王 亮，杜兆波

（中國(guó)南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

近幾年隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市軌道交通以其大載客量、快捷、準(zhǔn)時(shí)、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，成為解決交通擁擠的最有效手段，客室側(cè)門作為城軌車輛主要系統(tǒng)之一，乘客上下車的出入口，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、鎖閉安全性等受到廣泛關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)城軌車輛客室側(cè)門主要采用的是微處理器控制的電動(dòng)雙扇對(duì)開門，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式大致可分為內(nèi)藏移門、塞拉門和外掛移門3種，外掛密封門是外掛移門的一種，是在外掛移門的基礎(chǔ)上，增加了微小的塞拉行程，使其既具有塞拉門良好的密封性能，同時(shí)保持了外掛移門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，維護(hù)方便的特點(diǎn)?？褪覀?cè)門鎖閉結(jié)構(gòu)是車門最主要組成部分，LS型鎖閉機(jī)構(gòu)是近幾年研發(fā)的新型無(wú)源鎖閉機(jī)構(gòu)，其全名為螺桿鎖螺母式制動(dòng)器，由于其具有鎖閉可靠、機(jī)構(gòu)零件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于裝配、維修等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得以廣泛應(yīng)用，并受到最終用戶的廣泛贊譽(yù)。為此，對(duì)LS型鎖閉機(jī)構(gòu)外掛密封門進(jìn)行了研究與分析，以期對(duì)該門的選用提供參考。

1 外掛密閉門簡(jiǎn)介

外掛密閉門又稱微動(dòng)塞拉門，塞拉導(dǎo)角為10°，是在外掛移門的基礎(chǔ)上增加了12 mm的微小塞拉動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)門扇周邊密封膠條與車體門框平面的緊密貼合，確保門具有良好的密封性能。

外掛密閉門關(guān)閉時(shí)門扇位于車體外側(cè)，門扇內(nèi)表面距車體同一位置外表面2 mm；開啟時(shí)門扇往外塞拉12 mm。

外掛密閉門主要由門扇、外部承載導(dǎo)向裝置（見圖1）、內(nèi)部驅(qū)動(dòng)裝置、鎖閉裝置、周邊密封及接口部件、緊急解鎖裝置、隔離鎖裝置、門控單元（EDCU）等部件組成。電動(dòng)外掛密閉門采用門控單元控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)連軸器與絲桿相連并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)的方式帶動(dòng)門扇作對(duì)開運(yùn)動(dòng)。門扇上部設(shè)有由承載小車、擺臂和攜門架組成的平行四連桿機(jī)構(gòu)（參見圖2），門扇的總重通過(guò)平行四連桿機(jī)構(gòu)傳遞到承載導(dǎo)軌，攜門架上的導(dǎo)向輪在承載導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)門扇的橫向＋縱向的微塞拉運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了現(xiàn)行塞拉門的運(yùn)動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)原理圖參見圖3。

圖1 外部承載導(dǎo)向裝置

圖2 平行四連桿機(jī)構(gòu)

圖3 結(jié)構(gòu)原理圖

2 分析比較

外掛密閉門是在外掛移門的基礎(chǔ)上，將塞拉門密封性好的優(yōu)點(diǎn)運(yùn)用到外掛移門上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好、質(zhì)量輕、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于外掛移門，提高了密封性能，增強(qiáng)了車輛的隔聲和隔熱效果，提高了車廂內(nèi)乘客的舒適度。

2.1 占用空間比較

從表1可見：外掛密閉門占用空間較小，有利于節(jié)省車內(nèi)空間，便于車輛設(shè)計(jì)時(shí)車內(nèi)設(shè)備的布置。

表1 車門機(jī)構(gòu)型式及占用空間比較

2.2 關(guān)門過(guò)程中門板的受力比較

現(xiàn)行塞拉門的塞拉行程一般為D＝56 mm，塞拉行程段的塞拉導(dǎo)角一般為α＝35°；外掛密閉門的塞拉距離為12 mm，塞拉行程段的塞拉導(dǎo)角為10°。下面分別從塞拉導(dǎo)角、塞拉距離兩方面對(duì)外掛密閉門與塞拉門在關(guān)門過(guò)程中門扇及門系統(tǒng)的受力情況進(jìn)行分析比較。

