城市軌道交通站臺屏蔽門最大動能及其測試方法的商榷

夏美霞 鄧協(xié)和 孫 斌 陳春元 張 韜

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院,200072,上海∥第一作者,高級工程師)

城市軌道交通站臺屏蔽門系統(tǒng)的滑動門是乘客頻繁進出車廂的通道,乘客難免會與其發(fā)生接觸或碰撞。為防止人員因撞擊而受到傷害,對“每扇滑動門的最大動能限值”以及“每扇滑動門關(guān)門的最后100 mm行程的最大動能限值”作出明確的規(guī)定(分別為不大于10 J、1 J),是很有必要的。

CJ/T 236—2006《城市軌道交通站臺屏蔽門》附錄B(資料性附錄)中對屏蔽門的動能測試方法作了相應(yīng)的補充。

我院有關(guān)人員對“每扇滑動門的最大動能”和“每扇滑動門關(guān)門的最后100 mm行程最大動能”的測試方法作了專題研究。研究結(jié)果否定了CJ/T 236—2006附錄B所推薦的相應(yīng)測試方法。現(xiàn)將專題研究情況及其研究結(jié)果介紹如下。

1 CJ/T 236—2006的有關(guān)規(guī)定

關(guān)于城市軌道交通站臺屏蔽門的滑動門最大動能要求及其測試,CJ/T 236—2006作了以下主要規(guī)定:

1)每扇滑動門最大動能不超過10 J;

2)滑動門的動能試驗裝置見圖1;

3)試驗方法:①分別將動能試驗裝置放置于滑動門關(guān)門行程的1/2處和滑動門關(guān)門行程的最后100 mm處;②執(zhí)行滑動門關(guān)門操作,記錄動能試驗裝置的彈簧壓縮量;③重復(fù)上述操作3次,并記錄彈簧的壓縮量;④通過E=1/2K x2計算滑動門的動能(式中:E為動能,K為彈簧彈性系數(shù),x為彈簧壓縮量)。

圖1 滑動門的動能試驗裝置

2 對CJ/T 236—2006上述有關(guān)規(guī)定的理解

2.1 對每扇滑動門最大動能限值的理解

“每扇滑動門最大動能不超過10 J”這一規(guī)定,與類似設(shè)備的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是一致的。例如,GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中對電梯層門、轎門的動能亦規(guī)定“應(yīng)不大于 10 J”。GB 7588—2003等同采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(CEN)的標(biāo)準(zhǔn)EN—81—1《電梯制造與安裝安全規(guī)范》。

城市軌道交通站臺屏蔽門的滑動門,其功能、運行特點等與電梯層門、轎門具有可比性,因此借鑒GB 7588—2003的規(guī)定“每扇滑動門最大動能不超過10 J”是合理的。

2.2 對試驗裝置放置位置的理解

CJ/T 236—2006規(guī)定:“將動能試驗裝置放置于活動門關(guān)門行程的1/2處”(筆者注:活動門、滑動門其術(shù)語宜統(tǒng)一,應(yīng)統(tǒng)一為滑動門)。滑動門關(guān)門運行有“加速—勻速—減速”三個階段。最大動能與最大運行速度相對應(yīng),而最大運行速度基本出現(xiàn)在勻速運行階段。滑動門在關(guān)門行程的1/2處正處于勻速運行階段,因而在該處放置試驗裝置進行測試是合理的。

2.3 CJ/T 236—2006所提供測試方法的原理依據(jù)

CJ/T 236—2006附錄B所介紹的測試方法是基于能量守恒。即:認為在試驗過程中,如果摩擦損耗忽略不計,則滑動門的動能全部轉(zhuǎn)化為動能試驗裝置的彈簧形變勢能(彈性力場中的勢能)。可以從一般意義上來這樣理解CJ/T 236—2006所提供試驗方法的原理依據(jù)。但這一原理依據(jù)的應(yīng)用是有條件的,應(yīng)結(jié)合具體情況予以實施。恰恰在這一非常基本而又非常重要的環(huán)節(jié)上,CJ/T 236—2006似乎有所疏漏,其提供的測試方法值得商榷。

3 幾點商榷

CJ/T 236—2006所描述的站臺屏蔽門最大動能測試方法并不嚴密,或者說并不正確。以下提出筆者的一些看法。

3.1 滑動門兩種運行狀態(tài)的差異

3.1.1 滑動門在電機驅(qū)動下壓縮彈簧

CJ/T 236—2006規(guī)定,動能測試時“執(zhí)行滑動門關(guān)門操作,記錄動能試驗裝置的壓縮彈簧量”(見CJ/T 223—2006附錄 B.6.2.2)。

