基于隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的站臺(tái)門(mén)優(yōu)化方案研究

梁海健　何東山

摘? 要：地鐵高峰期部分站臺(tái)門(mén)因?yàn)樗淼绖?dòng)態(tài)風(fēng)壓過(guò)大出現(xiàn)二次關(guān)門(mén)等故障，影響了地鐵正常運(yùn)營(yíng)。通過(guò)對(duì)隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，研究風(fēng)壓對(duì)站臺(tái)門(mén)運(yùn)行阻力的影響，對(duì)站臺(tái)門(mén)的電機(jī)選型、門(mén)控器（DCU）、摩擦副結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決了動(dòng)態(tài)風(fēng)壓過(guò)大導(dǎo)致的站臺(tái)門(mén)二次關(guān)門(mén)。

關(guān)鍵詞：站臺(tái)門(mén);動(dòng)態(tài)風(fēng)壓;二次關(guān)門(mén);雙閉環(huán)智能控制;滾動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U279? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）17-0146-02

Abstract： During the peak period of subway， secondaryclosing happen to some platform doorsbecause of the excessive dynamic wind pressure in the tunnels， which affected the normal operation of the metro. Through the measurement and analysis of the dynamic wind pressure data in the tunnels， this paper studies the influence of wind pressure on the running resistance of platform screendoor，optimizes the motor selection， door controlunit （DCU） and friction pair structure of platform screen door， and solves the secondary closing of platform screen door caused by excessive dynamic wind pressure.

Keywords： platform screen door; dynamic wind pressure; secondary door closed; doubleclosed-loopintelligent control; rolling friction structure

引言

地鐵運(yùn)營(yíng)高峰期行車密度和行車速度不斷增大，部分站臺(tái)門(mén)因?yàn)樗淼纼?nèi)的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓增大出現(xiàn)二次關(guān)門(mén)等故障，導(dǎo)致停站列車無(wú)法按計(jì)劃發(fā)車，給運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了很大的壓力。本文通過(guò)對(duì)隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析風(fēng)壓工況下站臺(tái)門(mén)的運(yùn)行阻力，通過(guò)站臺(tái)門(mén)電機(jī)合理選型、雙閉環(huán)DCU智能控制、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)化方案解決了站臺(tái)門(mén)二次關(guān)門(mén)的故障。

1 站臺(tái)門(mén)軌行區(qū)動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測(cè)試

本次測(cè)試選擇某地鐵標(biāo)準(zhǔn)車站進(jìn)行測(cè)試，各環(huán)控系統(tǒng)為常規(guī)配置，線路列車的最高運(yùn)行速度為80km/h。

在站臺(tái)門(mén)軌行區(qū)采用風(fēng)壓傳感器對(duì)風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量采集。模擬高峰期線路行車工況：列車停穩(wěn)站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中后方區(qū)間正有列車駛來(lái)進(jìn)行了測(cè)試，得到風(fēng)壓數(shù)據(jù)如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，考慮車站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)不同工況下的隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓，動(dòng)態(tài)風(fēng)壓測(cè)量的最大值為-175Pa。因本工況下測(cè)試隧道內(nèi)只有2輛列車，沒(méi)有多輛列車在地鐵隧道中連續(xù)運(yùn)行建立背壓，實(shí)際中該線路的隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓會(huì)更大。

2 站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)受力分析

站臺(tái)門(mén)一道滑動(dòng)門(mén)由兩扇門(mén)體組成，每扇門(mén)通過(guò)頂部懸掛裝置與同步帶剛性連接，懸掛裝置滾輪支撐門(mén)體在上部導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)門(mén)下部設(shè)置有導(dǎo)靴與門(mén)檻導(dǎo)槽，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦副主要是上步懸掛裝置滾輪與導(dǎo)軌摩擦副和底部的導(dǎo)靴與導(dǎo)槽摩擦副。

