黃育良

摘 要：地鐵屏蔽門作為站臺側(cè)和軌道側(cè)的氣密性隔斷工具。因此其正常運行狀況下，必然會受到軌道側(cè)和站臺側(cè)風(fēng)壓壓差的影響。目前，部分城市的屏蔽門系統(tǒng)出現(xiàn)因為風(fēng)壓過大而出現(xiàn)遇障停止，然后二次關(guān)門的情況，導(dǎo)致運營延誤。屏蔽門電機功率選取是否恰當(dāng)，這個問題受到越來越多業(yè)主的關(guān)注。該文將根據(jù)實際工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，分析計算屏蔽門電機在風(fēng)壓情況下的功率需求。

關(guān)鍵詞：屏蔽門 ?風(fēng)壓 ?電機 ?荷載

中圖分類號：TP27 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0068-02

1 背景說明

1.1 現(xiàn)狀說明

我國城市軌道交通項目的建設(shè)正處于飛速發(fā)展時期，在新建線路及舊有線路的改造工程中，站臺屏蔽門的應(yīng)用日趨廣泛。地鐵站臺屏蔽門安裝在站臺邊緣，將站臺軌道區(qū)與候車區(qū)隔離（同時區(qū)間隧道與車站也完全隔離）。由于屏蔽門將隧道和站臺區(qū)域隔離，因此，門體會承受隧道和站臺壓差帶來的壓力。在屏蔽門運動過程中，除了考慮自身正常的摩擦阻力，還需要考慮風(fēng)壓帶來的額外阻力。其電機荷載會因為風(fēng)壓而增大。一般各車站的風(fēng)壓狀況是不一致的，即便同一車站，在不同季節(jié)因為風(fēng)機開啟大小不同，風(fēng)壓狀況也不一致。即便是同一車站的同一時間段內(nèi)，風(fēng)機開啟功率相同，因為列車運行狀況不同，風(fēng)壓也會有很大的差異。將風(fēng)壓影響準(zhǔn)確納入屏蔽門電機功率考慮，是屏蔽門行業(yè)的難題。

1.2 屏蔽門風(fēng)壓荷載數(shù)據(jù)分析

屏蔽門系統(tǒng)設(shè)置于地鐵站臺邊緣，在列車到達和出發(fā)時可自動開啟和關(guān)閉。其功能門部分一般由固定門、滑動門、應(yīng)急門及端門組成。屏蔽門承受外荷載主要有：（1）風(fēng)壓;（2）人群荷載;（3）沖擊荷載;（4）地震荷載。其中風(fēng)壓主要由列車活塞效應(yīng)和車站空調(diào)系統(tǒng)造成，一般根據(jù)工程經(jīng)驗估計[1]，也有通過數(shù)值模擬分析確定。但不同工況下實際風(fēng)壓究竟多大，目前未見有相關(guān)文獻介紹。[2]因此，該論文基于目前的實際工程風(fēng)壓要求概況為基礎(chǔ)計算。

不同地鐵線路要求的屏蔽門風(fēng)壓不同，下圖是各地不同地鐵線路對屏蔽門風(fēng)壓荷載的統(tǒng)計數(shù)據(jù)：

通過上述統(tǒng)計可以看出，目前屏蔽門最大風(fēng)壓荷載要求為2000 Pa。除了深圳三期工程外，其余大部分線路的風(fēng)壓要求均在1500 Pa以下。本文后面的計算中，將采用2000 Pa作為屏蔽門風(fēng)壓的假設(shè)值。

1.3 屏蔽門運動曲線分析

典型的屏蔽門運動曲線如圖2所示。

開門過程中，屏蔽門運行曲線大致分為加速段，勻速段和減速段。其最大速度不大于0.5 m/s。

關(guān)門過程中，屏蔽門運行曲線大致分為加速段，勻速段，減速段，低速段。在最大行程至最后100 mm這段行程中，最大速度不大于0.5 m/s，最后100 mm行程速度不大于0.15 m/s。

1.4 電機特性參數(shù)

目前行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的屏蔽門系統(tǒng)通常采用的直流無刷主電機參數(shù)如圖4所示。

