地鐵屏蔽門電機功率需求計算①

黃育良

摘 要：地鐵屏蔽門作為站臺側和軌道側的氣密性隔斷工具。因此其正常運行狀況下，必然會受到軌道側和站臺側風壓壓差的影響。目前，部分城市的屏蔽門系統出現因為風壓過大而出現遇障停止，然后二次關門的情況，導致運營延誤。屏蔽門電機功率選取是否恰當，這個問題受到越來越多業主的關注。該文將根據實際工程經驗數據，分析計算屏蔽門電機在風壓情況下的功率需求。

關鍵詞：屏蔽門 ?風壓 ?電機 ?荷載

中圖分類號：TP27 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0068-02

1 背景說明

1.1 現狀說明

我國城市軌道交通項目的建設正處于飛速發展時期，在新建線路及舊有線路的改造工程中，站臺屏蔽門的應用日趨廣泛。地鐵站臺屏蔽門安裝在站臺邊緣，將站臺軌道區與候車區隔離（同時區間隧道與車站也完全隔離）。由于屏蔽門將隧道和站臺區域隔離，因此，門體會承受隧道和站臺壓差帶來的壓力。在屏蔽門運動過程中，除了考慮自身正常的摩擦阻力，還需要考慮風壓帶來的額外阻力。其電機荷載會因為風壓而增大。一般各車站的風壓狀況是不一致的，即便同一車站，在不同季節因為風機開啟大小不同，風壓狀況也不一致。即便是同一車站的同一時間段內，風機開啟功率相同，因為列車運行狀況不同，風壓也會有很大的差異。將風壓影響準確納入屏蔽門電機功率考慮，是屏蔽門行業的難題。

1.2 屏蔽門風壓荷載數據分析

屏蔽門系統設置于地鐵站臺邊緣，在列車到達和出發時可自動開啟和關閉。其功能門部分一般由固定門、滑動門、應急門及端門組成。屏蔽門承受外荷載主要有：（1）風壓;（2）人群荷載;（3）沖擊荷載;（4）地震荷載。其中風壓主要由列車活塞效應和車站空調系統造成，一般根據工程經驗估計[1]，也有通過數值模擬分析確定。但不同工況下實際風壓究竟多大，目前未見有相關文獻介紹。[2]因此，該論文基于目前的實際工程風壓要求概況為基礎計算。

不同地鐵線路要求的屏蔽門風壓不同，下圖是各地不同地鐵線路對屏蔽門風壓荷載的統計數據：

通過上述統計可以看出，目前屏蔽門最大風壓荷載要求為2000 Pa。除了深圳三期工程外，其余大部分線路的風壓要求均在1500 Pa以下。本文后面的計算中，將采用2000 Pa作為屏蔽門風壓的假設值。

1.3 屏蔽門運動曲線分析

典型的屏蔽門運動曲線如圖2所示。

開門過程中，屏蔽門運行曲線大致分為加速段，勻速段和減速段。其最大速度不大于0.5 m/s。

關門過程中，屏蔽門運行曲線大致分為加速段，勻速段，減速段，低速段。在最大行程至最后100 mm這段行程中，最大速度不大于0.5 m/s，最后100 mm行程速度不大于0.15 m/s。

1.4 電機特性參數

目前行業內廣泛應用的屏蔽門系統通常采用的直流無刷主電機參數如圖4所示。

電機型號采用BG65×75（110 V）額定扭矩為0.4 Nm，額定轉速為3200 rpm。

減速箱參數如下：

電機的減速箱采用型號為SG80K （1∶15），減速比為1∶15，效率為0.55。

2 功率需求計算

2.1 風壓影響分析

風壓對門體的影響跟門體關閉的面積有關。假設單扇活動門門體面積為1 m×2.15 m。而由于打開部分的屏蔽門面積并不受風壓影響。因此，風壓的壓力與開度有關。

F為屏蔽門受到風壓荷載力（N）;

p為軌道側與站臺側間風壓（Pa）;

w為屏蔽門活動門寬度（m）;

s為屏蔽門活動門開度（m）;

h為屏蔽門活動門高度（m）。

其中w=2 m，h=2.15 m，s=0～2 m。p=2000 Pa。

公式可以轉化為：

則可以得知開度越大門體受風壓影響越小。把風壓荷載轉化為對門的阻力。

f為屏蔽門因為風壓荷載而增加的阻力（N）;

F為屏蔽門受到風壓荷載力（N）;

μ為摩擦系數;

