有源車門鎖閉裝置故障分析及對策

王贊農

（南京地鐵運營有限責任公司，210012，南京∥高級工程師）

目前，南京地鐵1號線、1號線南延線及2號線的列車客室車門均采用外掛式電動塞拉門。車門控制單元控制1臺永磁直流電機來驅動與制動器另一端相連的絲桿傳動，實現車門的打開和關閉。車門鎖閉裝置（也稱為制動器）是車門系統的安全核心部件之一，其可靠性對地鐵列車運營安全具有非常重要的影響。地鐵列車運營過程中，車門系統的故障率較其他系統高，其中車門制動器的故障最多［1－2］。因此，分析車門鎖閉裝置的故障并研究對應的改進措施，對于降低車門的故障率具有重要意義。

1 車門鎖閉裝置介紹

車門鎖閉裝置位于客室車門機構驅動系統中，其主動軸端連接驅動電機，從動軸端安裝絲桿。客室車門結構如圖1所示。門系統正常工作時，電機帶動絲桿雙向自由旋轉，實現門系統的自動開關。門關閉到位后，被機械鎖閉并保持鎖閉狀態，直到門啟動并收到一個開門命令或緊急裝置被操作［3］。這個能夠機械鎖閉車門并保持鎖閉狀態的裝置即為車門鎖閉裝置。車門鎖閉裝置按照鎖閉原理可分為有源和無源鎖閉裝置，按功能可分為全程和非全程（終端）鎖閉裝置。

2 有源車門鎖閉裝置故障分析

有源車門鎖閉裝置故障引起的車門故障主要表現為車門紅閃，車門無法打開，或車門連鎖回路中斷列車動車受限。對故障制動器的結構進行剖析及模擬驗證發現，造成制動器失效的主要原因為：

（1）車門控制單元故障：有源控制的制動器是通過電磁鐵進行得電解鎖和失電鎖閉的，而電磁鐵的信號來自于車門控制單元，若車門控制單元的輸出信號出現問題，將直接導致制動器失效。

（2）制動器彈性元件失效，關鍵部件老化和磨損：制動器有部分橡膠件，橡膠件的磨損和老化會影響制動器的功能；車門關閉時，后齒盤在彈簧力的作用下與前齒盤嚙合實現鎖閉，一旦彈簧失效或齒盤磨損嚴重，將導致制動器的鎖閉功能失效。

（3）制動器生產安裝過程中精準度把控不嚴，部件異常磨損：制動器零件及其相互配合精度要求很高，一個或幾個小誤差存在于零件上可能符合出廠檢測標準，但應用后都存在非常大的制動器失效風險。例如，在安裝調試時若端齒盤不到位，則會出現局部端齒嚙合，造成端齒磨損加劇，運用一段時間后造成端齒嚙合失效；因周向不是同步嚙合，并且嚙合后周向間隙不均勻，這將直接導致制動器失效。又如，不論是絲桿連接軸凸輪面在圓周方向上的等分精度，還是制動芯的套的圓度精度，必然有一定的公差，在產品質量檢驗未達到100%的情況下，會有個別零件不滿足精度要求，這樣的零件裝配組合后會導致制動器制動性能下降，在某個或某幾個位置出現瞬時制動失效現象。

圖1 客室車門結構圖

3 不同車門鎖閉裝置的特性

為了解決目前有源車門鎖閉裝置頻繁故障的問題，對不同類型車門鎖閉裝置的原理及其特性進行分析。

3.1 有源鎖閉裝置

南京地鐵1號線列車使用的有源鎖閉裝置為電磁式的，如圖2所示。車門關閉時，后齒盤在彈簧力的作用下與前齒盤嚙合，絲桿不能向開門方向轉動，保證車門不能打開；車門打開時，電磁鐵得電產生磁力，使后齒盤克服彈簧力靠向電磁鐵，并與前齒盤脫開，絲桿可自由轉動；手動解鎖時，通過鋼絲繩帶動解鎖支架壓到后齒盤，使之與前齒盤脫開，絲桿自由轉動，可以手動開關門。

圖2 有源的鎖閉裝置

該制動器是一種全程鎖閉裝置，其優點是：在車門任意位置只允許電動開關門和手動關門，禁止手動開門；只有當車門緊急解鎖被打開后，制動器才釋放，此時如果列車處于零速狀態，車門可以手動打開，用于緊急情況下乘客自行疏散；門系統處于失電情況時，車門在任意位置都不可以朝開門方向運動。

該制動器存在以下缺點：①由于制動器是有源的且彈性元件在制動和解鎖時起主要作用，彈性元件的狀態對制動器的性能影響較大；②全程鎖閉裝置噪聲較大，開門時會因為瞬時制動而產生較大的“打齒”聲音；③制動器的零件精度要求較高，加工一致性較差，產品質量控制要求較高。

3.2 無源鎖閉裝置

3.2.1 35C型全程鎖閉裝置

無源鎖閉裝置完全依靠機械結構件運動實現鎖閉。目前，南京地鐵部分列車所采用的35C型全程鎖閉裝置即是一種無源鎖閉裝置，其結構示意圖如圖3所示。

該制動器的電機連接軸通過聯軸器與電機相連，絲桿連接軸套與絲桿相連。電機連接軸可以正、反轉動，帶動絲桿連接軸套和絲桿正、反轉動，以實現開關門；而絲桿連接軸套僅可以沿關門方向帶動電機連接軸轉動，從而實現車門系統在關門的任意時刻、任意位置，門扇僅能朝關門方向運動的全程鎖閉功能。其缺點是：由于制動器通過4點楔緊來實現摩擦單向制動，在4點完全楔緊后，解鎖會出現困難。

圖33 5C型全程鎖閉裝置

3.2.2 LS型非全程鎖閉裝置

另外一種無源的鎖閉裝置LS型鎖，是非全程的鎖閉裝置，也稱終端鎖閉裝置，是指門在關閉位置被機械鎖閉的鎖閉裝置。LS鎖閉裝置是螺旋傳動、關閉到位自動鎖閉、開門自動解鎖的無源自適應螺母組件，主要是通過變導程（正常導程＋變導程過渡區＋自鎖導程）絲桿的轉動來實現轉動傳動并且自動鎖閉和自動解鎖。

由機械原理可知，當螺紋的螺旋升角小于等于磨擦角時，螺紋具有自鎖功能。非全程鎖閉裝置就是采用該原理，主要是通過與攜門架相連的自適應螺母的滾動銷進入、退出變導程絲桿（見圖4）的鎖閉段時，門被自動鎖閉和自動解鎖。鎖閉裝置結構如圖5所示。

圖4 變導程絲桿

圖5 LS型非全程鎖閉裝置

非全程鎖閉裝置的缺點是：在關門到位之外的所有位置，門是無法機械鎖閉的。其優點是：

（1）無源：門機的鎖閉及解鎖均無需額外的動力源，僅依靠絲桿自身的正、反向轉動實現自適應螺母的鎖閉與自解鎖；由于門與自適應螺母相連，從而實現門的鎖閉與無源自解鎖。無源可以避免由于電氣元件故障引起的車門鎖閉裝置失效。

（2）絲桿耐磨性高：即使絲桿表面有微觀不平度，但在銷的滾壓作用下，絲桿的硬度越來越高，且表面越光滑、越耐磨。即銷對絲桿進行了冷作硬化處理。

（3）鎖閉可靠：鎖閉裝置依靠螺旋升角小于摩擦角的原理使絲桿鎖住螺母，既可靠地鎖住了門，門也不會由于振動等原因而解鎖。

（4）噪聲低：鎖閉機構的噪聲只是螺母與絲桿的摩擦聲，沒有任何沖擊聲，因此噪聲很低。

（5）結構簡單：鎖閉機構零件少，加工精度低，便于裝配、安裝與維修。

4 改進措施

通過分析制動器失效的原因，結合各種車門鎖閉裝置的優缺點，認為可從選用結構可靠性高的制動器角度進行改進。

（1）采用扭簧結構的全程鎖閉裝置。該裝置的內部結構如圖6所示。鎖閉時扭簧包緊芯軸，通過圓周面的摩擦力實現單向制動；解鎖時改扭簧與芯軸的包緊狀態為松圈配合，芯軸自由轉動即可實現解鎖。該裝置所需解鎖力小，因此不會出現解鎖困難的現象。鎖閉裝置是通過扭簧包緊芯軸后芯軸無法轉動來實現單向制動的，扭簧包緊芯軸的全部長度方向和整個圓周面，因此只要扭簧能包緊芯軸，就可以實現單向制動，鎖閉的可靠性也高。另外，這種結構的鎖閉裝置的零件以回轉體為主，常規機械加工可達到要求，加工一致性好，產品性能較穩定。

圖6 扭簧結構的全程鎖閉裝置

（2）采用無源控制的鎖閉裝置。鎖閉裝置的鎖閉及解鎖均無需額外的動力源，可避免由車門控制單元導致的制動器失效問題，進一步提高裝置的整體可靠性。

（3）采用LS型非全程鎖閉裝置。該裝置僅依靠絲桿的正、反向轉動實現自適應螺母的鎖閉與自解鎖，不僅能實現門的鎖閉與無源自解鎖，而且可避免因橡膠件的磨損和老化以及齒盤磨損等導致的制動器失效。整個裝置結構簡單，便于安裝和維護。

5 應用

在通過了臺架壽命試驗、高低溫環境試驗、沖擊振動試驗、鎖閉強度試驗驗證的前提下，現場對采用LS型非全程鎖閉裝置的外掛式電動塞拉門進行功能、性能及可靠性驗證，并進行了近10000次電動和手動開關門操作，試驗結果如下：車門開關門正常；手動解鎖功能正常；車門關到位后，鎖閉裝置瞬間完成鎖閉且門頁間無縫隙；開門時鎖閉裝置即完成自解鎖，無任何卡滯情況發生；在整個開關門過程中，無任何反彈、卡滯、異響的情況。綜上所述，該鎖閉裝置運行比較平穩，可靠性較高。目前，LS型非全程鎖閉裝置已運用到南京地鐵1號線13列增購電客車的車門系統中。

6 結語

地鐵列車客室車門系統鎖閉裝置的可靠性在一定程度上影響著地鐵列車運營的安全性和可靠性。本文介紹了各種車門鎖閉裝置的原理，對有源車門鎖閉裝置故障的原因進行診斷與分析，提出在實際運用中應多方比較，選用結構簡單、可靠性高的車門鎖閉裝置的建議，為車輛車門鎖閉裝置的選用提供一定的參考。

［1］楊峰.南京地鐵客室車門系統介紹與故障淺析［J］.機車車輛工藝，2009（5）：36.

［2］陶云.南京地鐵2號線列車車門故障解析［J］.現代城市軌道交通，2013（5）：28.

［3］王局.車門35C制動器結構、原理及典型故障分析［J］.現代城市軌道交通，2012（3）：35.