強(qiáng)載荷作用下地鐵屏蔽門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

韓曉蘭，王城飛

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

速度快、運(yùn)輸效率高的地鐵使我國的交通問題得到有效緩解，推動了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。目前，我國的16座城市大力發(fā)展城市軌道交通，這不僅解決了老百姓的出行難的問題，還降低了交通出行成本。地鐵屏蔽門的出現(xiàn)以及發(fā)展為地鐵站臺人們的出行帶來了安全保障，越來越得到人們的肯定。

地鐵屏蔽門系統(tǒng)已經(jīng)越來越成為地鐵建設(shè)中的不可或缺的重要部分，并且也越來越成為地鐵軌道運(yùn)輸中的列車全自動運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，地下鐵道乘客的安全性以及乘車舒適度也越來越被重視。與此同時(shí)地鐵軌道交通運(yùn)輸?shù)男室约斑\(yùn)行能力也需進(jìn)一步提高，地下鐵道軌行區(qū)的運(yùn)行速度也在逐漸被提升。地下鐵道軌行區(qū)運(yùn)行速度增加，迫使地鐵軌行區(qū)活塞風(fēng)壓對站臺屏蔽門荷載作用也越來越被提高，地鐵站臺屏蔽門自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到了越來越大的挑戰(zhàn)。

軌道交通運(yùn)營實(shí)踐表明地鐵站臺屏蔽門的開關(guān)門性能和自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到軌行區(qū)隧道活塞風(fēng)壓的顯著作用，地鐵車輛在軌行區(qū)隧道內(nèi)運(yùn)行狀況相比于活塞運(yùn)行又有所不同，地鐵車輛前方的氣流一部分沿地鐵車輛與軌行區(qū)隧道之間的環(huán)形空間產(chǎn)生回流，又有一部分被推動向前，這主要是因?yàn)榭臻g之內(nèi)的黏性作用和氣流會對軌行區(qū)隧道內(nèi)壁之間和地鐵車輛表面會有摩擦作用，從而會使地鐵車輛擠出的氣流不同于在開放大空間中的形式能夠及時(shí)散開。所以在地鐵車輛運(yùn)行時(shí)正前方氣流受到擠壓時(shí)會形成特定的壓力變化進(jìn)程，從而造成空氣動力學(xué)效應(yīng)，空氣動力學(xué)效應(yīng)會因?yàn)樾熊囁俣燃涌於觿　Ｔ诘罔F車輛的運(yùn)行過程中，通常車頭部位的壓力偏高，通常為正壓，一般車尾位置壓力偏低，為負(fù)壓，車身中間部位壓力介于二者之間，且會從車頭部位向車尾部位逐漸遞減，會隨著地鐵車輛的運(yùn)行方向從前到后出現(xiàn)壓力梯度。

屏蔽門系統(tǒng)的整體強(qiáng)度設(shè)計(jì)通常根據(jù)隧道內(nèi)的最大風(fēng)壓值設(shè)計(jì)，但是近年來地鐵客運(yùn)量極速增加，在考慮經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，提高發(fā)車頻率、發(fā)車密度無疑是增加線路運(yùn)力的不二選擇。但地鐵屏蔽門的受壓會隨著發(fā)車頻率、發(fā)車密度的提高而增加，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，隧道風(fēng)壓會急劇增加，給屏蔽門的安全性能帶來極大考驗(yàn)［1］。

