一种地铁内藏门系统承载驱动机构的分析与研究

引言

地铁已经逐渐成为大部分现代城市中的人们上下班出行的首选交通工具,而与乘客接触最多的就是车辆上的车门,其功能是:当车辆到站停稳时,车门打开,乘客可以上下车:之后车门关上,列车才可以启动与运行:在运行过程中一直处于关闭状态,直到列车到达下一站停稳,再打开门,乘客进行上下车。

目前市场上车门的类型主要有3种一内藏门、外挂门和塞拉门,而内藏门因其结构简单、运行可靠、成本低廉以及易于维护,特别适用于大型城市的轨道交通系统。本文介绍了在上海地铁和北京地铁应用的法中轨道的内藏门,研究和分析了车门系统承载驱动机构。

1内藏门定义

内藏门是指在车门打开和关门时,门页直线运动,并且车门完全打开后,门页位于列车的外墙和内装之间,此时乘客看不见门页的位置,只有当门页关闭时,乘客才能看见门页的外形。

2内藏门结构简介

如图1所示,一个完整的车门系统主要由以下零部件组成:承载驱动机构、门扇含机械隔离装置）、门槛、紧急解锁装置及其钢丝绳、密封胶条毛刷、EDCU等,每个零部件组合在一起,提供了整个系统所需要的功能和性能。

各个子系统的主要功能如下:

承载驱动机构1）一承受门的重量及运动过程中受到的外部载荷,驱动门页进行开关门运行,并保证车门可靠地关闭和锁闭:

门页2、3）一连接车辆和站台之间的出入口,是乘客可以接触到的主要车门部件:

门槛4）一乘客上下车时的脚部支撑,引导门页下部运行,承受门页下部载荷:

EDCU5）一控制车门的运行,并和车辆保持通信的部件:

紧急解锁装置6）一在紧急情况下,提供给乘客打开车门的手动解锁装置:

钢丝绳7）一连接紧急解锁装置和车门锁闭装置的部件:

辅助支撑轮8）一门页中间受到载荷变形时,能防止车门过量变形而摩擦车体。

车门电子控制单元EDCU根据车辆信号发出开、关门指令,动力系统带动传动系统进行门的开关,检测系统对门的开启和关闭位置进行检测并反馈给车辆控制端。门关闭后,会触发门已关闭传感器,同时锁闭系统触发门锁闭传感器,以确保车门已经可靠地关闭和锁闭,并发出相应的检查信号给车门电子控制单元和列车控制系统。

3车门的基本要求

3.l功能要求

作为乘客进出通道的关口,车门必须具备如下基本功能:1）运行温度:车门可以在-25～＋45+范围内正常工作。

2）电动开关门:车门可以接收车辆发出的指令,自动进行开关门,开关门时间通常设定为3±℃.5）S可通过维护软件进行调整）。

3）手动开关门:在没有电的情况下,可以手动进行开关门,手动拉门力通常1150N。

4）紧急开门:在遇到意外情况,需要临时紧急打开车门时,可以通过操作手动紧急解锁装置将车门解锁,然后手动打开车门。

5）车门隔离:在车门有故障的情况下,可以手动隔离故障车门,以使列车可以继续运营,被隔离的车门不再进行开关门且有指示灯常亮以表示此车门有故障）。

6）障碍探测:当车门关门时,如果夹到正在通过的乘客,车门可以检测到,并防止夹伤乘客,可检测到的最小障碍物为30mm×60mm,夹住物体后的移除力1150N。

7）水密性:在EN14752规定的测试条件下,外部的雨水不能通过车门进入列车内部。

(8）强度:车门必须具有一定的强度,以确保乘客在车内挤压车门的情况下,车门的开关门功能可以保持正常,车门变形也不会与车辆发生干涉。3#.舒适性要求

为了提高乘客乘坐的舒适性,车门必须满足如下性能要求:

(1）隔音性能:门板的隔音Rw≥32dB,整个内藏门系统隔音Rw≥23dB。

(2）隔热性能:K≤4.5w/(m2·K）。

(3）运行噪声:开关门时噪声≤70dB,锁闭和解锁瞬间噪声≤75dB。

2承载驱动机构

承载驱动机构是整个门系统最核心的部件,其性能的好坏、可靠性的高低直接决定了整个车门系统的性能和可靠性。承载驱动机构主要由滑轨组件、电机组件、丝杆螺母传动组件、锁闭系统及车门控制单元EDCU组成,如图2所示。

4.1承载系统

法中轨道采用钢制滑轨组件作为承载结构,用于承受门页的重量和额外载荷,以及控制和引导车门的直线运行(开关门）。其主要由滑轨、滑块、保持架和钢球组成,如图3所示。

当滑块移动时,钢球进行纯滚动(保持架也随着钢球的滚动而进行移动）,从而使滑块的移动非常平稳和顺畅。并且得益于圆弧沟槽和高强度钢球的设计结构,滑块可以承受很大的载荷而不产生任何永久变形。

目前,传统的塑料滚轮的承载结构还占据着大部分市场,法中轨道的钢轨承载系统与之相比,具有如表1所示的特点。

综合比较可以看出,采用钢制承载系统更加可靠和耐用,全寿命周期成本(LCC）更低。

4.2传动系统

法中轨道采用的是高精度的金属丝杆螺母传动,丝杆采用冷轧的工艺方法加工而成,螺母内部有钢球,属于滚珠丝杆传动类型,其具有以下特点:

