高速鐵路智能站臺門系統(tǒng)低溫適應(yīng)性研究

左艷芳，魏耀南，馬騰飛，韓鵬飛，孫安生

（北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司 北京 100081）

站臺門的應(yīng)用技術(shù)已非常成熟，并廣泛應(yīng)用于地鐵、城際項(xiàng)目中，由于地鐵、城際線路往往“依城而建”，地域跨度不大，很少出現(xiàn)過大溫度差，所以，目前線路運(yùn)行的站臺門系統(tǒng)均為統(tǒng)一的配置，未進(jìn)行特殊處理。《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（高速鐵路部分）第143 條中對旅客站臺規(guī)定：有200 km/h及以上列車通過的須設(shè)置屏蔽門、安全門等防護(hù)設(shè)施，列車通過最高速度不得超過250 km/h[1]。因此，鐵路引進(jìn)站臺門系統(tǒng)是一個必然趨勢。

鐵路與地鐵、城際線路地域范圍不同，它跨度更廣，運(yùn)行范圍更遠(yuǎn)，例如，齊海滿快速鐵路突破了動車組列車的最低耐寒溫度?40 ℃，這條鐵路的延線最低溫度為?45 ℃，由此可見，鐵路運(yùn)營地區(qū)的環(huán)境溫度不再是常規(guī)的?25 ℃～45 ℃。常規(guī)站臺門的基本性能已無法滿足在低溫壞境下運(yùn)行的需求，由于氣溫的急劇變化，運(yùn)行中可能會出現(xiàn)電機(jī)啟動困難、門體運(yùn)行阻力增大出現(xiàn)遇阻、門體運(yùn)行“凍卡”、控制系統(tǒng)失靈等現(xiàn)象，從而可能導(dǎo)致整個站臺門系統(tǒng)癱瘓。所以，低溫環(huán)境下站臺門的設(shè)計參數(shù)需要調(diào)整，設(shè)計原則也需重新制定，以適應(yīng)鐵路的運(yùn)行環(huán)境。為實(shí)現(xiàn)站臺門系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的正常運(yùn)行，本文提出站臺門系統(tǒng)溫度適用性概念和能夠自適應(yīng)溫度急劇變化的智能站臺門系統(tǒng)設(shè)計方案，從結(jié)構(gòu)和控制兩方面解決低溫情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低和控制系統(tǒng)故障的問題。

1 低溫環(huán)境下站臺門的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性

1.1 站臺門框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度適應(yīng)性

站臺門框架主要是由材質(zhì)為碳素鋼、不銹鋼或鋁合金（表面氟碳噴涂處理）、鋼化安全玻璃組成的組合體，其中，承重主結(jié)構(gòu)廣泛采用Q235B 碳素鋼，此承重結(jié)構(gòu)的環(huán)境適用溫度為?29 ℃～343 ℃；不銹鋼和鋁合金材質(zhì)一般應(yīng)用于外修飾面，不銹鋼的環(huán)境適用溫度為?196 ℃～800 ℃[2]；鋁合金一般的環(huán)境適用溫度為?47 ℃～121 ℃，但是鋁合金經(jīng)過調(diào)節(jié)其中某些微量金屬元素含量后，適用低溫可達(dá)到?183 ℃；鋼化安全玻璃的環(huán)境適用溫度為?74 ℃～280 ℃，從以上框架材質(zhì)特性可知：除常用的承重結(jié)構(gòu)碳素鋼Q235B 不能滿足低溫環(huán)境，其他材質(zhì)均能滿足低溫環(huán)境的要求。

對于碳素鋼Q235，由于沖擊溫度不同，以及材料中微量元素含量的不同，又細(xì)分為Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q235E，其材料的冷脆性能也有所不同，Q235A→Q235E，冷脆性能逐漸增強(qiáng)，因此，采用Q235E 材質(zhì)更能適應(yīng)低溫的環(huán)境。

1.2 站臺門傳動系統(tǒng)環(huán)境溫度適應(yīng)性

站臺門核心傳動系統(tǒng)由動力傳動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。

1.2.1 動力傳動機(jī)構(gòu)

動力傳動機(jī)構(gòu)形式又分為同步帶輪和齒輪齒條兩種，這兩種傳動機(jī)構(gòu)均不需要潤滑脂進(jìn)行潤滑，但是材質(zhì)溫度的敏感度卻有很大不同。

（1）同步帶輪結(jié)構(gòu)

