跨座式單軌區間防護密閉隔斷門的研究與設計

王召林，王淑敬，盧屹東，徐 勝，殷 卓，彭 飛

(中國建筑標準設計研究院有限公司，北京 100048)

1 研制背景和意義

跨座式單軌交通如圖1所示，為眾多種類城市軌道交通之一，由于其具有爬坡能力強(最大坡度100‰)、彎曲半徑小(最小可達30 m)以及造價低廉等優點，越來越多地應用于我國城市軌道交通建設。其中，重慶市建成了世界上里程數最長的跨座市軌道交通線路[1-3]。

圖1 跨座式單軌

根據我國城市的地下交通干線以及其他地下工程的建設，應當兼顧人民防空需要的要求，建造于地下的跨座式單軌地下段也需要設置防護密閉門。為了滿足跨座式單軌隧道的設防要求，設計出一種適用于跨座式單軌系統的防護密閉隔斷門，既可以滿足防護密閉門雙向承受沖擊波荷載，又可以在戰時無需斷開單軌的情況下實現完全密封[4-5]。

跨座式單軌區間防護密閉隔斷門(以下簡稱單軌門)的設計過程中需要解決如下問題：①單軌門開閉的過程中無需斷開單軌；②戰時跨座式單軌區間防護密閉隔斷門關閉的時候能夠通過快速操作，實現區間防護密閉門與門框和單軌的完全密封；③跨座式單軌存在尺寸制造公差和位置公差，以及單軌存在沿單軌方向的坡度，設計單軌門時需在滿足這些公差的情況下實現單軌門的密閉。

2 結構設計

跨座式單軌交通系統的跨座式單軌區間防護密閉隔斷門如圖2所示，由門框1、大門扇2、大門扇鉸頁3、大門扇閉鎖4、軌道密封裝置5、密封裝置一6、小門扇7、小門扇鉸頁8、小門扇閉鎖9、密封裝置二10等組成。

1-門框；2-大門扇；3-大門扇鉸頁；4-大門扇閉鎖；5-軌道密封裝置；6-密封裝置一；7-小門扇；8-小門扇鉸頁；9-小門扇閉鎖；10-密封裝置二

工作原理：關門時，先將大門扇2繞大鉸頁3進行平移和轉動，實現大門扇2與軌道密封裝置5中左、右、上三側門框密封條的擠壓，再將小門扇7繞小鉸頁8進行平移和轉動，實現小門扇7的閉合；搖動大門扇2上閉鎖機構，使得大門扇閉鎖4的閉鎖頭緩慢進入門框1對應位置的閉鎖盒中完成大門扇2與門框1的密封，同時大門扇2一側的軌道密封裝置5與大門扇閉鎖4實現聯動；當大門扇閉鎖4中閉鎖頭到達最大行程時，大門扇側軌道密封裝置向軌道側運動完成軌道密封裝置與單軌的密封；搖動小門扇上閉鎖機構，使得小門扇閉鎖9下側的閉鎖頭緩慢進入下門框對應位置的閉鎖盒中，上側閉鎖頭進入大門扇上固定的閉鎖座中，完成小門扇7與大門扇2和門框的密封，同時小門扇一側的軌道密封裝置與小門扇側閉鎖實現聯動；當小門扇閉鎖頭到達最大行程時，小門扇側軌道密封裝置向軌道側運動完成軌道密封裝置與單軌的密封。

2.1 門框設計

門框采用型鋼分體加工，由上框、下框、左框、右框組成。左、右、下門框設有鎖孔，承受閉鎖裝置鎖頭作用力；上、下門框采用與左、右框同一型號的型鋼。由于傳統錨筋在實際工程中存在焊接錨固筋和門框墻體鋼筋出現干涉問題以及現場施工中容易虛焊的情況，為了簡化現場施工、降低鋼門框安裝難度以及提高鋼門框的安裝質量，單軌門門框設計時鋼門框固定構件采用承插式錨筋代替焊接式錨筋，如圖3所示。