2.2 速度曲線影響分析

由門體運動曲線可知，門體在開門過程中加速段，運動速度為0～Vmax;在勻速段，可以認為門機的速度為Vmax;減速段為Vmax～0。

門體在關門過程中加速段，運動速度為0～Vmax;在勻速段，可以認為門機的速度為Vmax;減速段為Vmax～Vmax100 mm。低速段速度為Vmax100 mm。

而根據1.3分析，Vmax可以假設等于0.5 m/s，Vmax100 mm可假設等于0.15 m/s。

此外，門機在加減速過程中，電機驅動力會受到加速度的影響。根據對速度曲線的分析計算，門機加速段的加速度不大于0.9 m/s2，門機減速段電機對門體施加反向作用力，電機輸出功率減小，該段對于計算電機最大功率參考意義不大。

根據經驗，單扇活動門重量一般為65～80 kg，我們將以80 kg為假設值。則兩扇門按160 kg計算。

2.3 電機功率計算

根據能量守恒定律，電機輸出功率應當等于維持門體運動瞬間所需功率。因此，電機輸出功率可以用如下公式計算：

P為電機輸出功率;

f為門機瞬間驅動力（包括風壓疊加阻力，正常阻力及加速力）;

v為門機瞬間速度。

其中：

;

f1為正常門機阻力;

f2為風壓疊加阻力;endprint

f3為加速力。

門機在開門階段，風壓得到排泄，因此，風壓力在整個過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風壓影響作用小于關門作用。而根據實際運營經驗，一般門機只會在關門情況下受到風壓影響產生二次關門的遇障情況，與理論假設吻合。因此，對于電機最大輸出功率的計算，我們只需考慮關門過程即可。

根據關門過程的運動特性：

根據門機重量及阻尼系數可推算出門機阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度不會小于800 mm，根據屏蔽門所用材料，查得摩擦系數為0.035。因此，加速段最大風壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計算，門機加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度不會小于200 mm。因此，加速段最大風壓阻力為：f2=240.8 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機作用力與門機運動方向相反，因此，此段電機的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風壓阻力為;f2=301 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結語

由于電機的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機整機（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據理論計算電機最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計算方式為極限最大值疊加方式，實際工程中功率會比理論計算小。可慮到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風壓情況下的可靠運行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機整機的輸出功率。

參考文獻

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設計及力學模型[J].華南理工大學學報：自然科學版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚，等.地鐵屏蔽門風壓實測研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統在地鐵中的應用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint

f3為加速力。

門機在開門階段，風壓得到排泄，因此，風壓力在整個過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風壓影響作用小于關門作用。而根據實際運營經驗，一般門機只會在關門情況下受到風壓影響產生二次關門的遇障情況，與理論假設吻合。因此，對于電機最大輸出功率的計算，我們只需考慮關門過程即可。

根據關門過程的運動特性：

根據門機重量及阻尼系數可推算出門機阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度不會小于800 mm，根據屏蔽門所用材料，查得摩擦系數為0.035。因此，加速段最大風壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計算，門機加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度不會小于200 mm。因此，加速段最大風壓阻力為：f2=240.8 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機作用力與門機運動方向相反，因此，此段電機的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風壓阻力為;f2=301 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結語

由于電機的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機整機（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據理論計算電機最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計算方式為極限最大值疊加方式，實際工程中功率會比理論計算小。可慮到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風壓情況下的可靠運行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機整機的輸出功率。

參考文獻

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設計及力學模型[J].華南理工大學學報：自然科學版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚，等.地鐵屏蔽門風壓實測研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統在地鐵中的應用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint

f3為加速力。

門機在開門階段，風壓得到排泄，因此，風壓力在整個過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風壓影響作用小于關門作用。而根據實際運營經驗，一般門機只會在關門情況下受到風壓影響產生二次關門的遇障情況，與理論假設吻合。因此，對于電機最大輸出功率的計算，我們只需考慮關門過程即可。

根據關門過程的運動特性：

根據門機重量及阻尼系數可推算出門機阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度不會小于800 mm，根據屏蔽門所用材料，查得摩擦系數為0.035。因此，加速段最大風壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計算，門機加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度不會小于200 mm。因此，加速段最大風壓阻力為：f2=240.8 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機作用力與門機運動方向相反，因此，此段電機的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據速度曲線數據分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風壓阻力為;f2=301 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結語

由于電機的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機整機（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據理論計算電機最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計算方式為極限最大值疊加方式，實際工程中功率會比理論計算小。可慮到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風壓情況下的可靠運行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機整機的輸出功率。

參考文獻

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設計及力學模型[J].華南理工大學學報：自然科學版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚，等.地鐵屏蔽門風壓實測研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統在地鐵中的應用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint