(guān),檢測系統(tǒng)對門的開啟和關(guān)閉位置進(jìn)行檢測并反饋給車輛控制端。門關(guān)閉后,會觸發(fā)門已關(guān)閉傳感器,同時鎖閉系統(tǒng)觸發(fā)門鎖閉傳感器,以確保車門已經(jīng)可靠地關(guān)閉和鎖閉,并發(fā)出相應(yīng)的檢查信號給車門電子控制單元和列車控制系統(tǒng)。

3車門的基本要求

3.l功能要求

作為乘客進(jìn)出通道的關(guān)口,車門必須具備如下基本功能:1）運(yùn)行溫度:車門可以在-25～＋45+范圍內(nèi)正常工作。

2）電動開關(guān)門:車門可以接收車輛發(fā)出的指令,自動進(jìn)行開關(guān)門,開關(guān)門時間通常設(shè)定為3±℃.5）S可通過維護(hù)軟件進(jìn)行調(diào)整）。

3）手動開關(guān)門:在沒有電的情況下,可以手動進(jìn)行開關(guān)門,手動拉門力通常1150N。

4）緊急開門:在遇到意外情況,需要臨時緊急打開車門時,可以通過操作手動緊急解鎖裝置將車門解鎖,然后手動打開車門。

5）車門隔離:在車門有故障的情況下,可以手動隔離故障車門,以使列車可以繼續(xù)運(yùn)營,被隔離的車門不再進(jìn)行開關(guān)門且有指示燈常亮以表示此車門有故障）。

6）障礙探測:當(dāng)車門關(guān)門時,如果夾到正在通過的乘客,車門可以檢測到,并防止夾傷乘客,可檢測到的最小障礙物為30mm×60mm,夾住物體后的移除力1150N。

7）水密性:在EN14752規(guī)定的測試條件下,外部的雨水不能通過車門進(jìn)入列車內(nèi)部。

(8）強(qiáng)度:車門必須具有一定的強(qiáng)度,以確保乘客在車內(nèi)擠壓車門的情況下,車門的開關(guān)門功能可以保持正常,車門變形也不會與車輛發(fā)生干涉。3#.舒適性要求

為了提高乘客乘坐的舒適性,車門必須滿足如下性能要求:

(1）隔音性能:門板的隔音Rw≥32dB,整個內(nèi)藏門系統(tǒng)隔音Rw≥23dB。

(2）隔熱性能:K≤4.5w/(m2·K）。

(3）運(yùn)行噪聲:開關(guān)門時噪聲≤70dB,鎖閉和解鎖瞬間噪聲≤75dB。

2承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)

承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)是整個門系統(tǒng)最核心的部件,其性能的好壞、可靠性的高低直接決定了整個車門系統(tǒng)的性能和可靠性。承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由滑軌組件、電機(jī)組件、絲桿螺母傳動組件、鎖閉系統(tǒng)及車門控制單元EDCU組成,如圖2所示。

4.1承載系統(tǒng)

法中軌道采用鋼制滑軌組件作為承載結(jié)構(gòu),用于承受門頁的重量和額外載荷,以及控制和引導(dǎo)車門的直線運(yùn)行(開關(guān)門）。其主要由滑軌、滑塊、保持架和鋼球組成,如圖3所示。

當(dāng)滑塊移動時,鋼球進(jìn)行純滾動(保持架也隨著鋼球的滾動而進(jìn)行移動）,從而使滑塊的移動非常平穩(wěn)和順暢。并且得益于圓弧溝槽和高強(qiáng)度鋼球的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),滑塊可以承受很大的載荷而不產(chǎn)生任何永久變形。

目前,傳統(tǒng)的塑料滾輪的承載結(jié)構(gòu)還占據(jù)著大部分市場,法中軌道的鋼軌承載系統(tǒng)與之相比,具有如表1所示的特點(diǎn)。