滑動門是動力操作的自動門。上述規(guī)定意味著在接觸、壓縮彈簧的瞬間,滑動門仍在電機的驅(qū)動下(通過傳動裝置)運行,在試驗過程中滑動門的動力不切斷。在此運行狀態(tài)時,滑動門的受力分析如圖2所示。

圖2中:

Q——滑動門所受的重力,Q=mg(其中m為滑動門的質(zhì)量,包括與滑動門剛性連接的機械零件的質(zhì)量);

N——站臺面對屏蔽門的反作用力;

F(x)——滑動門驅(qū)動力;

P——滑動門所受的來自壓縮彈簧的運行阻力,P=K x(其中K為彈簧彈性系數(shù),x為彈簧壓縮量);

f——滑動門的摩擦阻力。

滑動門運動的動力學(xué)方程式為:

圖2 滑動門受力分析簡圖(動力不切斷)

3.1.2 滑動門以慣性運動壓縮彈簧

即在滑動門接觸、壓縮彈簧的瞬間,切斷其動力,使其以慣性運動,壓縮彈簧。在此運行狀態(tài)時,滑動門的受力分析如圖3所示。

圖3 滑動門受力分析簡圖(以慣性運動)

滑動門運動的動力學(xué)方程式為:

式(1)、(2)均為二階微分方程,但其解顯然是不同的。式(2)應(yīng)該是正確的。

式(2)所對應(yīng)的試驗方法是本來意義上的能量轉(zhuǎn)化與能量守恒,即滑動門固有的動能轉(zhuǎn)化為彈簧的形變勢能(假如摩擦損耗忽略不計)。

而式(1)所對應(yīng)的運行狀態(tài),由于動力不切斷,所以滑動門的動能中疊加有電動機的輸出能量;這部分能量也貢獻于壓縮彈簧,使其形變,儲存勢能。這顯然是不合理的。

由力學(xué)理論可知,動能是表征物體機械運動的量,與質(zhì)量和速度有關(guān),是機械運動形式轉(zhuǎn)化為其它運動形式的度量。在保守力場中,遵循機械能守恒。所謂保守力場,即在該力場中,力所作的功與路徑無關(guān)。而在式(1)所對應(yīng)的運行狀態(tài),電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力F(x)作功是與其作用的路徑有關(guān)的,因此機械能不守恒,基于機械能守恒的計算公式在此不適用。

從能量守恒的角度看,如果不計摩擦損耗,則式(1)所對應(yīng)的運行狀態(tài)有如下的關(guān)系式:

式中:

由圖1可知，9種試驗材料各傳感器間存在明顯差異，數(shù)值各有不同，其中，W1W傳感器在此試驗中最為敏感，其次是W2W傳感器和W5S傳感器，明顯差別于其他傳感器，而其余傳感器數(shù)值差別不大。

Ed——驅(qū)動電機的輸出功;

Ec——門機傳動機構(gòu)的動能;

Eh——滑動門的動能;

Et——彈簧測試裝置的形變勢能。

在這一運行狀態(tài)中,認為滑動門的動能等于動能試驗裝置內(nèi)彈簧的形變勢能。這是對能量守恒與能量轉(zhuǎn)化定律的誤用。驅(qū)動電機接受電能,對外輸出機械能,不僅使傳動裝置和滑動門運行,而且當(dāng)滑動門運行至接觸動能試驗裝置時,輸出的機械能還用于克服彈簧阻力、壓縮彈簧、儲存勢能。顯然,滑動門的動能、動能試驗裝置的勢能都來自于電機,試驗裝置內(nèi)彈簧的形變勢能(Et)并不單由滑動門的動能(Eh)轉(zhuǎn)換而來。因此,這一試驗方法的原理是有錯誤的。

而式(2)所對應(yīng)的運行狀態(tài),Eh=Et是成立的,故其試驗方法的原理是正確的。

然而,式(2)所對應(yīng)的運行狀態(tài)在操作上卻有具體的困難:因地鐵站臺屏蔽門結(jié)構(gòu)上的原因,切斷動力后滑動門難以與傳動機構(gòu)解脫,所以在檢測操作時并不能實施使門扇以慣性運動。