目前，在國內(nèi)沒有屏蔽門的地鐵線上，時(shí)常會發(fā)生一些安全事故。近年來，地鐵客運(yùn)量以及客運(yùn)時(shí)間顯著提高，安全事故隱患也隨之提高。在地鐵站臺安裝屏蔽門可以同時(shí)滿足降低地鐵運(yùn)行能源損耗，減少維護(hù)保養(yǎng)成本支出，保證乘客安全乘坐地鐵等目標(biāo)需求。現(xiàn)在屏蔽門系統(tǒng)在軌道交通建設(shè)中體現(xiàn)越來越重要的作用，各個(gè)屏蔽門廠家、設(shè)計(jì)單位以及各高等院校都在研究，并發(fā)表了許多文章，鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院的向駿在對屏蔽門的防夾設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。中南大學(xué)、廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院的楊偉超等［2］在對地鐵活塞風(fēng)作用下屏蔽門的氣動特性進(jìn)行探討。華南理工大學(xué)的陳海輝［3］提出了一種地鐵屏蔽門的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，闡述主要部件的構(gòu)造和作用、研究屏蔽門承受的外荷載，提出工況組合及校核內(nèi)容，采用板單元、梁單元組合假設(shè)來簡化力學(xué)模型。南京理工大學(xué)的尹盼春［4］完成了屏蔽門的硬件電路設(shè)計(jì)，其中的控制系統(tǒng)包含電源、驅(qū)動、控制等模塊。華南理工大學(xué)岑永明［5］借鑒上海地鐵10號線地鐵工作經(jīng)驗(yàn)在他的機(jī)電拖動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中設(shè)計(jì)了屏蔽門的絕緣系統(tǒng)。南京理工大學(xué)雷菊珍［6］分析計(jì)算主要承載部件的強(qiáng)度和剛度，對屏蔽門系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析。

本文根據(jù)太原地鐵工程需求設(shè)計(jì)門體、門機(jī)等系統(tǒng)在內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。并基于ANSYS軟件模擬極限載荷下地鐵屏蔽門門體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。最后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)荷載（風(fēng)壓荷載）與線荷載（人群擠壓荷載）的模擬，驗(yàn)證門體結(jié)構(gòu)的可靠性以及穩(wěn)定性［7-8］。

1 地鐵屏蔽門系統(tǒng)的有限元分析

1.1 地鐵屏蔽門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有限元建模

對地鐵屏蔽門進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，包括滑動門、固定門、應(yīng)急門（各寬986.5 mm、2 607 mm、1 303.5 mm）。立柱選材：70 mm×70 mm×4.0 mm，采用Q235B制造；門機(jī)梁選材：7 200 mm，6063-T5制造；門體（滑動門、固定門、應(yīng)急門）鋼通型材選用304 L不銹鋼；固定門、應(yīng)急門玻璃為10 mm厚的鋼化玻璃，滑動門玻璃為8 mm厚的鋼化玻璃。

本文基于ANSYS軟件，首先建立地鐵門體的幾何模型；其次，分析4種情況下地鐵門屏蔽系統(tǒng)的位移量及強(qiáng)度。屏蔽門結(jié)構(gòu)采用底部固定約束，本文分析采用位移型約束，即約束結(jié)構(gòu)3個(gè)方向的平動自由度；結(jié)構(gòu)兩側(cè)約束X方向自由度結(jié)構(gòu)頂部約束Z方向自由度。主要目的在于分析整個(gè)結(jié)構(gòu)在4種情況下，門體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和位移云圖。4種情況包括：風(fēng)荷載為900 N∕㎡、風(fēng)荷載為-900 N∕㎡，線荷載為-1 000 N∕m、線荷載-1 000 N∕m與風(fēng)荷載-900 N∕㎡的聯(lián)合作用。

1.2 有限元結(jié)果分析

4種情況下所獲得的地鐵屏蔽門系統(tǒng)的位移云圖和強(qiáng)度如下。

（1）工況一

在風(fēng)荷載900 N∕m2的作用下，位移云圖如圖1～3所示。可以看出，該結(jié)構(gòu)的最大位移為13.434 mm，發(fā)生在地鐵屏蔽門結(jié)構(gòu)的固定門玻璃形心。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行，且門框與玻璃的最大位移分別為5.402 3 mm、13.434 mm。

圖1 屏蔽門整體位移云圖

圖2 屏蔽門框架位移云圖

圖3 屏蔽門玻璃位移云圖

圖4所示為地鐵屏蔽門系統(tǒng)的等效應(yīng)力分布（Equivalent Stress）云圖。通過查看結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可以看出，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在結(jié)構(gòu)貼合處為156.77 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應(yīng)力分布為藍(lán)色和綠色，說明應(yīng)力均比較小，可以在此載荷條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 屏蔽門整體應(yīng)力云圖

（2）工況二

在風(fēng)荷載-900 N∕m2的作用下，位移云圖如5～7所示。圖中表明：最大位移在地鐵屏蔽門的固定門玻璃形心為14.003。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行，且門框與玻璃的最大位移分別為5.627 6 mm、14.003 mm。