現(xiàn)有站臺(tái)門(mén)相關(guān)參數(shù)如下：滾輪與導(dǎo)軌之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ1=0.05cm，滾輪接觸面半徑為4cm;滾輪與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ2=0.15;導(dǎo)靴與導(dǎo)槽之間的摩擦系數(shù)μ3=0.2;單扇門(mén)重量m：82kg;單扇門(mén)面積s：2.2m2;同步帶傳動(dòng)效率：η1=0.98;減速器電機(jī)傳動(dòng)效率：η2=0.7;隧道風(fēng)壓：p。

站臺(tái)門(mén)兩扇滑動(dòng)門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力包括：懸掛裝置滾輪與導(dǎo)軌之間固有的滾動(dòng)摩擦力F1=2mgμ1/r。動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的作用使站臺(tái)門(mén)上部的滾輪對(duì)導(dǎo)軌，下部的導(dǎo)靴對(duì)導(dǎo)槽產(chǎn)生正向壓力。滾輪與導(dǎo)軌之間側(cè)向滑動(dòng)摩擦力F2=μ2ps;導(dǎo)槽與導(dǎo)靴的滑動(dòng)摩擦力F3=μ3ps;同時(shí)有滑動(dòng)門(mén)密封毛刷和安裝精度等引起的固有摩擦力F4（考慮為15N）。當(dāng)站臺(tái)門(mén)運(yùn)行阻力（F1+F2+F3+F4）大于電機(jī)的最大輸出力會(huì)導(dǎo)致二次關(guān)門(mén)故障發(fā)生。

3 站臺(tái)門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前述分析可知，站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程受阻主要受到動(dòng)態(tài)風(fēng)壓、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)、站臺(tái)門(mén)電機(jī)最大輸出力等的影響，因此可從以下方面進(jìn)行考慮優(yōu)化。

3.1 電機(jī)功率選型

站臺(tái)門(mén)相關(guān)規(guī)范要求阻止滑動(dòng)門(mén)關(guān)閉的力不應(yīng)大于150N（在勻速區(qū)間測(cè)量），滑動(dòng)門(mén)最大動(dòng)能為10J。以上要求是為了在發(fā)生夾人夾物時(shí)保護(hù)乘客安全。站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其勻速區(qū)段為最大速度，根據(jù)動(dòng)能公式可計(jì)算得站臺(tái)門(mén)的最大速度為v=0.494m/s。站臺(tái)門(mén)電機(jī)所需功率為：P1=Fmaxv/（η1*η2）。部分站臺(tái)門(mén)廠家未考慮風(fēng)壓的影響將Fmax直接取為150N的做法，得到功率為110W，并為更好的滿足要求，將功率取為100W，此時(shí)反推得站臺(tái)門(mén)僅可在135Pa以下風(fēng)壓正常工作。但根據(jù)第2節(jié)的分析，站臺(tái)門(mén)計(jì)算功率應(yīng)采用系統(tǒng)固有運(yùn)行阻力F1、F4和設(shè)計(jì)關(guān)門(mén)力150N和185N作為輸入條件，計(jì)算得電機(jī)功率為133W，此時(shí)理論上可在195Pa以下的風(fēng)壓正常工作可大幅增大站臺(tái)門(mén)適應(yīng)的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓范圍。但因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中地鐵高峰期的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓值會(huì)大于200Pa，并且站臺(tái)門(mén)導(dǎo)軌受風(fēng)壓的反復(fù)壓力會(huì)產(chǎn)生疲勞變形，也會(huì)逐漸增加運(yùn)動(dòng)中的阻力，因此從以上電機(jī)功率選型可增大站臺(tái)門(mén)適應(yīng)的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓范圍，但還無(wú)法根本解決二次關(guān)門(mén)問(wèn)題。

3.2 門(mén)單元控制器（DCU）智能控制

站臺(tái)門(mén)開(kāi)/關(guān)門(mén)需要按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)曲線運(yùn)行，通過(guò)DCU控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出力矩（電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用智能化DCU監(jiān)測(cè)電機(jī)的實(shí)時(shí)電流和轉(zhuǎn)速，精確判斷站臺(tái)門(mén)關(guān)門(mén)受阻時(shí)候的障礙物類型（夾人夾物或風(fēng)壓/風(fēng)速），在確保乘客安全的前提下，實(shí)時(shí)控制站臺(tái)門(mén)的輸出力矩，解決二次關(guān)門(mén)問(wèn)題。DCU與電機(jī)構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理如圖3所示。

