引言

隨著國家對(duì)軌道交通發(fā)展的重視以及國民生活水平的提高,乘客及建設(shè)單位對(duì)地鐵的行車速度和運(yùn)營效率的要求也在逐步提高,特別是要提高高峰期的運(yùn)營效率,設(shè)置越行配線車站是一個(gè)有效的解決方案。越行配線車站允許在慢車?？寇囌緯r(shí)快車從越行軌行駛,理想情況下快車可在不降低速度的情況下越行。紐約、日本、巴黎等城市的地鐵均在客流密度較大的車站采用了越行配線方案,而廣州市14、18、21、22號(hào)線及福州市目前在建的機(jī)場線,也陸續(xù)開展了越行配線方案的研究并應(yīng)用于車站建設(shè)中,以期提高地鐵的輸送效率。

但越行配線的設(shè)置對(duì)站臺(tái)門設(shè)計(jì)也帶來了全新的挑戰(zhàn)。列車在隧道行駛時(shí)存在活塞風(fēng)效應(yīng),會(huì)造成軌行區(qū)局部區(qū)域氣壓變化。如果此時(shí)有另一臺(tái)列車在停站軌停留,軌行區(qū)空氣流動(dòng)截面積較小,活塞效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致停站軌位置的氣壓產(chǎn)生變化,對(duì)站臺(tái)門會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直的壓力,增加站臺(tái)門關(guān)門所受到的阻力,導(dǎo)致站臺(tái)門滑動(dòng)門出現(xiàn)二次關(guān)門的故障。

目前,學(xué)者們主要從實(shí)驗(yàn)測(cè)量和流體建模模擬這兩個(gè)方面對(duì)地鐵活塞風(fēng)效應(yīng)展開研究。劉暢等人[1]的研究分別針對(duì)上海地鐵19座車站進(jìn)行現(xiàn)場動(dòng)態(tài)風(fēng)壓實(shí)驗(yàn),測(cè)試在高密度行車情況下站臺(tái)門所承受的風(fēng)壓;研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)站端部第一道門所承受的風(fēng)壓最大,并且在其他條件相同的情況下,島式站臺(tái)第一道站臺(tái)門所承受的風(fēng)壓是側(cè)式站臺(tái)第一道站臺(tái)門的13倍,另外,開啟車站的上下排熱對(duì)第一道站臺(tái)門的承壓影響很小。袁譽(yù)釗等人[2]構(gòu)建了兩車、兩車站、三區(qū)間隧道的地鐵隧道模型,運(yùn)用Fluent19.1軟件,利用滑移網(wǎng)格技術(shù)仿真模擬列車在隧道運(yùn)行時(shí)引起的活塞風(fēng)速度與壓力,并提取在不同列車運(yùn)行速度下車站站臺(tái)門區(qū)域所受活塞風(fēng)的壓力值。但是上述研究均未對(duì)越行配線車站在越行工況下的活塞風(fēng)壓進(jìn)行測(cè)量或模擬,無法驗(yàn)證越行工況下的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓對(duì)站臺(tái)門是否有影響及影響的程度。

本文將針對(duì)地鐵車站配線設(shè)計(jì)中的兩種配線方案,模擬并研究快慢車運(yùn)行模式越行工況下站臺(tái)門承受的活塞風(fēng)壓,驗(yàn)證其對(duì)站臺(tái)門滑動(dòng)門開關(guān)的影響,并提出對(duì)站臺(tái)門系統(tǒng)選型的優(yōu)化方案。

1地鐵越行工況下站臺(tái)門承受活塞風(fēng)壓分析

本次研究選取廣州地鐵18號(hào)線沙溪站與廣州地鐵22號(hào)線陳頭崗站為研究對(duì)象:沙溪站車站形式為單島外側(cè)越行車站,越行軌與停站軌之間通過一面混凝土墻進(jìn)行分隔,快車在外側(cè)越行軌以160 km/h的速度越行;陳頭崗站為雙島正線外側(cè)越行,快車在島式站臺(tái)外側(cè)的越行軌上以80 km/h的速度越行。上述兩種方案中,停站軌上列車停車及上下客均不會(huì)影響越行軌上快車的正常行駛。兩座車站的站臺(tái)門均按照與市域8D編組列車配套設(shè)置。為研究越行工況活塞風(fēng)壓對(duì)站臺(tái)門的影響,需計(jì)算越行工況下的活塞風(fēng)壓值。

1.1建立車站模型

沙溪站配線方式為單島外側(cè)越行[3],越行軌與公共區(qū)之間通過分隔墻隔離,站臺(tái)層左線與右線軌行區(qū)基本分隔無空氣交流,因此建模只按照一側(cè)進(jìn)行模擬。模擬測(cè)試模型如圖1所示。

陳頭崗站配線方式為雙島正線外側(cè)越行[3],站臺(tái)層左線與右線軌行區(qū)有多處空氣交流,因此按完整車站進(jìn)行建模。模擬測(cè)試模型如圖2所示。

1.2設(shè)置流體力學(xué)邊界條件

接下來是輸入模擬模型中快慢車運(yùn)行的測(cè)試工況。兩個(gè)流體模擬模型都以溫度為25℃、1 atm標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為環(huán)境基本條件。此外,所有隧道出入口及活塞風(fēng)井出口均視為與標(biāo)準(zhǔn)大氣連接且為自由空氣(opening),隧道壁均按照無滑移條件(non—slip condition)進(jìn)行設(shè)置。

兩個(gè)流體模擬模型中的模擬工況均按1列車停站+1列車越站工況進(jìn)行設(shè)置,列車速度按照開通后列車運(yùn)行速度設(shè)置:沙溪站越行軌列車速度按44.44 m/s(160 km/h)設(shè)置,停站軌列車按照靜止?fàn)顟B(tài)(0 km/h)設(shè)置;陳頭崗站越行軌列車速度按22.22 m/s(80 km/h)設(shè)置,停站軌列車按照靜止?fàn)顟B(tài)(0 km/h)設(shè)置。隧道內(nèi)通風(fēng)條件按無風(fēng)機(jī)情況設(shè)置。

1.3活塞風(fēng)壓模擬結(jié)果

通過運(yùn)行ANSYS CFX運(yùn)算軟件,得出整個(gè)模型各個(gè)點(diǎn)的流體參數(shù)數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)收集8D列車每節(jié)編組其中一個(gè)站臺(tái)門位置(滑動(dòng)門編號(hào)#1、#5、#9、#13、#20、#24、#28、#32)的活塞風(fēng)壓;沙溪站僅收集停站軌旁站臺(tái)門位置的風(fēng)壓值,陳頭崗站則同時(shí)收集停站軌與越行軌旁站臺(tái)門位置的風(fēng)壓值。

1.3.1沙溪站

如圖3所示,沙溪站越行工況下站臺(tái)門所受的活塞風(fēng)壓最大正風(fēng)壓為+1 003.45 pa,最大負(fù)風(fēng)壓值為—632.32 pa。此外,不同門體位置風(fēng)壓的大小隨時(shí)間變化規(guī)律基本保持一致。

1.3.2陳頭崗站

如圖4、圖5所示,陳頭崗越行側(cè)最大正風(fēng)壓值為+995.90 pa,最大負(fù)風(fēng)壓值為—213.09 pa;停站側(cè)最大正風(fēng)壓為+35.37 pa,最大負(fù)風(fēng)壓為—6.43 pa。從上述兩組活塞風(fēng)壓對(duì)比可知,對(duì)于雙島外側(cè)越行車站,停站側(cè)站臺(tái)門所受到的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓要遠(yuǎn)小于越行軌側(cè)的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓;此外,同一側(cè)站臺(tái)門不同站臺(tái)門位置的活塞風(fēng)壓大小變化規(guī)律一致,這與沙溪站的模擬結(jié)果一致。

1.3.3小結(jié)