2.2.1 從塞拉導(dǎo)角入手分析受力情況，并進(jìn)行比較

（1）塞拉門門扇及門系統(tǒng)的受力情況（見圖4）

塞拉門關(guān)門過(guò)程示意圖如圖5所示，塞拉門在關(guān)閉到接近最后一段距離時(shí)，門板同時(shí)要向車廂內(nèi)移動(dòng)，并對(duì)人體產(chǎn)生擠壓力（Rn），此時(shí)，當(dāng)門板受到乘客人體阻力（P）的反作用足夠大時(shí)，自動(dòng)門系統(tǒng)的防擠壓檢測(cè)起作用，使關(guān)門動(dòng)作不能及時(shí)實(shí)現(xiàn)。

按照EN 14752《鐵路應(yīng)用——車輛側(cè)門系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)，首次防擠壓力應(yīng)不大于150 N，即塞拉門關(guān)閉過(guò)程中設(shè)定的最大防擠壓力Fmax＝1 5 0 N。塞拉門塞拉過(guò)程中門扇及門系統(tǒng)的受力狀態(tài)參見圖4所示。圖中P為擁擠的乘客在門扇沿塞拉導(dǎo)角向車廂內(nèi)移動(dòng)時(shí)施加在門扇上的人體阻力；R為門扇受到人體阻力后門系統(tǒng)的導(dǎo)向?qū)к壸饔迷陂T扇上的支撐力。通過(guò)受力分析可得到如下關(guān)系：Rt＝Rsinα，Rn＝Rcosα＝P。

圖4 塞拉門關(guān)門過(guò)程門扇及門系統(tǒng)的受力狀態(tài)

圖5 塞拉門關(guān)門過(guò)程示意圖

要保證車門正常關(guān)閉，需保證Rt≤Fmax＝150 N，此時(shí)：Pmax＝Rn＝Rcosα＝Rt／tgα＝150／tg35°＝214 N。即塞拉門關(guān)門過(guò)程中能夠承受的來(lái)自擁擠乘客的最大人體阻力為214 N。

（2）外掛密閉門門扇及門系統(tǒng)的受力情況（見圖6）

圖6 外掛密閉門塞拉過(guò)程中門扇及門系統(tǒng)的受力狀態(tài)

外掛密閉門關(guān)門過(guò)程示意圖如圖7所示，要保證車門正常關(guān)閉，需保證Rt≤Fmax＝150 N，此時(shí)：Pmax＝Rn＝Rcosα＝Rt／tgα＝150／tg10°＝851 N。即外掛密閉門關(guān)門過(guò)程中能夠承受的來(lái)自擁擠乘客的最大人體阻力為851 N，是塞拉門的4倍。

圖7 外掛密閉門關(guān)門過(guò)程示意圖

2.2.2 從塞拉距離入手分析受力情況，并進(jìn)行比較

以標(biāo)準(zhǔn)B型地鐵為例，車廂空間基本相同，A W3超員情況下載客量幾乎完全相同，由于塞拉門與外掛密閉門結(jié)構(gòu)不同（在門扇占用車廂空間方面，塞拉門關(guān)閉時(shí)塞入車廂內(nèi)部56 mm，而外掛密閉門關(guān)閉時(shí)仍位于車廂外側(cè)，微塞拉距離僅12 mm），塞拉距離不同，因此關(guān)門過(guò)程中所受的人體阻力存在很大差異。

下面通過(guò)建立人體模型和模擬乘客非常擁擠的環(huán)境，使用仿真設(shè)計(jì)軟件ADA MS進(jìn)行仿真計(jì)算，確定乘客作用在門扇上的最大阻力。

（1）確定城軌車輛車門處的人數(shù)