關(guān)門(mén)過(guò)程中由于門(mén)體運(yùn)動(dòng)慣性的存在，受到風(fēng)壓阻力時(shí)站臺(tái)門(mén)速度是緩慢下降知道停止的，電流信號(hào)曲線是緩慢增大到一個(gè)定值，類似于斜坡信號(hào)。當(dāng)關(guān)門(mén)過(guò)程中夾人夾物遇阻時(shí)，因?yàn)槿嘶蛭锏拇嬖谟趦缮乳T(mén)之間導(dǎo)致門(mén)體突然停止不動(dòng)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速是迅速下降到接近0，對(duì)負(fù)載電流的影響是瞬間增大，電流、轉(zhuǎn)速信號(hào)類似于脈沖信號(hào)。因此可根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷障礙物類型。

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行的控制策略如下：（1）開(kāi)門(mén)過(guò)程中因?yàn)椴粫?huì)發(fā)生夾人夾物安全事件，發(fā)生隧道動(dòng)態(tài)活塞風(fēng)壓增大阻礙開(kāi)門(mén)時(shí)，DCU控制提高電機(jī)輸出功率，使得站臺(tái)門(mén)在滿足開(kāi)門(mén)運(yùn)動(dòng)曲線的情況下順利開(kāi)門(mén)。（2）關(guān)門(mén)過(guò)程中，增大開(kāi)門(mén)力首先保證站臺(tái)門(mén)正常運(yùn)行中電機(jī)輸出功率滿足關(guān)門(mén)力小于150N，當(dāng)關(guān)門(mén)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到異常阻力時(shí)，DCU精準(zhǔn)判斷障礙物的類型（夾人夾物或風(fēng)壓/風(fēng)速）。當(dāng)判斷為夾人夾物時(shí)，確保關(guān)門(mén)力小于150N，確保乘客安全。當(dāng)判斷為風(fēng)壓/風(fēng)速引起的阻力時(shí)，滑動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)會(huì)切換為力矩模式，此時(shí)只運(yùn)行電流環(huán)，適當(dāng)增大站臺(tái)門(mén)關(guān)門(mén)力的情況下，克服風(fēng)壓造成的阻力，以確保站臺(tái)門(mén)按時(shí)、準(zhǔn)確關(guān)閉。根據(jù)以上的控制原理與控制策略能有效解決站臺(tái)門(mén)二次關(guān)門(mén)的問(wèn)題。目前該技術(shù)不僅適用于新線路站臺(tái)門(mén)的建設(shè)，也可用在舊線路站臺(tái)門(mén)改造中。（3）優(yōu)化門(mén)體摩擦副結(jié)構(gòu)。站臺(tái)門(mén)底部導(dǎo)靴與門(mén)檻優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，將門(mén)體底部導(dǎo)靴與門(mén)檻的傳動(dòng)副從現(xiàn)有的面接觸式滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為內(nèi)置滾輪的滾動(dòng)摩擦，降低摩擦系數(shù)，進(jìn)而減少運(yùn)行阻力，該方案也能增大站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中適應(yīng)的隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高密度行車下站臺(tái)門(mén)二次關(guān)門(mén)故障的問(wèn)題進(jìn)行研究，認(rèn)為動(dòng)態(tài)風(fēng)壓增大導(dǎo)致站臺(tái)門(mén)運(yùn)行阻力增大是產(chǎn)生二次關(guān)門(mén)的原因。從站臺(tái)門(mén)專業(yè)的角度，可從電機(jī)功率合理化選型、DCU雙閉環(huán)智能控制、站臺(tái)門(mén)運(yùn)動(dòng)副采用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦等優(yōu)化方案解決該故障，達(dá)到提高地鐵線路運(yùn)營(yíng)效率的目的。

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