同步帶輪主要材質(zhì)為橡膠和碳鋼，橡膠對于溫度的敏感度較高，一般橡膠材質(zhì)當(dāng)溫度低至?25 ℃時，會出現(xiàn)硬度、脆性增加的特點(diǎn)，從而出現(xiàn)皮帶打滑、脫皮、斷裂等現(xiàn)象。汽車行業(yè)針對橡膠同步帶進(jìn)行了深入研究[3]，采用一些處理方式后，橡膠的適用溫度能達(dá)到?40 ℃，但是，若要能適應(yīng)更低的溫度則比較困難，低溫橡膠同步帶與普通同步帶的性能參數(shù)要求如表1 所示。

由表1 數(shù)據(jù)可知，低溫環(huán)境下站臺門若采用同步齒輪帶傳動，需要付出較多成本，效果也會受工藝的限制。

表1 低溫、普通同步帶性能參數(shù)

（2）齒輪齒條結(jié)構(gòu)

齒輪齒條材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼，鋼材可選擇的種類較多，選擇對于環(huán)境溫度的敏感度不高、可以耐受低溫環(huán)境的低溫鋼材[4]，通過特定工藝后，可容易地達(dá)到低溫應(yīng)用環(huán)境要求。目前，較常用于齒輪齒條的42CrMo 鋼[5]的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為?50 ℃，能較好地滿足鐵路站臺門的低溫環(huán)境應(yīng)用要求。

綜上所述，站臺門動力傳動機(jī)構(gòu)在低溫環(huán)境下應(yīng)選擇齒輪齒條結(jié)構(gòu)的傳動方式，且此傳動方式具有終身免維護(hù)性，減少了設(shè)備后期維護(hù)工作。

1.2.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)形式又分為滑塊直線導(dǎo)軌和滾輪直線導(dǎo)軌兩種，其中，滑塊直線導(dǎo)軌需要潤滑脂進(jìn)行潤滑，滾輪直線導(dǎo)軌無需潤滑脂。

（1）滑塊直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

滑塊直線導(dǎo)軌由于需要使用潤滑脂而限制了使用的環(huán)境溫度，目前，市面上有兩種潤滑脂：a. 應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的潤滑脂，使用溫度一般為?25 ℃～160 ℃；b. 應(yīng)用于低溫環(huán)境的潤滑脂，使用溫度一般為?45 ℃～160 ℃。隨著溫度降低，潤滑脂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，流變特性復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致潤滑脂輸送困難[6]。此外環(huán)境灰塵對于潤滑脂也有很大的影響，很多潤滑脂的應(yīng)用場合會因?yàn)榄h(huán)境灰塵太大，導(dǎo)致滑塊直線導(dǎo)軌運(yùn)行出現(xiàn)滑塊注油障礙，甚至出現(xiàn)滑塊損壞的情況，由此可知，滑塊直線導(dǎo)軌對于環(huán)境要求較高。

（2）滾輪直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

滾輪直線導(dǎo)軌不使用潤滑脂，是否適應(yīng)低溫環(huán)境完全取決于滾輪的材質(zhì)，故滾輪材質(zhì)是適用低溫環(huán)境的關(guān)鍵因素。滾輪材質(zhì)一般采用單體澆鑄（MC，Monomer Casting）尼龍[7]，屬于尼龍6，未改性的尼龍6 擁有強(qiáng)度高、剛度高、硬度高，抗蠕變，耐磨，耐熱老化等特性，但是韌性和疲勞性不夠理想，改性的尼龍6 則克服了其缺點(diǎn)，在原來特性的基礎(chǔ)上擁有高韌性和耐疲勞性，且成本較低，工業(yè)上常將其用作齒輪齒條的材料。因此，將改性的尼龍6 選作導(dǎo)向材質(zhì)非常適合[8-9]。

MC 尼龍具有自潤滑、可塑性強(qiáng)等特性，通過改變其成分含量可得到不同性質(zhì)的工程塑料，其低溫適應(yīng)性問題已經(jīng)解決，目前，廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目的材質(zhì)環(huán)境適用溫度為?45 ℃～120 ℃，通過調(diào)整內(nèi)部物質(zhì)含量，低溫適應(yīng)性會更好，甚至能達(dá)到超低溫的狀態(tài)，所以采用MC 尼龍材質(zhì)的滾輪式結(jié)構(gòu)是低溫環(huán)境下的更佳選擇。

滾輪傳動結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 不同形式的滾輪結(jié)構(gòu)

滾輪結(jié)構(gòu)一般采用注塑成型，很多復(fù)合材料的綜合性能也非常好，且冷脆性不明顯，能較好地適應(yīng)低溫的應(yīng)用環(huán)境[10-12]，這也為后期站臺門的應(yīng)用材料和設(shè)置結(jié)構(gòu)提供了很大的開發(fā)空間，更有利于站臺門的發(fā)展。