假設(shè)車門處乘客規(guī)則排列，每列中的人前胸與后背直接接觸。根據(jù)GB 10000－88標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，選取年齡18～60歲第50百分位男子的胸厚和最大肩寬分別為212，431 mm，即每人占用面積為0.091 m2，乘客密度為11人／m2（目前地鐵車輛A W3超員情況下乘客密度為9人／m2），已經(jīng)是乘客非常擁擠的環(huán)境。以標(biāo)準(zhǔn)B型地鐵1 300 mm開度車門為例，車門寬為1.6 m ，車輛寬為2.8 m，即車門處面積為4.48 m2，計(jì)算得出車門處約可站4列，每列13人。

（2）建立人體模型

假設(shè)所有人的人體參數(shù)完全相同，人體簡(jiǎn)化為一集中質(zhì)量，擁擠時(shí)胸部肌肉模型簡(jiǎn)化為彈簧阻尼器模型。單個(gè)人的彈簧阻尼器模型參見圖8所示。其中M為人體質(zhì)量；k為彈性系數(shù)；c為阻尼系數(shù)。人體的響應(yīng)簡(jiǎn)化為線性問題。假設(shè)在車門關(guān)閉的整個(gè)擠壓行程中，k和c為常數(shù)；車門關(guān)閉過(guò)程中每個(gè)人的變形量被視為被動(dòng)的擠壓，忽略肌肉收縮力；車門關(guān)閉過(guò)程中人向內(nèi)移動(dòng)被視為無(wú)摩擦的相對(duì)滑動(dòng)。

圖8 單個(gè)人體模型示意圖

根據(jù)以上假設(shè)和力學(xué)原理，將擁擠的乘客簡(jiǎn)化為多個(gè)具有集中質(zhì)量的彈性阻尼系統(tǒng)以串聯(lián)、并聯(lián)的方式組成的模型，參見圖9所示。

圖9 擁擠乘客的模型示意圖

（3）計(jì)算及仿真分析

確定模型的參數(shù)，取人體胸部的k＝80 k N／m，c＝1.2 k N／（m·s）；對(duì)上述分析建立的模型采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，使用機(jī)械系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件ADAMS進(jìn)行仿真分析。

從圖10、圖11仿真分析結(jié)果可以看出

①現(xiàn)行塞拉門關(guān)門過(guò)程中擁擠乘客人體阻力的增加非常迅速，每一列的第一位乘客作用在門扇上的最大阻力約為450 N，因此4列乘客作用在門扇上的Pmax＝1 800 N，遠(yuǎn)超過(guò)2.2.1（1）條中塞拉門系統(tǒng)自動(dòng)正常關(guān)閉能承受的來(lái)自擁擠乘客的最大人體阻力214 N，故在非常擁擠情況下存在關(guān)門困難的問題。

圖10 塞拉門仿真分析結(jié)果

圖11 外掛密閉門仿真分析結(jié)果

②外掛密閉門關(guān)閉過(guò)程中每一列乘客的第一位乘客作用在門板上的最大阻力約為100 N，因此4列乘客作用在門板上的Pmax為400 N，約為現(xiàn)行塞拉門的1／5，低于2.2.1（2）條中外掛密閉門系統(tǒng)自動(dòng)正常關(guān)閉能夠承受來(lái)自擁擠乘客的最大人體阻力851 N。

綜上受力比較分析可見：外掛密閉門較塞拉門，塞拉距離由56 mm減小到12 mm，大大降低了擁擠情況下乘客作用在門板上的人體阻力；塞拉導(dǎo)角由35°減小到10°，在防擠壓力不變、保證乘客受擠壓安全的情況下，大大提高了門系統(tǒng)承受擠壓的能力。

這兩項(xiàng)改進(jìn)改善了車門在關(guān)閉過(guò)程中的受力狀況，在不降低塞拉門密封性能的前提下，外掛密閉門可以較好地保證在擁擠條件下自動(dòng)門系統(tǒng)的正常關(guān)閉，保持了與外掛移門在關(guān)門力和防夾方面類似的性能。

3 LS型鎖閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)介紹

LS型鎖閉機(jī)構(gòu)利用千斤頂螺旋鎖閉的原理，用螺桿將螺母鎖住，實(shí)現(xiàn)“無(wú)鎖而閉”的目標(biāo)。由變升角螺桿和自適應(yīng)螺母兩部分組成。