電機型號采用BG65×75（110 V）額定扭矩為0.4 Nm，額定轉(zhuǎn)速為3200 rpm。

減速箱參數(shù)如下：

電機的減速箱采用型號為SG80K （1∶15），減速比為1∶15，效率為0.55。

2 功率需求計算

2.1 風(fēng)壓影響分析

風(fēng)壓對門體的影響跟門體關(guān)閉的面積有關(guān)。假設(shè)單扇活動門門體面積為1 m×2.15 m。而由于打開部分的屏蔽門面積并不受風(fēng)壓影響。因此，風(fēng)壓的壓力與開度有關(guān)。

F為屏蔽門受到風(fēng)壓荷載力（N）;

p為軌道側(cè)與站臺側(cè)間風(fēng)壓（Pa）;

w為屏蔽門活動門寬度（m）;

s為屏蔽門活動門開度（m）;

h為屏蔽門活動門高度（m）。

其中w=2 m，h=2.15 m，s=0～2 m。p=2000 Pa。

公式可以轉(zhuǎn)化為：

則可以得知開度越大門體受風(fēng)壓影響越小。把風(fēng)壓荷載轉(zhuǎn)化為對門的阻力。

f為屏蔽門因為風(fēng)壓荷載而增加的阻力（N）;

F為屏蔽門受到風(fēng)壓荷載力（N）;

μ為摩擦系數(shù);

2.2 速度曲線影響分析

由門體運動曲線可知，門體在開門過程中加速段，運動速度為0～Vmax;在勻速段，可以認為門機的速度為Vmax;減速段為Vmax～0。

門體在關(guān)門過程中加速段，運動速度為0～Vmax;在勻速段，可以認為門機的速度為Vmax;減速段為Vmax～Vmax100 mm。低速段速度為Vmax100 mm。

而根據(jù)1.3分析，Vmax可以假設(shè)等于0.5 m/s，Vmax100 mm可假設(shè)等于0.15 m/s。

此外，門機在加減速過程中，電機驅(qū)動力會受到加速度的影響。根據(jù)對速度曲線的分析計算，門機加速段的加速度不大于0.9 m/s2，門機減速段電機對門體施加反向作用力，電機輸出功率減小，該段對于計算電機最大功率參考意義不大。

根據(jù)經(jīng)驗，單扇活動門重量一般為65～80 kg，我們將以80 kg為假設(shè)值。則兩扇門按160 kg計算。

2.3 電機功率計算

根據(jù)能量守恒定律，電機輸出功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔诰S持門體運動瞬間所需功率。因此，電機輸出功率可以用如下公式計算：

P為電機輸出功率;

f為門機瞬間驅(qū)動力（包括風(fēng)壓疊加阻力，正常阻力及加速力）;

v為門機瞬間速度。

其中：

;

f1為正常門機阻力;

f2為風(fēng)壓疊加阻力;endprint

f3為加速力。

門機在開門階段，風(fēng)壓得到排泄，因此，風(fēng)壓力在整個過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風(fēng)壓影響作用小于關(guān)門作用。而根據(jù)實際運營經(jīng)驗，一般門機只會在關(guān)門情況下受到風(fēng)壓影響產(chǎn)生二次關(guān)門的遇障情況，與理論假設(shè)吻合。因此，對于電機最大輸出功率的計算，我們只需考慮關(guān)門過程即可。

根據(jù)關(guān)門過程的運動特性：

根據(jù)門機重量及阻尼系數(shù)可推算出門機阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會小于800 mm，根據(jù)屏蔽門所用材料，查得摩擦系數(shù)為0.035。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計算，門機加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會小于200 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=240.8 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機作用力與門機運動方向相反，因此，此段電機的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為;f2=301 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結(jié)語

由于電機的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機整機（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據(jù)理論計算電機最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計算方式為極限最大值疊加方式，實際工程中功率會比理論計算小?？蓱]到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風(fēng)壓情況下的可靠運行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機整機的輸出功率。