(1）传动效率高达0.98(平均为滑动螺旋的2～3倍）,可节省动力1/3～1/2:

(2）摩擦力矩小:

(3）工作寿命长,平均可达滑动螺旋的10倍左右:

(4）传动无间隙,无爬行,传动平稳,传动精度高:

(5）具有很好的高速性能。

4.3动力系统

法中轨道采用有刷电机进行驱动,由于采用特殊的电刷设计,结合每天有限的使用频率和转动圈数,电机可以达到3000000次开关门而无需更换电刷。

如表2所示,与市场上其他车门产品使用的无刷电机相比,有刷电机具有明显的成本优势和可靠性。

4.4锁闭系统

采用法中轨道专利技术的锁闭系统是整个车门系统的核心设计之一,其非常巧妙地充分利用了电机定子和转子的相对运动来实现车门的锁闭和解锁,其锁闭/解锁原理如图4所示。

图2锁闭原理

锁闭支架与电机定子固定(电机定子两端安装在轴承孔上,因此定子可以旋转）,锁闭滚轮安装在锁闭支架上,并且滚轮与锁杆接触。

关门过程中,丝杆(与电机转子相连接）逆时针转动,带动门页往关门方向(如图5所示,为向右的箭头）运动,此时电机定子虽然有向顺时针方向转动的趋势,但锁闭滚轮与锁杆接触,阻止了电机外壳转动,滚轮在锁杆的接触面上纯滚动,此时,门页正常关门。

图5关门过程示意图

如图6所示,当门页关闭到位时,这时丝杆虽然有继续逆时针转动的趋势,但由于门页已经移动到位,不能再继续移动,故丝杆不能再继续转动,即门已经关闭到位(并通过门关闭到位开关检测确定）。如果此时电机定子也不能转动,那么电机将会因持续堵转而烧毁。然而,通过巧妙的机械结构设计,使得锁闭滚轮正好滚动到锁杆的末端,由此锁杆不再阻挡电机定子的转动,因此电机定子顺时针转动(滚轮沿着锁杆端面滚动）一定角度后停止。此时,锁闭滚轮正好抵住锁杆端部,从而实现门页的锁闭(门页不能打开,即向左移动）,同时,预先设计的门锁闭到位开关也被触发,说明已经锁闭到位,从而电机断电不再继续转动,如图7所示。

图6门关到位

图7门锁到位

而开门时,电机的动作过程正好与关门相反。这样,整个锁闭系统的实现就最大限度地巧妙利用了电机的转动原理,结构简单高效,不需要再单独设计锁闭装置和附加的解锁动力源,大大提高了整个车门系统的可靠性,也降低了成本。4.5检测系统

车门的开启和关闭是由作为核心部件的承载驱动机构实现的,而车门是否已经关到位、锁闭系统是否已经锁到位、列车是否可以启动等,这些关系到乘客的安全和列车的正常运行,因此必须有一套设计合理、功能可靠的传感器组成的检测系统时刻对车门的状态进行监控,并通过车门控制单元EDCU将车门的实时状态发送给列车控制系统TCMS。为了实现这一功能,在承载驱动机构的中间位置以及电机锁闭位置,分别装有一个车门关闭到位开关DCS(图8）和车门锁闭到位开关DSS(图7）。

图8车门关闭到位开关DCS

每个开关都有两对触点,分别为一个常开触点(LN）和一个常闭触点(LC）,它们在物理上是相互连接的,但单独供电。一个触点用于传送信号给列车回路,另一个用于门的内部控制。LN触点用于"门已关闭并锁定"安全回路,LC触点用于车门控制单元EDCU对车门位置状态的判断和确认。如图9所示,当车门关闭时,首先触发门关闭到位开关,以表明门页已经处于完全关闭位置,然后门锁闭到位开关被安装在电机定子上的锁闭支架触发,表明车门已经完全锁闭。这时,这2个串联连接的开关接通列车上的安全回路,列车才满足允许启动的条件,只要有任意一个开关没有被触发,列车都无法启动。

4.6车门隔离

当个别车门出现故障而不能正常开关门时,列车安全回路将不能正常接通,列车将无法启动。为了保证车辆的正常运行(可用性）,在承载驱动机构上特别设计了一个隔离开关SNS,门页上设计有隔离装置,通过四方钥匙顺时针旋转90°,锁舌将向上伸出,进而触发这个开关,如图10所示。

当门页出现故障而不能自动关门时,需要人工手动将门关闭和锁闭,才能进行隔离操作。隔离后,被隔离的门将一直处于关闭状态,不再进行开门,此时列车安全回路将通过隔离开关接通(图9）,从而列车可以继续运行,直到运营结束回车库后再进行故障排除。

5内藏门承载驱动机构的发展趋势

随着国内地铁建设快速发展及地铁车辆设计日趋成熟,未来车门的承载驱动机构将要求可靠性、安全性更高,全寿命周期成本(SCC）更低,并向着免润滑、免维护、轻量化方向发展。近年来,各大地铁运营公司提出了车门健康管理(也有称作"智能运维"）,要求车门系统,特别是承载驱动机构具有故障提前预警的功能,能及时向运营维护人员发送侦测到的车门即将发生的故障信息,以达到提前预防、提前维护的要求,从而进一步提高整个系统的可靠性和可维护性。

6结语

本文介绍了地铁内藏门的基本原理、功能和结构,重点分析了承载驱动机构的结构设计和工作原理,通过分析和对比,为以后的技术设计和优化改进提供了初步的方向和思路。