綜合比較可以看出,采用鋼制承載系統(tǒng)更加可靠和耐用,全壽命周期成本(LCC）更低。

4.2傳動系統(tǒng)

法中軌道采用的是高精度的金屬絲桿螺母傳動,絲桿采用冷軋的工藝方法加工而成,螺母內(nèi)部有鋼球,屬于滾珠絲桿傳動類型,其具有以下特點(diǎn):

(1）傳動效率高達(dá)0.98(平均為滑動螺旋的2～3倍）,可節(jié)省動力1/3～1/2:

(2）摩擦力矩小:

(3）工作壽命長,平均可達(dá)滑動螺旋的10倍左右:

(4）傳動無間隙,無爬行,傳動平穩(wěn),傳動精度高:

(5）具有很好的高速性能。

4.3動力系統(tǒng)

法中軌道采用有刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,由于采用特殊的電刷設(shè)計(jì),結(jié)合每天有限的使用頻率和轉(zhuǎn)動圈數(shù),電機(jī)可以達(dá)到3000000次開關(guān)門而無需更換電刷。

如表2所示,與市場上其他車門產(chǎn)品使用的無刷電機(jī)相比,有刷電機(jī)具有明顯的成本優(yōu)勢和可靠性。

4.4鎖閉系統(tǒng)

采用法中軌道專利技術(shù)的鎖閉系統(tǒng)是整個車門系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)之一,其非常巧妙地充分利用了電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)車門的鎖閉和解鎖,其鎖閉/解鎖原理如圖4所示。

圖2鎖閉原理

鎖閉支架與電機(jī)定子固定(電機(jī)定子兩端安裝在軸承孔上,因此定子可以旋轉(zhuǎn)）,鎖閉滾輪安裝在鎖閉支架上,并且滾輪與鎖桿接觸。

關(guān)門過程中,絲桿(與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接）逆時針轉(zhuǎn)動,帶動門頁往關(guān)門方向(如圖5所示,為向右的箭頭）運(yùn)動,此時電機(jī)定子雖然有向順時針方向轉(zhuǎn)動的趨勢,但鎖閉滾輪與鎖桿接觸,阻止了電機(jī)外殼轉(zhuǎn)動,滾輪在鎖桿的接觸面上純滾動,此時,門頁正常關(guān)門。

圖5關(guān)門過程示意圖

如圖6所示,當(dāng)門頁關(guān)閉到位時,這時絲桿雖然有繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢,但由于門頁已經(jīng)移動到位,不能再繼續(xù)移動,故絲桿不能再繼續(xù)轉(zhuǎn)動,即門已經(jīng)關(guān)閉到位(并通過門關(guān)閉到位開關(guān)檢測確定）。如果此時電機(jī)定子也不能轉(zhuǎn)動,那么電機(jī)將會因持續(xù)堵轉(zhuǎn)而燒毀。然而,通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使得鎖閉滾輪正好滾動到鎖桿的末端,由此鎖桿不再阻擋電機(jī)定子的轉(zhuǎn)動,因此電機(jī)定子順時針轉(zhuǎn)動(滾輪沿著鎖桿端面滾動）一定角度后停止。此時,鎖閉滾輪正好抵住鎖桿端部,從而實(shí)現(xiàn)門頁的鎖閉(門頁不能打開,即向左移動）,同時,預(yù)先設(shè)計(jì)的門鎖閉到位開關(guān)也被觸發(fā),說明已經(jīng)鎖閉到位,從而電機(jī)斷電不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動,如圖7所示。

圖6門關(guān)到位

圖7門鎖到位

而開門時,電機(jī)的動作過程正好與關(guān)門相反。這樣,整個鎖閉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就最大限度地巧妙利用了電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理,結(jié)構(gòu)簡單高效,不需要再單獨(dú)設(shè)計(jì)鎖閉裝置和附加的解鎖動力源,大大提高了整個車門系統(tǒng)的可靠性,也降低了成本。4.5檢測系統(tǒng)