參考文獻

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設(shè)計及力學(xué)模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚，等.地鐵屏蔽門風(fēng)壓實測研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統(tǒng)的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint

f3為加速力。

門機在開門階段，風(fēng)壓得到排泄，因此，風(fēng)壓力在整個過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風(fēng)壓影響作用小于關(guān)門作用。而根據(jù)實際運營經(jīng)驗，一般門機只會在關(guān)門情況下受到風(fēng)壓影響產(chǎn)生二次關(guān)門的遇障情況，與理論假設(shè)吻合。因此，對于電機最大輸出功率的計算，我們只需考慮關(guān)門過程即可。

根據(jù)關(guān)門過程的運動特性：

根據(jù)門機重量及阻尼系數(shù)可推算出門機阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會小于800 mm，根據(jù)屏蔽門所用材料，查得摩擦系數(shù)為0.035。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計算，門機加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會小于200 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=240.8 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機作用力與門機運動方向相反，因此，此段電機的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為;f2=301 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結(jié)語

由于電機的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機整機（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據(jù)理論計算電機最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計算方式為極限最大值疊加方式，實際工程中功率會比理論計算小?？蓱]到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風(fēng)壓情況下的可靠運行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機整機的輸出功率。

參考文獻

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設(shè)計及力學(xué)模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚，等.地鐵屏蔽門風(fēng)壓實測研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

[3] 劉承東.屏蔽門系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2000（1）.

[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統(tǒng)的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint

f3為加速力。

門機在開門階段，風(fēng)壓得到排泄，因此，風(fēng)壓力在整個過程中是逐漸減少。因此，門體在打開過程中，其受風(fēng)壓影響作用小于關(guān)門作用。而根據(jù)實際運營經(jīng)驗，一般門機只會在關(guān)門情況下受到風(fēng)壓影響產(chǎn)生二次關(guān)門的遇障情況，與理論假設(shè)吻合。因此，對于電機最大輸出功率的計算，我們只需考慮關(guān)門過程即可。

根據(jù)關(guān)門過程的運動特性：

根據(jù)門機重量及阻尼系數(shù)可推算出門機阻力為f1=54.936 N。

2.3.1 加速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會小于800 mm，根據(jù)屏蔽門所用材料，查得摩擦系數(shù)為0.035。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=75.25 N。

加速度按0.9 m/s2計算，門機加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。

門機速度取0.5 m/s：

P=fv≈137.1 W

2.3.2 勻速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度不會小于200 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為：f2=240.8 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+240.8 N=295.736 N

P=fv≈147.9 W

門機速度取0.5 m/s

2.3.3 減速段

由于減速段電機作用力與門機運動方向相反，因此，此段電機的輸出功率必然小于勻速段或減速段功率。

2.3.4 低速段

根據(jù)速度曲線數(shù)據(jù)分析，加速段屏蔽門的開度最小為0 mm。因此，加速段最大風(fēng)壓阻力為;f2=301 N。

門機加速力f3=0 N

f=54.936 N+301 N=355.936 N

門機速度取0.15 m/s

P=fv≈53.4 W

綜上所述，電機最大需求輸出功率為147.9 W。

3 結(jié)語

由于電機的最大輸出功率為250 W，減速箱效率為0.55，因此，電機整機（帶減速箱）最大輸出功率為137.5 W。根據(jù)理論計算電機最大輸出功率需要147.9 W。

由于文中的計算方式為極限最大值疊加方式，實際工程中功率會比理論計算小。可慮到余量疊加，減速箱效率不變情況下，建議電機功率額定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能夠比較可靠的保障門體在2000 Pa風(fēng)壓情況下的可靠運行。如果采用效率更高的減速箱，也能增大電機整機的輸出功率。

參考文獻

[1] 陳海輝.地鐵屏蔽門的機械設(shè)計及力學(xué)模型[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004（4）：74.

[2] 吳培浩，楊仕超，馬揚，等.地鐵屏蔽門風(fēng)壓實測研究[J].城市軌道交通研究，2007（6）.

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[4] 孫增田.廣州地鐵屏蔽門系統(tǒng)的方案比選[J].地鐵與輕軌，2002（6）：28.endprint