綜上,兩座車站流體模擬得出的單側(cè)站臺(tái)門最高正負(fù)活塞風(fēng)壓如表1所示。

2站臺(tái)門活塞風(fēng)壓下的電機(jī)分析

根據(jù)劉鑫美[4]、梁海健等人[5]對(duì)站臺(tái)門系統(tǒng)動(dòng)態(tài)風(fēng)壓理論的研究,滑動(dòng)門在關(guān)門過程中需要克服的阻力分為五部分,包括:(1)懸掛裝置滾輪與導(dǎo)軌間的滾動(dòng)摩擦力F1;(2)因活塞風(fēng)壓作用在站臺(tái)門,懸掛裝置滾輪與導(dǎo)軌之間的側(cè)向滑動(dòng)摩擦力F2;(3)因活塞風(fēng)壓作用在站臺(tái)門,導(dǎo)靴與導(dǎo)軌產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力F3;(4)毛刷等部件產(chǎn)生的固有摩擦力F4;(5)關(guān)門過程中,使滑動(dòng)門加速至最大關(guān)門速度的牽引力F5。其中,F1和F4為滑動(dòng)門開關(guān)過程中的固有摩擦力,僅與滑動(dòng)門門體重量、接觸面材質(zhì)有關(guān),與滑動(dòng)門承受活塞風(fēng)壓無關(guān);F2和F3均為因活塞風(fēng)壓導(dǎo)致的關(guān)門摩擦力,其大小與活塞風(fēng)壓正相關(guān);F5由關(guān)門速度、門體質(zhì)量決定,也不受活塞風(fēng)壓的影響。

關(guān)門流程分加速階段、勻速階段、減速階段、低速勻速階段和停止階段,其中加速階段和勻速階段占關(guān)門流程的主要部分。加速階段中,由于大部分門處在開啟狀態(tài),可視為滑動(dòng)門內(nèi)外風(fēng)壓值一致,F2和F3可基本忽略不計(jì),滑動(dòng)門關(guān)門克服固有摩擦力為F1、F4和F5;勻速階段會(huì)存在某個(gè)時(shí)刻除了個(gè)別滑動(dòng)門未關(guān)閉,其他滑動(dòng)門均已關(guān)閉的情況,軌行區(qū)與公共區(qū)存在壓力差,滑動(dòng)門關(guān)門克服固有摩擦力為F1、F2、F3和F4。

結(jié)合前文通過ANSYS CFX模擬軟件得出的單側(cè)站臺(tái)門承受活塞風(fēng)壓最大值,計(jì)算出越行工況下站臺(tái)門關(guān)門加速階段和勻速階段電機(jī)克服阻力需要提供的輸出功率,如表2所示。

由上述計(jì)算得出,關(guān)門速度u=0.4 m/s時(shí),站臺(tái)門電機(jī)的輸出功率應(yīng)不小于855.62 W。目前,國內(nèi)地鐵線路全高站臺(tái)門常用電機(jī)功率配置為200 W,則沙溪站越行工況下,如不采取優(yōu)化措施,站臺(tái)門會(huì)因活塞風(fēng)壓關(guān)門受阻,無法完成關(guān)門流程。

3站臺(tái)門活塞風(fēng)壓下的控制模式選型

在越行配線車站中,站臺(tái)門門體受到越行工況下活塞風(fēng)壓的影響關(guān)門受阻;考慮到站臺(tái)門電機(jī)的輸出參數(shù)與越行工況的特性,可通過以下兩種方案優(yōu)化控制系統(tǒng)。

3.1 DCU智能控制電機(jī)輸出功率

如上文所述,當(dāng)滑動(dòng)門受到活塞風(fēng)壓導(dǎo)致關(guān)門受阻時(shí),可通過短時(shí)間增大電機(jī)功率來提高克服摩擦力的能力;而滑動(dòng)門是否因活塞風(fēng)壓導(dǎo)致關(guān)門受阻,則需要站臺(tái)門DCU通過智能控制模式監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)來進(jìn)行判斷?；瑒?dòng)門關(guān)門受阻可能有兩種原因:(1)因?yàn)榛钊L(fēng)壓導(dǎo)致滑動(dòng)門摩擦力增大,電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)緩慢降低并最終降到0;(2)滑動(dòng)門受障礙物阻擋,電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)降到0,且為防止夾傷乘客,電機(jī)需向反方向運(yùn)行使滑動(dòng)門釋放障礙物。基于上述原理,可通過在站臺(tái)門電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器,并將實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速反饋給DCU進(jìn)行判斷,識(shí)別阻力類型并采取相應(yīng)控制措施。具體控制流程圖如圖6所示。

