城軌車輛LS型鎖閉機構外掛密封門研究與分析

王 亮，杜兆波

（中國南車集團 青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

近幾年隨著國民經濟的迅速發展，城市軌道交通以其大載客量、快捷、準時、安全、環保等特點，成為解決交通擁擠的最有效手段，客室側門作為城軌車輛主要系統之一，乘客上下車的出入口，其設計結構、鎖閉安全性等受到廣泛關注。目前國內城軌車輛客室側門主要采用的是微處理器控制的電動雙扇對開門，根據結構形式大致可分為內藏移門、塞拉門和外掛移門3種，外掛密封門是外掛移門的一種，是在外掛移門的基礎上，增加了微小的塞拉行程，使其既具有塞拉門良好的密封性能，同時保持了外掛移門結構簡單、質量輕，維護方便的特點。客室側門鎖閉結構是車門最主要組成部分，LS型鎖閉機構是近幾年研發的新型無源鎖閉機構，其全名為螺桿鎖螺母式制動器，由于其具有鎖閉可靠、機構零件少、結構簡單、便于裝配、維修等優點，近年來得以廣泛應用，并受到最終用戶的廣泛贊譽。為此，對LS型鎖閉機構外掛密封門進行了研究與分析，以期對該門的選用提供參考。

1 外掛密閉門簡介

外掛密閉門又稱微動塞拉門，塞拉導角為10°，是在外掛移門的基礎上增加了12 mm的微小塞拉動作，可以實現門扇周邊密封膠條與車體門框平面的緊密貼合，確保門具有良好的密封性能。

外掛密閉門關閉時門扇位于車體外側，門扇內表面距車體同一位置外表面2 mm；開啟時門扇往外塞拉12 mm。

外掛密閉門主要由門扇、外部承載導向裝置（見圖1）、內部驅動裝置、鎖閉裝置、周邊密封及接口部件、緊急解鎖裝置、隔離鎖裝置、門控單元（EDCU）等部件組成。電動外掛密閉門采用門控單元控制電機轉動，電機通過連軸器與絲桿相連并帶動其轉動，通過絲桿螺母傳動的方式帶動門扇作對開運動。門扇上部設有由承載小車、擺臂和攜門架組成的平行四連桿機構（參見圖2），門扇的總重通過平行四連桿機構傳遞到承載導軌，攜門架上的導向輪在承載導軌中運動實現門扇的橫向＋縱向的微塞拉運動，達到了現行塞拉門的運動形式，結構原理圖參見圖3。

圖1 外部承載導向裝置

圖2 平行四連桿機構

圖3 結構原理圖

2 分析比較

外掛密閉門是在外掛移門的基礎上，將塞拉門密封性好的優點運用到外掛移門上，具有結構簡單、密封性好、質量輕、可靠性高、維護方便等優點，相對于外掛移門，提高了密封性能，增強了車輛的隔聲和隔熱效果，提高了車廂內乘客的舒適度。

2.1 占用空間比較

從表1可見：外掛密閉門占用空間較小，有利于節省車內空間，便于車輛設計時車內設備的布置。

表1 車門機構型式及占用空間比較

2.2 關門過程中門板的受力比較

現行塞拉門的塞拉行程一般為D＝56 mm，塞拉行程段的塞拉導角一般為α＝35°；外掛密閉門的塞拉距離為12 mm，塞拉行程段的塞拉導角為10°。下面分別從塞拉導角、塞拉距離兩方面對外掛密閉門與塞拉門在關門過程中門扇及門系統的受力情況進行分析比較。

2.2.1 從塞拉導角入手分析受力情況，并進行比較

（1）塞拉門門扇及門系統的受力情況（見圖4）

塞拉門關門過程示意圖如圖5所示，塞拉門在關閉到接近最后一段距離時，門板同時要向車廂內移動，并對人體產生擠壓力（Rn），此時，當門板受到乘客人體阻力（P）的反作用足夠大時，自動門系統的防擠壓檢測起作用，使關門動作不能及時實現。

