基于隧道動態(tài)風(fēng)壓的站臺門優(yōu)化方案研究

梁海健　何東山

摘? 要：地鐵高峰期部分站臺門因?yàn)樗淼绖討B(tài)風(fēng)壓過大出現(xiàn)二次關(guān)門等故障，影響了地鐵正常運(yùn)營。通過對隧道動態(tài)風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測分析，研究風(fēng)壓對站臺門運(yùn)行阻力的影響，對站臺門的電機(jī)選型、門控器（DCU）、摩擦副結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決了動態(tài)風(fēng)壓過大導(dǎo)致的站臺門二次關(guān)門。

關(guān)鍵詞：站臺門;動態(tài)風(fēng)壓;二次關(guān)門;雙閉環(huán)智能控制;滾動摩擦結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U279? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）17-0146-02

Abstract： During the peak period of subway， secondaryclosing happen to some platform doorsbecause of the excessive dynamic wind pressure in the tunnels， which affected the normal operation of the metro. Through the measurement and analysis of the dynamic wind pressure data in the tunnels， this paper studies the influence of wind pressure on the running resistance of platform screendoor，optimizes the motor selection， door controlunit （DCU） and friction pair structure of platform screen door， and solves the secondary closing of platform screen door caused by excessive dynamic wind pressure.

Keywords： platform screen door; dynamic wind pressure; secondary door closed; doubleclosed-loopintelligent control; rolling friction structure

引言

地鐵運(yùn)營高峰期行車密度和行車速度不斷增大，部分站臺門因?yàn)樗淼纼?nèi)的動態(tài)風(fēng)壓增大出現(xiàn)二次關(guān)門等故障，導(dǎo)致停站列車無法按計(jì)劃發(fā)車，給運(yùn)營帶來了很大的壓力。本文通過對隧道動態(tài)風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)測，分析風(fēng)壓工況下站臺門的運(yùn)行阻力，通過站臺門電機(jī)合理選型、雙閉環(huán)DCU智能控制、傳動結(jié)構(gòu)等優(yōu)化方案解決了站臺門二次關(guān)門的故障。

1 站臺門軌行區(qū)動態(tài)風(fēng)壓測試

本次測試選擇某地鐵標(biāo)準(zhǔn)車站進(jìn)行測試，各環(huán)控系統(tǒng)為常規(guī)配置，線路列車的最高運(yùn)行速度為80km/h。

在站臺門軌行區(qū)采用風(fēng)壓傳感器對風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測量采集。模擬高峰期線路行車工況：列車停穩(wěn)站臺門運(yùn)動過程中后方區(qū)間正有列車駛來進(jìn)行了測試，得到風(fēng)壓數(shù)據(jù)如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，考慮車站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)不同工況下的隧道動態(tài)風(fēng)壓，動態(tài)風(fēng)壓測量的最大值為-175Pa。因本工況下測試隧道內(nèi)只有2輛列車，沒有多輛列車在地鐵隧道中連續(xù)運(yùn)行建立背壓，實(shí)際中該線路的隧道動態(tài)風(fēng)壓會更大。

2 站臺門運(yùn)動受力分析

站臺門一道滑動門由兩扇門體組成，每扇門通過頂部懸掛裝置與同步帶剛性連接，懸掛裝置滾輪支撐門體在上部導(dǎo)軌上運(yùn)動，滑動門下部設(shè)置有導(dǎo)靴與門檻導(dǎo)槽，其運(yùn)動過程中的摩擦副主要是上步懸掛裝置滾輪與導(dǎo)軌摩擦副和底部的導(dǎo)靴與導(dǎo)槽摩擦副。

現(xiàn)有站臺門相關(guān)參數(shù)如下：滾輪與導(dǎo)軌之間的滾動摩擦系數(shù)μ1=0.05cm，滾輪接觸面半徑為4cm;滾輪與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦系數(shù)μ2=0.15;導(dǎo)靴與導(dǎo)槽之間的摩擦系數(shù)μ3=0.2;單扇門重量m：82kg;單扇門面積s：2.2m2;同步帶傳動效率：η1=0.98;減速器電機(jī)傳動效率：η2=0.7;隧道風(fēng)壓：p。

站臺門兩扇滑動門運(yùn)動過程中的阻力包括：懸掛裝置滾輪與導(dǎo)軌之間固有的滾動摩擦力F1=2mgμ1/r。動態(tài)風(fēng)壓的作用使站臺門上部的滾輪對導(dǎo)軌，下部的導(dǎo)靴對導(dǎo)槽產(chǎn)生正向壓力。滾輪與導(dǎo)軌之間側(cè)向滑動摩擦力F2=μ2ps;導(dǎo)槽與導(dǎo)靴的滑動摩擦力F3=μ3ps;同時(shí)有滑動門密封毛刷和安裝精度等引起的固有摩擦力F4（考慮為15N）。當(dāng)站臺門運(yùn)行阻力（F1+F2+F3+F4）大于電機(jī)的最大輸出力會導(dǎo)致二次關(guān)門故障發(fā)生。

3 站臺門的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前述分析可知，站臺門運(yùn)動過程受阻主要受到動態(tài)風(fēng)壓、傳動結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)、站臺門電機(jī)最大輸出力等的影響，因此可從以下方面進(jìn)行考慮優(yōu)化。