（1）變升角螺桿結(jié)構(gòu)介紹

變升角螺桿的螺旋槽分為3段：一段是螺旋升角大于摩擦角的工作段，一段是螺旋升角小于摩擦角的鎖閉段，以及介于這兩者之間的過(guò)渡段。在過(guò)渡段，螺桿的螺旋升角由非自鎖逐漸過(guò)渡到自鎖的螺旋升角。變升角螺桿的典型螺旋槽參見圖12所示。滾動(dòng)銷在變升角螺桿的螺旋槽中滾動(dòng)狀態(tài)如圖13所示。

圖12 變升角螺桿的典型螺旋槽

（2）自適應(yīng)螺母結(jié)構(gòu)介紹

自適應(yīng)螺母由螺母外殼、滾動(dòng)銷、軸承、滑套等零件組裝而成（參見圖14）。

因滾動(dòng)銷可以在螺桿的螺旋槽中滾動(dòng)，不受變升角螺桿升角變化的限制，其與變升角螺桿構(gòu)成的螺旋副實(shí)現(xiàn)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳遞。

圖13 滾動(dòng)銷在變升角螺桿的螺旋槽中滾動(dòng)

圖14 自適應(yīng)螺母

（3）動(dòng)作原理

鎖閉原理：當(dāng)螺紋的螺旋升角小于摩擦角時(shí)，螺紋具有自鎖功能。在變升角螺桿的鎖閉段，依靠自鎖的原理使變升角螺桿鎖住自適應(yīng)螺母，即可靠地鎖住了車門；當(dāng)電機(jī)使變升角螺桿正、反雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使自適應(yīng)螺母和門產(chǎn)生與變升角螺桿軸線相平行方向同步移動(dòng)，通過(guò)使自適應(yīng)螺母進(jìn)入與退出變升角螺桿的鎖閉段來(lái)實(shí)現(xiàn)門機(jī)構(gòu)的鎖閉與無(wú)源自解鎖，裝配圖參見圖15。

圖15 LS型鎖閉機(jī)構(gòu)裝配圖

LS型鎖閉機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：

①無(wú)源：門機(jī)構(gòu)的鎖閉及解鎖均無(wú)需額外的動(dòng)力源，僅依靠螺桿自身的正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)螺母（門）的被鎖閉與自解鎖；

②無(wú)鎖：依靠螺旋升角小于摩擦角的原理，由螺旋傳動(dòng)本身完成門的鎖閉，無(wú)需再另外設(shè)計(jì)鎖來(lái)鎖門；

③可靠性高：依靠螺旋升角小于摩擦角的原理而使螺桿鎖住螺母（門），不會(huì)由于振動(dòng)等原因而解鎖；

④噪聲低、運(yùn)動(dòng)特性好：由于只有鎖閉機(jī)構(gòu)的螺母與螺桿的滾動(dòng)摩擦，沒有任何沖擊運(yùn)動(dòng)，因此噪聲很低，運(yùn)行平穩(wěn)；

⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：由于鎖閉機(jī)構(gòu)零件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于裝配、維修；

⑥效率高：可以實(shí)現(xiàn)開度為1 400 mm的客室側(cè)門，在2 s內(nèi)開關(guān)門。

4 結(jié)束語(yǔ)

LS型鎖閉機(jī)構(gòu)外掛密封門為目前國(guó)內(nèi)城軌車輛最新型的客室側(cè)門，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好、質(zhì)量輕、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，2008年首次在北京地鐵4號(hào)線進(jìn)行了批量裝車，從兩年的運(yùn)營(yíng)可靠性指標(biāo)看，故障率很低，目前已廣泛用于廣佛線、北京地鐵大興線、北京機(jī)場(chǎng)線改造等多條線路。

［1］金元貴，丁瑞權(quán).軌道車輛微動(dòng)塞拉門［J］.城市軌道交通研究，2005，（2）：23－27.

［2］EN14752：2005 Rail way Application－Door System for Rolling Stock［S］.