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 鄧協和 孫 斌 陳春元 張 韜

(上海市質量監督檢驗技術研究院,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的滑動門是乘客頻繁進出車廂的通道,乘客難免會與其發生接觸或碰撞。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“每扇滑動門關門的最后100 mm行程的最大動能限值”作出明確的規定(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的補充。

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

1 CJ/T 236—2006的有關規定

關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門行程的1/2處和滑動門關門行程的最后100 mm處;②執行滑動門關門操作,記錄動能試驗裝置的彈簧壓縮量;③重復上述操作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,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上述有關規定的理解

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”這一規定,與類似設備的有關標準的規定是一致的。例如,GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》中對電梯層門、轎門的動能亦規定“應不大于 10 J”。GB 7588—2003等同采用歐洲標準委員會(CEN)的標準EN—81—1《電梯制造與安裝安全規范》。

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規定:“將動能試驗裝置放置于活動門關門行程的1/2處”(筆者注:活動門、滑動門其術語宜統一,應統一為滑動門)。滑動門關門運行有“加速—勻速—減速”三個階段。最大動能與最大運行速度相對應,而最大運行速度基本出現在勻速運行階段。滑動門在關門行程的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

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。但這一原理依據的應用是有條件的,應結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節上,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的差異

3.1.1 滑動門在電機驅動下壓縮彈簧

CJ/T 236—2006規定,動能測試時“執行滑動門關門操作,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。上述規定意味著在接觸、壓縮彈簧的瞬間,滑動門仍在電機的驅動下(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為滑動門的質量,包括與滑動門剛性連接的機械零件的質量);

N——站臺面對屏蔽門的反作用力;

F(x)——滑動門驅動力;

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,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)應該是正確的。

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

而式(1)所對應的運行狀態,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。

由力學理論可知,動能是表征物體機械運動的量,與質量和速度有關,是機械運動形式轉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。而在式(1)所對應的運行狀態,電動機產生的驅動力F(x)作功是與其作用的路徑有關的,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)所對應的運行狀態有如下的關系式:

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，而其余傳感器數值差別不大。

Ed——驅動電機的輸出功;

Ec——門機傳動機構的動能;

Eh——滑動門的動能;

Et——彈簧測試裝置的形變勢能。

在這一運行狀態中,認為滑動門的動能等于動能試驗裝置內彈簧的形變勢能。這是對能量守恒與能量轉化定律的誤用。驅動電機接受電能,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,試驗裝置內彈簧的形變勢能(Et)并不單由滑動門的動能(Eh)轉換而來。因此,這一試驗方法的原理是有錯誤的。

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

然而,式(2)所對應的運行狀態在操作上卻有具體的困難:因地鐵站臺屏蔽門結構上的原因,切斷動力后滑動門難以與傳動機構解脫,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果受動能試驗裝置特性(彈簧彈性系數K)的明顯影響,現分析如下。

現假定利用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門力相同,即P=K 1 x1=K 2 x2。(P已在制造安裝時事先被設定,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,滑動門作關門運行并壓縮彈簧,當彈簧提供的阻力達到阻止關門力P時,滑動門重新開啟。)利用第一套動能試驗裝置的測試結果為=2=P/2,利用第二套動能試驗裝置的測試結果為=/2=Px2/2。因為 K1≠K2,所以 x1≠x2,從而 E1≠。

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

鑒于彈簧彈性系數K不同會對試驗結果造成影響,所以GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》對彈性系數作了規定:“彈簧常數為25 N/mm”。這并不能解決試驗方法本身的正確性問題,但卻起到了統一試驗尺度的作用,避開了彈性系數K不同所造成的弊端。

4 以測定運行速度和質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量的方法計算其最大動能。

經過分析研究和實踐摸索,現提出利用測定滑動門的質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為一扇滑動門的質量;v為滑動門關門時的最大運行速度。速度曲線測定5次,取其算術平均值(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)。現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備(例如水平儀,位移、速度、加速度綜合測試儀等)均應經計量檢定,合格有效;

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

3)開啟位移、速度、加速度綜合測試儀,執行滑動門關門操作,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、記錄需重復進行5次;

4)計算5次測得值的速度算術平均值,精度取小數后兩位,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 滑動門關門的速度曲線

4.2 滑動門質量的測定

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,電子秤應經計量檢定,合格有效;

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

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,計算結果取整數或取小數后一位,單位J。

4.4 技術分析

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量 m和屏蔽門運行速度v的測定,完全可使用相應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品,其精度較低(電梯行業使用過此類試驗裝置的企業都有這方面的反映)。

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、判定屏蔽門在開關門過程中的運行質量,能為提高產品質量提供有效信息。

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“每扇滑動門關門行程的最后100 mm處最大動能的檢測”。CJ/T 236—2006規定:“每扇滑動門關門的最后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,應準確測得關門行程的最后100 mm處所對應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面積計算可以確定關門的最后100 mm行程所對應的滑動門運行速度,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(滑動門關門位移曲線如圖6所示),然后在位移曲線上確定關門的最后行程100 mm處()所對應的時間,再在速度曲線上找到t1所對應的滑動門運行速度v1;通過動能計算公式E=m/2即可測得對應的最大動能。

圖6 滑動門關門的位移曲線

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量的方法,測得值為:m=68.50 kg,v=0.50 m/s。計算結果為: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)。經檢定,其實際彈性系數K=24.5 N/mm(儀器銘牌標稱參數為K=25 N/mm)。圖7所示為測得的特性曲線。自動記錄數據表明,其測得值:阻止關門力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據相吻合。

圖7 阻止關門力特性曲線

利用動能試驗裝置的測試方法,其測試結果與通過測定滑動門的質量、運行速度來計算其動能的測試方法的測試結果相差懸殊。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換定律,將所得到的結果誤認為是滑動門的動能。實際上,該方法所得的結果數據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換關系。

6 結語

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,試驗方法的科學性是值得商榷的。

2)利用測定滑動門的質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,了解滑動門在關門全過程中的運行性能,是可以推廣應用的。

[1]GB 7588—2003電梯制造與安裝安全規范[S].

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

[3]哈爾濱工業大學理論力學編寫組.理論力學[M].北京:高等教育出版社,2003.