通過監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,DCU可識(shí)別站臺(tái)門受風(fēng)壓阻擋關(guān)門的情況,并及時(shí)介入改變輸出條件:在關(guān)門過程中,通過閉環(huán)控制的方式,持續(xù)監(jiān)控關(guān)門速度并及時(shí)調(diào)整輸入電流,提高短時(shí)間的電機(jī)輸出功率,提升電機(jī)克服啟動(dòng)阻力的能力,當(dāng)關(guān)門速度提高到一定閾值時(shí),降低輸出電流,避免電機(jī)長時(shí)間過載。這種控制方式雖然會(huì)稍微延長關(guān)門時(shí)間,但可在不改變電機(jī)功率的情況下,克服動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的影響完成站臺(tái)門關(guān)門。考慮到電機(jī)的最大輸出功率,DCU智能控制的參數(shù)建議全線按照活塞風(fēng)壓在一定范圍(±400 pa)內(nèi)進(jìn)行調(diào)整設(shè)定。

3.2調(diào)整滑動(dòng)門關(guān)門時(shí)間

站臺(tái)門門體在越行工況下承受的活塞風(fēng)壓隨越行列車相對(duì)位置變化而變化。從圖7可看出,活塞風(fēng)壓絕對(duì)值大于400 pa的累計(jì)時(shí)長約為8 S;以行車間隔120 S為例,活塞風(fēng)壓大于400 pa的時(shí)間短,僅占整個(gè)行車間隔周期6%左右。同時(shí),由于站臺(tái)門關(guān)門時(shí)間為3.0~4.0 S,慢車停站、快車越行的工況與站臺(tái)門正在關(guān)門同時(shí)出現(xiàn)的概率較小。

考慮到上述情況,通過調(diào)整站臺(tái)門關(guān)門時(shí)間方案,可避免越行工況造成的活塞風(fēng)壓對(duì)站臺(tái)門關(guān)門造成影響。如上文所述,站臺(tái)門明顯承受活塞風(fēng)壓的時(shí)間在8 s左右,而一般市域線路高峰期行車對(duì)數(shù)在每小時(shí)14~20對(duì),對(duì)應(yīng)行車間隔在120~257 s,適當(dāng)對(duì)站臺(tái)門關(guān)門時(shí)間進(jìn)行延遲對(duì)車站運(yùn)營影響并不顯著。在實(shí)際工程中,可將本方案與DCU智能控制方案相結(jié)合:當(dāng)活塞風(fēng)壓在—400~+400 pa的風(fēng)壓范圍內(nèi),站臺(tái)門仍按正常關(guān)門時(shí)間執(zhí)行關(guān)門流程,減少關(guān)門時(shí)間的延遲,降低運(yùn)營壓力。

4結(jié)論

本文針對(duì)站臺(tái)門受到活塞風(fēng)壓影響導(dǎo)致關(guān)門受阻的情況進(jìn)行深入研究,結(jié)論如下:

(1)結(jié)合ANSYS CFX軟件包對(duì)車站越行工況進(jìn)行模擬,得出最大活塞風(fēng)壓出現(xiàn)在沙溪站,最大正風(fēng)壓為+1 003.45 pa,最大負(fù)風(fēng)壓為—632.32 pa。

(2)站臺(tái)門電機(jī)輸出功率應(yīng)不小于855.62 W,才可克服越行工況最大活塞風(fēng)壓完成關(guān)門動(dòng)作。

(3)考慮到快車越行工況的時(shí)間長度僅占車站運(yùn)營時(shí)間較少的一部分,且慢車停站而快車越行的工況與站臺(tái)門正在關(guān)門同時(shí)出現(xiàn)的概率較小,通過結(jié)合DCU智能控制調(diào)整輸出電流方案與調(diào)整滑動(dòng)門關(guān)門時(shí)間的方案,可避開越行工況下最大風(fēng)壓,降低對(duì)站臺(tái)門受到活塞風(fēng)壓的阻礙作用。

本研究提出的方案,能夠減少因活塞風(fēng)壓導(dǎo)致關(guān)門受阻的情況,減輕現(xiàn)場站務(wù)人員處理壓力,優(yōu)化車站人員結(jié)構(gòu);減少因關(guān)門受阻造成的頻繁列車延誤,保證列車準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)容納站臺(tái)乘客,降低乘客出行成本,提高地鐵的客流輸送效率,提升地鐵服務(wù)的質(zhì)量,對(duì)維護(hù)地鐵的正面形象起到積極作用。