按照EN 14752《鐵路應用——車輛側門系統》標準，首次防擠壓力應不大于150 N，即塞拉門關閉過程中設定的最大防擠壓力Fmax＝1 5 0 N。塞拉門塞拉過程中門扇及門系統的受力狀態參見圖4所示。圖中P為擁擠的乘客在門扇沿塞拉導角向車廂內移動時施加在門扇上的人體阻力；R為門扇受到人體阻力后門系統的導向導軌作用在門扇上的支撐力。通過受力分析可得到如下關系：Rt＝Rsinα，Rn＝Rcosα＝P。

圖4 塞拉門關門過程門扇及門系統的受力狀態

圖5 塞拉門關門過程示意圖

要保證車門正常關閉，需保證Rt≤Fmax＝150 N，此時：Pmax＝Rn＝Rcosα＝Rt／tgα＝150／tg35°＝214 N。即塞拉門關門過程中能夠承受的來自擁擠乘客的最大人體阻力為214 N。

（2）外掛密閉門門扇及門系統的受力情況（見圖6）

圖6 外掛密閉門塞拉過程中門扇及門系統的受力狀態

外掛密閉門關門過程示意圖如圖7所示，要保證車門正常關閉，需保證Rt≤Fmax＝150 N，此時：Pmax＝Rn＝Rcosα＝Rt／tgα＝150／tg10°＝851 N。即外掛密閉門關門過程中能夠承受的來自擁擠乘客的最大人體阻力為851 N，是塞拉門的4倍。

圖7 外掛密閉門關門過程示意圖

2.2.2 從塞拉距離入手分析受力情況，并進行比較

以標準B型地鐵為例，車廂空間基本相同，A W3超員情況下載客量幾乎完全相同，由于塞拉門與外掛密閉門結構不同（在門扇占用車廂空間方面，塞拉門關閉時塞入車廂內部56 mm，而外掛密閉門關閉時仍位于車廂外側，微塞拉距離僅12 mm），塞拉距離不同，因此關門過程中所受的人體阻力存在很大差異。

下面通過建立人體模型和模擬乘客非常擁擠的環境，使用仿真設計軟件ADA MS進行仿真計算，確定乘客作用在門扇上的最大阻力。

（1）確定城軌車輛車門處的人數

假設車門處乘客規則排列，每列中的人前胸與后背直接接觸。根據GB 10000－88標準中國成年人人體尺寸標準，選取年齡18～60歲第50百分位男子的胸厚和最大肩寬分別為212，431 mm，即每人占用面積為0.091 m2，乘客密度為11人／m2（目前地鐵車輛A W3超員情況下乘客密度為9人／m2），已經是乘客非常擁擠的環境。以標準B型地鐵1 300 mm開度車門為例，車門寬為1.6 m ，車輛寬為2.8 m，即車門處面積為4.48 m2，計算得出車門處約可站4列，每列13人。

（2）建立人體模型

假設所有人的人體參數完全相同，人體簡化為一集中質量，擁擠時胸部肌肉模型簡化為彈簧阻尼器模型。單個人的彈簧阻尼器模型參見圖8所示。其中M為人體質量；k為彈性系數；c為阻尼系數。人體的響應簡化為線性問題。假設在車門關閉的整個擠壓行程中，k和c為常數；車門關閉過程中每個人的變形量被視為被動的擠壓，忽略肌肉收縮力；車門關閉過程中人向內移動被視為無摩擦的相對滑動。

圖8 單個人體模型示意圖

根據以上假設和力學原理，將擁擠的乘客簡化為多個具有集中質量的彈性阻尼系統以串聯、并聯的方式組成的模型，參見圖9所示。

圖9 擁擠乘客的模型示意圖

（3）計算及仿真分析

確定模型的參數，取人體胸部的k＝80 k N／m，c＝1.2 k N／（m·s）；對上述分析建立的模型采用多體系統動力學進行研究，使用機械系統仿真設計軟件ADAMS進行仿真分析。

從圖10、圖11仿真分析結果可以看出

①現行塞拉門關門過程中擁擠乘客人體阻力的增加非常迅速，每一列的第一位乘客作用在門扇上的最大阻力約為450 N，因此4列乘客作用在門扇上的Pmax＝1 800 N，遠超過2.2.1（1）條中塞拉門系統自動正常關閉能承受的來自擁擠乘客的最大人體阻力214 N，故在非常擁擠情況下存在關門困難的問題。