綜上所述，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾輪直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)更適用于低溫環(huán)境下門體系統(tǒng)。

2 低溫環(huán)境下站臺門的控制系統(tǒng)智能適應(yīng)性

為保證站臺門在低溫環(huán)境下的正常運(yùn)行，低溫環(huán)境下的站臺門控制系統(tǒng)由常規(guī)站臺門控制系統(tǒng)和站臺門預(yù)熱系統(tǒng)組成，可采用手動和自動兩種控制模式。常規(guī)站臺門控制系統(tǒng)主要包括電機(jī)、門鎖、門控單元及監(jiān)控中心。

門控單元低溫控制邏輯關(guān)系是反映門體智能性的一個重要的指標(biāo)，采用閉環(huán)式低溫控制邏輯，如圖2 所示。

圖2 門控單元低溫環(huán)境控制邏輯

預(yù)熱控制系統(tǒng)使常規(guī)站臺門控制系統(tǒng)運(yùn)行在合適的環(huán)境溫度，具有集中控制、無級調(diào)溫及回差控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集冗余控制等功能。

2.1 集中控制

站臺控制器通過通過現(xiàn)場總線集中控制技術(shù)，對站臺門系統(tǒng)各門機(jī)系統(tǒng)（包括預(yù)熱控制系統(tǒng)）實(shí)施集中控制，可采用雙向數(shù)字通信，將傳感測量、補(bǔ)償計算、工程量處理與控制等功能，集中到站臺控制器統(tǒng)一管理。

2.2 無級調(diào)溫及回差控制

采用經(jīng)典比例積分微分（PID，Proportion Integration Differentiation）智能控制算法。通過PID 控制參數(shù)設(shè)置，有效減少起始時的超調(diào)量；通過程序算法編寫，實(shí)現(xiàn)溫度回差控制；當(dāng)溫度在報警值周圍回差內(nèi)波動變化時，控制器輸出不會反復(fù)跳變，減少對控制設(shè)備及加熱裝置的損害。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過現(xiàn)場總線RS485 接口，采用Modbus 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對預(yù)熱系統(tǒng)工作參數(shù)遠(yuǎn)程錄入，對加熱回路實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)事故報警、運(yùn)行數(shù)據(jù)自動存儲和調(diào)用，并可將預(yù)熱系統(tǒng)狀態(tài)上傳到監(jiān)控中心[13]，保證加熱裝置可靠運(yùn)行。

2.4 數(shù)據(jù)采集冗余控制

門控單元采集站臺門關(guān)鍵部件的溫度信息，并制定出最佳控制策略、預(yù)熱系統(tǒng)啟停邏輯，實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的冗余容錯控制。

3 結(jié)束語

常規(guī)站臺門系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域難以適應(yīng)低溫環(huán)境，制約了站臺門在鐵路行業(yè)的推廣和應(yīng)用，針對低溫環(huán)境問題，本文提出站臺門系統(tǒng)溫度適用性概念和能夠自適應(yīng)溫度急劇變化的智能站臺門系統(tǒng)設(shè)計方案。

（1）智能站臺門要適應(yīng)低溫的應(yīng)用環(huán)境，必須根據(jù)地域分別設(shè)計。常規(guī)地帶，承重結(jié)構(gòu)可選擇經(jīng)濟(jì)型較好的Q235B 碳素鋼；低溫地帶，承重結(jié)構(gòu)采用冷脆性較低的Q235E 碳素鋼；

（2）傳動結(jié)構(gòu)采用齒輪齒條傳動與滾輪式導(dǎo)向組合體，在適應(yīng)低溫環(huán)境的同時，又能兼顧經(jīng)濟(jì)成本；

（3）控制系統(tǒng)采用常規(guī)、低溫兩種控制模式，環(huán)境溫度的分界點(diǎn)建議為?25 ℃，常規(guī)模式時，執(zhí)行常規(guī)控制方式；低溫模式時，控制系統(tǒng)配有低溫預(yù)熱系統(tǒng)，其低溫轉(zhuǎn)化控制功能能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動切換到低溫模式；

（4）智能站臺門系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性問題，需要結(jié)構(gòu)和控制的相互配合才能完美解決。

目前， 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下塔建了智能站臺門系統(tǒng)并完成對該系統(tǒng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能克服極寒環(huán)境給站臺門運(yùn)行帶來的不利影響，滿足站臺門系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行需求。