圖5 屏蔽門整體位移云圖

圖6 屏蔽門框架位移云圖

圖7 屏蔽門玻璃位移云圖

在風(fēng)荷載-900 N∕m2的作用下，地鐵屏蔽門系統(tǒng)的應(yīng)力云圖如圖8所示。可以看出，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在結(jié)構(gòu)貼合處為141.9 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應(yīng)力分布為藍(lán)色和綠色，說明應(yīng)力均比較小，可以在此載荷條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 屏蔽門整體應(yīng)力云圖

（3）工況三

在線荷載-1 000 kN∕m的作用下，位移云圖如圖9～11所示，圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)的最大位移為6.794 5 mm，發(fā)生在地鐵屏蔽門結(jié)構(gòu)的左應(yīng)急門玻璃形心。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行，且門框與玻璃的最大位移分別為4.145 6 mm、6.794 5 mm。

圖9 屏蔽門整體位移云圖

圖10 屏蔽門框架位移云圖

圖11 屏蔽門玻璃位移云圖

在線荷載-1 000 kN∕m的作用下，地鐵屏蔽門系統(tǒng)的應(yīng)力云圖如圖12所示。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在結(jié)構(gòu)貼合處為188.95 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應(yīng)力分布為藍(lán)色和綠色，說明應(yīng)力均比較小，可以在此載荷條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖12 屏蔽門整體應(yīng)力云圖

（4）工況四

在線荷載-1 000 N∕m與風(fēng)荷載-900 N∕m2的聯(lián)合作用下，位移云圖如圖13～15所示。圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)的最大位移為15.004 mm，發(fā)生在地鐵屏蔽門結(jié)構(gòu)的固定門玻璃形心。最大位移較小，因此，在此荷載條件下不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行，且門框與玻璃的最大位移分別為10.797 mm、15.004 mm。

圖13 屏蔽門整體位移云圖

圖14 屏蔽門框架位移云圖

圖15 屏蔽門玻璃位移云圖

在線荷載-1 000 kN∕m的作用下，地鐵屏蔽門系統(tǒng)的應(yīng)力云圖如圖16所示。在應(yīng)力云圖中表明，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在結(jié)構(gòu)貼合處為256.54 MPa，在其他位置，大部分區(qū)域應(yīng)力分布為藍(lán)色和綠色，說明應(yīng)力均比較小，可以在此載荷條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖16 屏蔽門整體應(yīng)力云圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對上面4種情況，對地鐵屏蔽系統(tǒng)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)測試。在該樣機(jī)上選取9個(gè)點(diǎn)，分別測量了9個(gè)點(diǎn)的位移量，分別是：（1）左滑動門左豎料框上端；（2）左滑動門左豎料框中點(diǎn)；（3）左滑動門左豎料框下端；（4）左滑動門右豎料框上端；（5）左滑動門右豎料框中點(diǎn)；（6）左滑動門右豎料框下端；（7）左應(yīng)急門玻璃形心；（8）右滑動門玻璃形心；（9）固定門玻璃形心。

如表1～2所示，通過對比4種工況下有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比位移偏差接近，整個(gè)檢測過程由第三方出具檢測報(bào)告，達(dá)到工程設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。如圖17所示。

表1 門框有限元與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最大位移量對比

表2 玻璃有限元與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最大位移量對比

3 結(jié)束語

本文依托某市地鐵二號線工程，針對屏蔽門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)某市地鐵二號線屏蔽門項(xiàng)目所要求的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，對4種極限工況下地鐵屏蔽門系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析與強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)風(fēng)荷載為900 N∕m2、風(fēng)荷載為-900 N∕m2。線荷載-1 000 N∕m與風(fēng)荷載-900 N∕m2的聯(lián)合作用3種工況下，屏蔽門結(jié)構(gòu)的最大位移主要發(fā)生在地鐵屏蔽門結(jié)構(gòu)的固定門玻璃形心。當(dāng)線荷載為-1 000 kN∕m時(shí)屏蔽門結(jié)構(gòu)的最大位移主要發(fā)生在左應(yīng)急門玻璃形心。4種工況載荷下，門框的最大位移均發(fā)生在左滑動門右塑料框中點(diǎn)。通過對比有限元分析以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求。

圖17 測點(diǎn)結(jié)構(gòu)性能