圖3 門框錨筋示意圖

2.2 門扇設計

門扇是單軌門的主體，由大門扇、小門扇對開組合。大門扇形狀類似C型，門扇由骨架和面板焊接而成。

為了保證大、小門扇之間的密封性，在大門扇安裝有密封裝置，由密封架1和密封橡膠2組成，如圖4所示。其中密封架1與大門扇面板固定，當小門扇關閉后小門扇面板與密封裝置密封橡膠2擠壓從而實現密封。

1-密封架；2-密封橡膠

2.3 閉鎖和鉸頁

設計時為了操作方便，實現快速臨戰轉換，軌道密封裝置采用聯動的形式，通過操作閉鎖機構實現門扇的關閉與軌道密封裝置的密封。為了便于實現這個功能，閉鎖和軌道密封裝置采用外置的形式，位于門扇內面板上。大、小閉鎖均采用減速器與剪式伸縮頂的組合，通過剪式伸縮頂的伸縮實現閉鎖機構中閉鎖頭的伸縮。剪式伸縮頂如圖5所示。大門扇閉鎖為左右水平伸縮，小門扇閉鎖為垂直伸縮。

圖5 剪式伸縮頂

鉸頁是單軌門的重要受力部件，與門扇連接，能夠實現門扇的開關和保證門扇的支撐可靠。鉸頁由上鉸頁座、下鉸頁座、鉸頁軸、承重臂、千斤頂組成。其中上、下鉸頁座與門框對應的鉸頁底座固定。為了便于門扇關閉后有一個水平方向的微調，鉸頁座與門框鉸頁底座的連接孔設計為長孔，孔中心距的大小為鉸頁水平方向最大的調節量。同時通過千斤頂實現大、小門扇在垂直方向的調節，千斤頂能夠與鉸頁座共同支撐門扇的重量，提高了鉸頁的安全系數。

2.4 軌道梁密封裝置

軌道梁密封裝置如圖6所示，主要由連桿組件1、轉臂組件一2、轉臂支座3、轉臂組件二4、連桿二5、上側擠壓裝置6、左側密封角鋼7、右側擠壓裝置8、滑動軸承9、轉動絲桿10、垂直導向桿11、下側密封角鋼12、下側擠壓裝置13、左側密封角鋼14、左側擠壓裝置15等組成。

連桿組件位于大門扇側，如圖7所示，連桿組件的左端連接頭1與閉鎖機構中剪式伸縮頂的連接頭相連，右端連桿3與圖6中的左側擠壓裝置15中的推桿5連接。推桿5通過銷軸6與圖6中的密封角鋼7連接。導向擠壓座如圖8所示，設置有長孔，長孔末端設置有斜面，長孔和擠壓座2個肋板實現水平方向和垂直方向的導向作用。密封角鋼如圖9所示，其中的肋板2在導向擠壓座中進行滑動。

1-連接頭；2-輔助調節螺桿；3-連桿；4-擠壓裝置；5-推桿；6-銷軸

1-密封橡膠；2-肋板；3-角鋼

如圖6所示，當大門扇側閉鎖閉合時，剪式伸縮頂連接頭向兩側運動，與軌道密封裝置左側連桿組件1相連的剪式伸縮頂連接頭推動連桿組件1向單軌側移動，進而推動左側密封角鋼密封橡膠1(如圖9所示)與單軌和門扇的密封。

圖6中，連桿組件中的連桿與轉臂組件一連接，轉臂組件一與轉臂組件二相連；轉臂組件一和轉臂組件二均通過轉臂支座與門扇固定，二者均圍繞轉臂支座進行轉動；轉臂組件二與連桿二相連，連桿二與上、下導向擠壓裝置中推桿相連；軌道密封裝置上、下兩側完全對稱。工作時連桿組件帶動轉臂組件一轉動，轉臂組件一帶動轉臂組件二轉動，轉臂組件帶動連桿二在垂直方向運動，連桿二通過推桿推動上、下兩側的密封角鋼分別與單軌上、下兩側實現密封。