車門的開啟和關(guān)閉是由作為核心部件的承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的,而車門是否已經(jīng)關(guān)到位、鎖閉系統(tǒng)是否已經(jīng)鎖到位、列車是否可以啟動等,這些關(guān)系到乘客的安全和列車的正常運(yùn)行,因此必須有一套設(shè)計(jì)合理、功能可靠的傳感器組成的檢測系統(tǒng)時刻對車門的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并通過車門控制單元EDCU將車門的實(shí)時狀態(tài)發(fā)送給列車控制系統(tǒng)TCMS。為了實(shí)現(xiàn)這一功能,在承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)的中間位置以及電機(jī)鎖閉位置,分別裝有一個車門關(guān)閉到位開關(guān)DCS(圖8）和車門鎖閉到位開關(guān)DSS(圖7）。

圖8車門關(guān)閉到位開關(guān)DCS

每個開關(guān)都有兩對觸點(diǎn),分別為一個常開觸點(diǎn)(LN）和一個常閉觸點(diǎn)(LC）,它們在物理上是相互連接的,但單獨(dú)供電。一個觸點(diǎn)用于傳送信號給列車回路,另一個用于門的內(nèi)部控制。LN觸點(diǎn)用于"門已關(guān)閉并鎖定"安全回路,LC觸點(diǎn)用于車門控制單元EDCU對車門位置狀態(tài)的判斷和確認(rèn)。如圖9所示,當(dāng)車門關(guān)閉時,首先觸發(fā)門關(guān)閉到位開關(guān),以表明門頁已經(jīng)處于完全關(guān)閉位置,然后門鎖閉到位開關(guān)被安裝在電機(jī)定子上的鎖閉支架觸發(fā),表明車門已經(jīng)完全鎖閉。這時,這2個串聯(lián)連接的開關(guān)接通列車上的安全回路,列車才滿足允許啟動的條件,只要有任意一個開關(guān)沒有被觸發(fā),列車都無法啟動。

4.6車門隔離

當(dāng)個別車門出現(xiàn)故障而不能正常開關(guān)門時,列車安全回路將不能正常接通,列車將無法啟動。為了保證車輛的正常運(yùn)行(可用性）,在承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)上特別設(shè)計(jì)了一個隔離開關(guān)SNS,門頁上設(shè)計(jì)有隔離裝置,通過四方鑰匙順時針旋轉(zhuǎn)90°,鎖舌將向上伸出,進(jìn)而觸發(fā)這個開關(guān),如圖10所示。

當(dāng)門頁出現(xiàn)故障而不能自動關(guān)門時,需要人工手動將門關(guān)閉和鎖閉,才能進(jìn)行隔離操作。隔離后,被隔離的門將一直處于關(guān)閉狀態(tài),不再進(jìn)行開門,此時列車安全回路將通過隔離開關(guān)接通(圖9）,從而列車可以繼續(xù)運(yùn)行,直到運(yùn)營結(jié)束回車庫后再進(jìn)行故障排除。

5內(nèi)藏門承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢

隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)快速發(fā)展及地鐵車輛設(shè)計(jì)日趨成熟,未來車門的承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)將要求可靠性、安全性更高,全壽命周期成本(SCC）更低,并向著免潤滑、免維護(hù)、輕量化方向發(fā)展。近年來,各大地鐵運(yùn)營公司提出了車門健康管理(也有稱作"智能運(yùn)維"）,要求車門系統(tǒng),特別是承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)具有故障提前預(yù)警的功能,能及時向運(yùn)營維護(hù)人員發(fā)送偵測到的車門即將發(fā)生的故障信息,以達(dá)到提前預(yù)防、提前維護(hù)的要求,從而進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

6結(jié)語

本文介紹了地鐵內(nèi)藏門的基本原理、功能和結(jié)構(gòu),重點(diǎn)分析了承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理,通過分析和對比,為以后的技術(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)提供了初步的方向和思路。