3.2 測試結(jié)果受動能試驗裝置特性的明顯影響

CJ/T 236—2006所提供的方法,其不正確之處還在于測試結(jié)果受動能試驗裝置特性(彈簧彈性系數(shù)K)的明顯影響,現(xiàn)分析如下。

現(xiàn)假定利用K值不同的兩套動能試驗裝置,分別對同一扇滑動門作動能測試。兩套動能試驗裝置對同一滑動門的阻止關(guān)門力相同,即P=K 1 x1=K 2 x2。(P已在制造安裝時事先被設(shè)定,故對一扇被確定的供測定的滑動門來說,P是一個定值。測試時,滑動門作關(guān)門運行并壓縮彈簧,當(dāng)彈簧提供的阻力達到阻止關(guān)門力P時,滑動門重新開啟。)利用第一套動能試驗裝置的測試結(jié)果為=2=P/2,利用第二套動能試驗裝置的測試結(jié)果為=/2=Px2/2。因為 K1≠K2,所以 x1≠x2,從而 E1≠。

兩者的測試結(jié)果明顯不同(即所得試驗結(jié)果會隨試驗裝置的特性而異),這顯然是不合理的。這一不合理現(xiàn)象恰恰說明了所采用的試驗方法在科學(xué)性上是值得質(zhì)疑的。

鑒于彈簧彈性系數(shù)K不同會對試驗結(jié)果造成影響,所以GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》對彈性系數(shù)作了規(guī)定:“彈簧常數(shù)為25 N/mm”。這并不能解決試驗方法本身的正確性問題,但卻起到了統(tǒng)一試驗尺度的作用,避開了彈性系數(shù)K不同所造成的弊端。

4 以測定運行速度和質(zhì)量的方法計算滑動門最大動能

如上所述,CJ/T 236—2006附錄B所提出的試驗方法不甚合理,而切斷動力,使滑動門在接觸彈簧的瞬間以慣性運動又難以具體實施,因而有必要另行探索尋求新的試驗方法。可以利用測定滑動門運行速度和質(zhì)量的方法計算其最大動能。

經(jīng)過分析研究和實踐摸索,現(xiàn)提出利用測定滑動門的質(zhì)量及測定其運行速度或記錄其運行速度曲線,并利用公式E=mv2/2計算滑動門最大動能的試驗方法。式中:m為一扇滑動門的質(zhì)量;v為滑動門關(guān)門時的最大運行速度。速度曲線測定5次,取其算術(shù)平均值(與 CJ/T 236—2006附錄 B.3.3“速度曲線測試至少進行5次”的要求相呼應(yīng))。現(xiàn)將這一試驗方法的操作步驟簡述如下。

4.1 滑動門運行速度的測定

4.1.1 計量器具與儀器設(shè)備

1)水平儀;

2)位移、速度、加速度綜合測試儀(或其它等效的速度測試儀器或裝置)。

4.1.2 操作步驟

1)測定時所使用的計量器具與儀器設(shè)備(例如水平儀,位移、速度、加速度綜合測試儀等)均應(yīng)經(jīng)計量檢定,合格有效;

2)按使用說明書的要求安裝調(diào)整好上述器具和儀器,速度傳感器沿滑動門運行方向調(diào)整水平;

3)開啟位移、速度、加速度綜合測試儀,執(zhí)行滑動門關(guān)門操作,測試并記錄其速度曲線(需要時還可測試、記錄位移曲線和加速度曲線),測試、記錄需重復(fù)進行5次;

4)計算5次測得值的速度算術(shù)平均值,精度取小數(shù)后兩位,單位為m/s。

位移、速度、加速度綜合測試儀見圖4。測得的滑動門速度曲線如圖5所示。

圖4 位移、速度、加速度綜合測試儀

圖5 滑動門關(guān)門的速度曲線

4.2 滑動門質(zhì)量的測定

4.2.1 計量器具

電子秤:量程為0～100 kg,分辨率為0.01 kg。

4.2.2 操作步驟

1)測試前,電子秤應(yīng)經(jīng)計量檢定,合格有效;

2)按使用說明書的要求安裝調(diào)整好電子秤,將滑動門輕放于電子秤,測定其質(zhì)量(單位kg),精度取小數(shù)后兩位。

4.3 滑動門最大動能的計算

按動能公式 E=mv2/2計算滑動門的最大動能,計算結(jié)果取整數(shù)或取小數(shù)后一位,單位J。

4.4 技術(shù)分析

1)滑動門是平動剛體,所以其動能E=mv2/2。此方法從屏蔽門運行最大動能的本質(zhì)上提出了屏蔽門運行最大動能的測試方法,其原理無疑是正確的。

2)該試驗方法中涉及到屏蔽門質(zhì)量 m和屏蔽門運行速度v的測定,完全可使用相應(yīng)的計量器具和儀器以確保滿足測量精度的要求。而彈簧試驗裝置尚沒有成熟的定型產(chǎn)品,其精度較低(電梯行業(yè)使用過此類試驗裝置的企業(yè)都有這方面的反映)。