圖6中，軌道密封裝置右側擠壓裝置8、滑動軸承9、垂直導向桿11安裝在小門扇面板上；轉動絲桿10與小門扇閉鎖機構中剪式伸縮頂中絲桿相連；轉動絲桿10與垂直導向桿11焊接件上螺紋套筒連接，螺紋套筒與轉動絲桿采用梯形螺紋傳動；垂直導向桿上、下兩端與右側導向擠壓裝置中推桿螺紋連接；垂直導向桿中導向桿通過滑動軸承固定。當小門扇閉鎖裝置關門時，閉鎖機構中剪式伸縮頂中絲桿轉動，從而帶動右側軌道密封裝置中轉動絲桿轉動，進而帶動垂直導向桿向單軌側運動，使得右側軌道密封裝置完成與單軌的密封。同樣，通過操作大、小門扇中閉鎖機構可實現軌道密封裝置的開啟狀態。

3 有限元分析

鉸頁和門扇是單軌門重要的受力部件，為了保證跨座式防護密閉隔斷門門扇受沖擊波荷載以及鉸頁承受門扇重力的可靠性，對門扇和鉸頁進行了有限元分析。

3.1 門扇有限元分析

門扇由上扇和下扇組成，因此分別對上扇和下扇進行有限元分析，抗力級別選取六級。根據RFJ02—2009《軌道交通工程人民防空設計規范》，對于區間防護密閉隔斷門，當抗力級別為六級時，等效荷載為0.05 MPa。

對上扇左、上、右三邊施加約束，下端為自由端。圖10、圖11分別為上扇和上扇龍骨有限元模型應力云圖。由圖10和圖11可知，上扇的最大應力為218.68 MPa，發生的門扇龍骨自由端槽鋼與兩邊槽鋼焊接的地方。由于門扇龍骨和面板材料采用Q345，屈服強度是345 MPa,因此強度滿足要求[6-7]。

圖10 上扇有限元模型應力云圖

圖11 上扇龍骨有限元模型應力云圖

圖12、圖13分別為下扇和下扇龍骨有限元模型應力云圖。由圖12和圖13可知，下扇的最大應力為249.13 MPa。由于下扇龍骨和面板材料采用Q345，屈服強度是345 MPa，因此強度滿足要求。

圖12 下扇有限元模型應力云圖

圖13 下扇龍骨有限元模型應力云圖

3.2 鉸頁有限元分析

對鉸頁的重要受力部件承重臂和鉸頁底座進行有限元分析。圖14為承重臂整體應力云圖，承重臂的最大等效應力為40.1 MPa，位于兩板連接處。圖15為下鉸頁座應力云圖，最大等效應力為66.6 MPa，位于螺栓連接處。由于承重臂和下鉸頁底座選用材料均為Q345，屈服強度為345 MPa，因此滿足要求。

圖14 承重臂整體應力云圖

圖15 下鉸頁座整體應力云圖

4 創新點

(1)實現了在不斷開跨座式單軌的情況下跨座式單軌區間防護密閉門的正常開閉。

(2)所設計的跨座式單軌區間防護密閉隔斷門軌道密封裝置具有輔助調節功能，因此能夠很好地實現軌道密封裝置與單軌的密封。

(3)通過創新設計軌道密封裝置，將軌道密封裝置的動作與閉鎖機構實現聯動，操作簡便，因此能夠更快速實現平戰轉換。

5 結語

新設計的跨座式單軌區間防護密閉隔斷門成功解決了跨座式單軌地下段關門時不斷開軌道梁并能保證密封的難題，具有操作簡單、適應性強、密封效果好的優點，設計成果對于地鐵人防工程的建設具有重要的技術支撐作用。