圖10 塞拉門仿真分析結果

圖11 外掛密閉門仿真分析結果

②外掛密閉門關閉過程中每一列乘客的第一位乘客作用在門板上的最大阻力約為100 N，因此4列乘客作用在門板上的Pmax為400 N，約為現行塞拉門的1／5，低于2.2.1（2）條中外掛密閉門系統自動正常關閉能夠承受來自擁擠乘客的最大人體阻力851 N。

綜上受力比較分析可見：外掛密閉門較塞拉門，塞拉距離由56 mm減小到12 mm，大大降低了擁擠情況下乘客作用在門板上的人體阻力；塞拉導角由35°減小到10°，在防擠壓力不變、保證乘客受擠壓安全的情況下，大大提高了門系統承受擠壓的能力。

這兩項改進改善了車門在關閉過程中的受力狀況，在不降低塞拉門密封性能的前提下，外掛密閉門可以較好地保證在擁擠條件下自動門系統的正常關閉，保持了與外掛移門在關門力和防夾方面類似的性能。

3 LS型鎖閉機構結構介紹

LS型鎖閉機構利用千斤頂螺旋鎖閉的原理，用螺桿將螺母鎖住，實現“無鎖而閉”的目標。由變升角螺桿和自適應螺母兩部分組成。

（1）變升角螺桿結構介紹

變升角螺桿的螺旋槽分為3段：一段是螺旋升角大于摩擦角的工作段，一段是螺旋升角小于摩擦角的鎖閉段，以及介于這兩者之間的過渡段。在過渡段，螺桿的螺旋升角由非自鎖逐漸過渡到自鎖的螺旋升角。變升角螺桿的典型螺旋槽參見圖12所示。滾動銷在變升角螺桿的螺旋槽中滾動狀態如圖13所示。

圖12 變升角螺桿的典型螺旋槽

（2）自適應螺母結構介紹

自適應螺母由螺母外殼、滾動銷、軸承、滑套等零件組裝而成（參見圖14）。

因滾動銷可以在螺桿的螺旋槽中滾動，不受變升角螺桿升角變化的限制，其與變升角螺桿構成的螺旋副實現動力和運動的傳遞。

圖13 滾動銷在變升角螺桿的螺旋槽中滾動

圖14 自適應螺母

（3）動作原理

鎖閉原理：當螺紋的螺旋升角小于摩擦角時，螺紋具有自鎖功能。在變升角螺桿的鎖閉段，依靠自鎖的原理使變升角螺桿鎖住自適應螺母，即可靠地鎖住了車門；當電機使變升角螺桿正、反雙向轉動時，使自適應螺母和門產生與變升角螺桿軸線相平行方向同步移動，通過使自適應螺母進入與退出變升角螺桿的鎖閉段來實現門機構的鎖閉與無源自解鎖，裝配圖參見圖15。

圖15 LS型鎖閉機構裝配圖

LS型鎖閉機構的特點：

①無源：門機構的鎖閉及解鎖均無需額外的動力源，僅依靠螺桿自身的正、反向轉動實現自適應螺母（門）的被鎖閉與自解鎖；

②無鎖：依靠螺旋升角小于摩擦角的原理，由螺旋傳動本身完成門的鎖閉，無需再另外設計鎖來鎖門；

③可靠性高：依靠螺旋升角小于摩擦角的原理而使螺桿鎖住螺母（門），不會由于振動等原因而解鎖；

④噪聲低、運動特性好：由于只有鎖閉機構的螺母與螺桿的滾動摩擦，沒有任何沖擊運動，因此噪聲很低，運行平穩；

⑤結構簡單：由于鎖閉機構零件少、結構簡單、便于裝配、維修；

⑥效率高：可以實現開度為1 400 mm的客室側門，在2 s內開關門。

4 結束語

LS型鎖閉機構外掛密封門為目前國內城軌車輛最新型的客室側門，具有結構簡單、密封性好、質量輕、可靠性高、維護方便等優點，2008年首次在北京地鐵4號線進行了批量裝車，從兩年的運營可靠性指標看，故障率很低，目前已廣泛用于廣佛線、北京地鐵大興線、北京機場線改造等多條線路。

［1］金元貴，丁瑞權.軌道車輛微動塞拉門［J］.城市軌道交通研究，2005，（2）：23－27.

［2］EN14752：2005 Rail way Application－Door System for Rolling Stock［S］.