3)采用此試驗方法可全程觀察與記錄滑動門的運行狀況,有利于分析、判定屏蔽門在開關(guān)門過程中的運行質(zhì)量,能為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供有效信息。

4)在測試“滑動門的最大動能”的同時,也同步完成了CJ/T 236—2006所要求的“滑動門速度曲線”的測試。

5)此試驗方法也適用于“每扇滑動門關(guān)門行程的最后100 mm處最大動能的檢測”。CJ/T 236—2006規(guī)定:“每扇滑動門關(guān)門的最后100 mm行程最大動能不超過1 J”,同樣采用附錄B中B.6所描述的方法來進行測試,其原理顯然也是不正確的。本文論述的測試方法同樣適用于“每扇滑動門關(guān)門的最后100 mm行程最大動能不超過1 J”的檢測,需要注意的是,應(yīng)準(zhǔn)確測得關(guān)門行程的最后100 mm處所對應(yīng)的滑動門的運行速度。該運行速度可采用以下兩種方法來確定:①通過速度曲線的有關(guān)面積計算可以確定關(guān)門的最后100 mm行程所對應(yīng)的滑動門運行速度,從而利用動能計算公式方便地計算出其對應(yīng)的動能。②不僅測定速度曲線,同時也測定位移曲線(滑動門關(guān)門位移曲線如圖6所示),然后在位移曲線上確定關(guān)門的最后行程100 mm處()所對應(yīng)的時間,再在速度曲線上找到t1所對應(yīng)的滑動門運行速度v1;通過動能計算公式E=m/2即可測得對應(yīng)的最大動能。

圖6 滑動門關(guān)門的位移曲線

5 滑動門最大動能測試的兩種方法實測比較

筆者對同一扇滑動門按兩種方法進行了實測比較。按測定滑動門運行速度和質(zhì)量的方法,測得值為:m=68.50 kg,v=0.50 m/s。計算結(jié)果為:滑動門最大動能E=mv2/2=8.6 J。

按動能試驗裝置測定滑動門最大動能的方法,采用的測試儀器為門力測試儀(即動能試驗裝置中的彈簧裝置)。經(jīng)檢定,其實際彈性系數(shù)K=24.5 N/mm(儀器銘牌標(biāo)稱參數(shù)為K=25 N/mm)。圖7所示為測得的特性曲線。自動記錄數(shù)據(jù)表明,其測得值:阻止關(guān)門力P為93 N,E為0.18 J。利用公式E=K x2/2,計得E=0.18 J。這與自動記錄動能數(shù)據(jù)相吻合。

圖7 阻止關(guān)門力特性曲線

利用動能試驗裝置的測試方法,其測試結(jié)果與通過測定滑動門的質(zhì)量、運行速度來計算其動能的測試方法的測試結(jié)果相差懸殊。其錯誤在于,利用動能試驗裝置的測試方法誤用了能量守恒與轉(zhuǎn)換定律,將所得到的結(jié)果誤認為是滑動門的動能。實際上,該方法所得的結(jié)果數(shù)據(jù)僅僅是彈簧因受到滑動門的壓縮而儲存的勢能,而這一勢能是由驅(qū)動電機提供的。如上所述,滑動門、動能試驗裝置之間事實上并不存在等量的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

6 結(jié)語

1)CJ/T 236—2006所描述的利用動能試驗裝置測試每扇滑動門最大動能的方法,在原理上存在瑕疵,試驗方法的科學(xué)性是值得商榷的。

2)利用測定滑動門的質(zhì)量及運行速度或記錄其運行速度曲線,并利用公式E=mv2/2計算滑動門最大動能的試驗方法,符合平動剛體動能測定的本質(zhì)含義,原理正確,有較高的測試精度,而且又具有能同步測定滑動門的速度曲線,了解滑動門在關(guān)門全過程中的運行性能,是可以推廣應(yīng)用的。

[1]GB 7588—2003電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].

[2]史信芳,陳影,毛宗源.電梯技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,1989.

[3]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)編寫組.理論力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003.