3.1 電機(jī)功率選型

站臺門相關(guān)規(guī)范要求阻止滑動門關(guān)閉的力不應(yīng)大于150N（在勻速區(qū)間測量），滑動門最大動能為10J。以上要求是為了在發(fā)生夾人夾物時(shí)保護(hù)乘客安全。站臺門運(yùn)動過程中其勻速區(qū)段為最大速度，根據(jù)動能公式可計(jì)算得站臺門的最大速度為v=0.494m/s。站臺門電機(jī)所需功率為：P1=Fmaxv/（η1*η2）。部分站臺門廠家未考慮風(fēng)壓的影響將Fmax直接取為150N的做法，得到功率為110W，并為更好的滿足要求，將功率取為100W，此時(shí)反推得站臺門僅可在135Pa以下風(fēng)壓正常工作。但根據(jù)第2節(jié)的分析，站臺門計(jì)算功率應(yīng)采用系統(tǒng)固有運(yùn)行阻力F1、F4和設(shè)計(jì)關(guān)門力150N和185N作為輸入條件，計(jì)算得電機(jī)功率為133W，此時(shí)理論上可在195Pa以下的風(fēng)壓正常工作可大幅增大站臺門適應(yīng)的動態(tài)風(fēng)壓范圍。但因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中地鐵高峰期的動態(tài)風(fēng)壓值會大于200Pa，并且站臺門導(dǎo)軌受風(fēng)壓的反復(fù)壓力會產(chǎn)生疲勞變形，也會逐漸增加運(yùn)動中的阻力，因此從以上電機(jī)功率選型可增大站臺門適應(yīng)的動態(tài)風(fēng)壓范圍，但還無法根本解決二次關(guān)門問題。

3.2 門單元控制器（DCU）智能控制

站臺門開/關(guān)門需要按照設(shè)定的運(yùn)動曲線運(yùn)行，通過DCU控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出力矩（電流）來實(shí)現(xiàn)。采用智能化DCU監(jiān)測電機(jī)的實(shí)時(shí)電流和轉(zhuǎn)速，精確判斷站臺門關(guān)門受阻時(shí)候的障礙物類型（夾人夾物或風(fēng)壓/風(fēng)速），在確保乘客安全的前提下，實(shí)時(shí)控制站臺門的輸出力矩，解決二次關(guān)門問題。DCU與電機(jī)構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理如圖3所示。

關(guān)門過程中由于門體運(yùn)動慣性的存在，受到風(fēng)壓阻力時(shí)站臺門速度是緩慢下降知道停止的，電流信號曲線是緩慢增大到一個(gè)定值，類似于斜坡信號。當(dāng)關(guān)門過程中夾人夾物遇阻時(shí)，因?yàn)槿嘶蛭锏拇嬖谟趦缮乳T之間導(dǎo)致門體突然停止不動，對電機(jī)轉(zhuǎn)速是迅速下降到接近0，對負(fù)載電流的影響是瞬間增大，電流、轉(zhuǎn)速信號類似于脈沖信號。因此可根據(jù)監(jiān)測信號進(jìn)行判斷障礙物類型。

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行的控制策略如下：（1）開門過程中因?yàn)椴粫l(fā)生夾人夾物安全事件，發(fā)生隧道動態(tài)活塞風(fēng)壓增大阻礙開門時(shí)，DCU控制提高電機(jī)輸出功率，使得站臺門在滿足開門運(yùn)動曲線的情況下順利開門。（2）關(guān)門過程中，增大開門力首先保證站臺門正常運(yùn)行中電機(jī)輸出功率滿足關(guān)門力小于150N，當(dāng)關(guān)門過程中監(jiān)測到異常阻力時(shí)，DCU精準(zhǔn)判斷障礙物的類型（夾人夾物或風(fēng)壓/風(fēng)速）。當(dāng)判斷為夾人夾物時(shí)，確保關(guān)門力小于150N，確保乘客安全。當(dāng)判斷為風(fēng)壓/風(fēng)速引起的阻力時(shí)，滑動門驅(qū)動會切換為力矩模式，此時(shí)只運(yùn)行電流環(huán)，適當(dāng)增大站臺門關(guān)門力的情況下，克服風(fēng)壓造成的阻力，以確保站臺門按時(shí)、準(zhǔn)確關(guān)閉。根據(jù)以上的控制原理與控制策略能有效解決站臺門二次關(guān)門的問題。目前該技術(shù)不僅適用于新線路站臺門的建設(shè)，也可用在舊線路站臺門改造中。（3）優(yōu)化門體摩擦副結(jié)構(gòu)。站臺門底部導(dǎo)靴與門檻優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，將門體底部導(dǎo)靴與門檻的傳動副從現(xiàn)有的面接觸式滑動摩擦轉(zhuǎn)換為內(nèi)置滾輪的滾動摩擦，降低摩擦系數(shù)，進(jìn)而減少運(yùn)行阻力，該方案也能增大站臺門運(yùn)動過程中適應(yīng)的隧道動態(tài)風(fēng)壓范圍。

4 結(jié)束語

本文對高密度行車下站臺門二次關(guān)門故障的問題進(jìn)行研究，認(rèn)為動態(tài)風(fēng)壓增大導(dǎo)致站臺門運(yùn)行阻力增大是產(chǎn)生二次關(guān)門的原因。從站臺門專業(yè)的角度，可從電機(jī)功率合理化選型、DCU雙閉環(huán)智能控制、站臺門運(yùn)動副采用滾動摩擦代替滑動摩擦等優(yōu)化方案解決該故障，達(dá)到提高地鐵線路運(yùn)營效率的目的。

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