韓二文

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營分公司， 710016，西安//高級(jí)工程師)

隨著西安地鐵線路成網(wǎng)，2號(hào)線客流陡然上升。為了提高列車運(yùn)力，縮短行車間隔勢在必行，但縮短行車間隔引起隧道活塞風(fēng)壓增大，從而對(duì)站臺(tái)屏蔽門的開關(guān)產(chǎn)生不利影響。 西安地鐵2號(hào)線自2015年7月份增加上線列車后，行車間隔逐步縮短，但也導(dǎo)致站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)故障頻發(fā)。

1 列車活塞風(fēng)壓對(duì)站臺(tái)屏蔽門開關(guān)的影響

列車在隧道中的行駛與活塞運(yùn)動(dòng)相類似。隧道中列車前方的空氣一部分被推向前方，另一部分沿列車與隧道之間的圓筒形空間生成回流?；亓髋c隧道壁面及列車表面產(chǎn)生摩擦，使得回流空氣不能及時(shí)散開。列車前方被壓縮的空氣產(chǎn)生特定的壓力變化, 引起空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，并伴隨行車速度的提高而加劇。加大行車密度后，當(dāng)后續(xù)列車靠近時(shí)，由于活塞運(yùn)動(dòng)的效果，使被壓縮的空氣其壓力進(jìn)一步加大，產(chǎn)生很大的隧道風(fēng)壓。

地鐵車站站臺(tái)屏蔽門承受外荷載主要有風(fēng)壓、人群荷載、沖擊荷載及地震荷載。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。站臺(tái)屏蔽門所受的阻力可以簡化為：門機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力f1；風(fēng)壓對(duì)門扇疊加的阻力f2；門體加速運(yùn)行時(shí)的慣性力f3。

西安地鐵2號(hào)線車站站臺(tái)屏蔽門單扇滑動(dòng)門質(zhì)量為70 kg。門體掛板滾輪組件沿導(dǎo)軌運(yùn)行，取滾輪滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)為0.02，可算出f1=27.44 N。

f2跟門體關(guān)閉的面積有關(guān)，設(shè)單扇活動(dòng)門門體尺寸為0.9 m×2.1 m。由于打開部分的站臺(tái)屏蔽門面積并不受風(fēng)壓影響，因此風(fēng)壓的壓力與門的開度有關(guān)。假設(shè)：軌道側(cè)與站臺(tái)側(cè)的風(fēng)壓p=200 Pa(風(fēng)速按18 m/s計(jì)算)；w為滑動(dòng)門寬度；s為滑動(dòng)門開度；h為滑動(dòng)門高度；μ為導(dǎo)靴摩擦系數(shù)。取w=1.8 m、h=2.1 m、s=0～1.8 m、μ=0.3，則由f2=[ph(w-s)/2]μ，可以粗略推算出門體各開度時(shí)，f2波動(dòng)范圍大致為0～113.4 N，取f2=28.0 N(加速段)。

開門過程中，站臺(tái)屏蔽門運(yùn)行曲線大致分為加速段、勻速段和減速段，其門體最大速度不大于0.5 m/s。關(guān)門過程中，站臺(tái)屏蔽門運(yùn)行曲線大致分為加速段、高速段、減速段和低速段。在行程至最后100 mm前，門體速度不大于0.5 m/s；最后100 mm行程，門體速度不大于0.15 m/s。根據(jù)對(duì)速度曲線的分析計(jì)算，門體加速段的加速度不大于1 m/s2；在門體減速段，電機(jī)對(duì)門體施加反向作用力，電機(jī)輸出功率減小，該段對(duì)于計(jì)算電機(jī)最大功率參考意義不大。因此，可以算出在門體最大加速階段，f3=140 N。站臺(tái)屏蔽門開、關(guān)門速度曲線見圖1和圖2。

圖1 站臺(tái)屏蔽門開門速度曲線

圖2 站臺(tái)屏蔽門關(guān)門速度曲線

故門體所需要的最大推力為：F=f1+f2+f3=27 N+28 N+140 N=195 N。f1可以通過檢修時(shí)的機(jī)械調(diào)整而減少(導(dǎo)靴改造和門機(jī)中修都是為了減少這部分摩擦力，但總體上這部分阻力占的比重較小，對(duì)故障的改善不明顯)。f2是引起延時(shí)關(guān)門、二次關(guān)門及關(guān)門遇障的主要原因，但由于區(qū)間結(jié)構(gòu)、隧道風(fēng)系統(tǒng)及行車組織等客觀因素造成區(qū)間活塞風(fēng)和串風(fēng)等情況，使得該部分阻力不可控。f3是門體加速運(yùn)行時(shí)所需的推力，因門重和門速是確定的，故該推力不變。

2 故障處理方法

通過測試發(fā)現(xiàn)，西安地鐵2號(hào)線車站站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)的關(guān)門推力比門體所需要的最大推力小30%左右。為了最大限度地提高現(xiàn)有站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)的開、關(guān)門力，曾嘗試修改現(xiàn)有系統(tǒng)門控單元(DCU)軟件參數(shù)、改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)減速比，以及改用從動(dòng)輪雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但均未達(dá)到理想的效果。最終，通過替換現(xiàn)有系統(tǒng)的門頭DCU控制板，調(diào)整DCU控制參數(shù)及修改關(guān)門速度，得以很好地解決了西安地鐵2號(hào)線站臺(tái)屏蔽門關(guān)門最后階段推力不足的問題，降低了站臺(tái)屏蔽門故障率。

2.1 修改DCU軟件參數(shù)

采用示波器對(duì)西安地鐵2號(hào)線站臺(tái)屏蔽門關(guān)門曲線進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，站臺(tái)屏蔽門的直流有刷電機(jī)(型號(hào)GR63×55,額定電壓48 V，額定電流2.5 A，額定轉(zhuǎn)速3 200 r/min，額定功率94.1 W)在關(guān)門過程高速段的峰值電壓僅為額定電壓的70%左右(約33 V)，在關(guān)門過程低速段，峰值電壓僅為額定電壓的40%左右(約20 V)。

實(shí)際上現(xiàn)有電機(jī)額定功率并未安全發(fā)揮，仍有可調(diào)整空間。為此，在設(shè)備軟件中修改關(guān)門速度曲線，使關(guān)門時(shí)間縮短至3.2 s，關(guān)門速度加快，關(guān)門推力增大。在調(diào)整DCU參數(shù)后的測試中，仍出現(xiàn)整側(cè)門體中個(gè)別門體關(guān)門延時(shí)、門體超速報(bào)警及DCU死機(jī)等問題，且高峰期運(yùn)行時(shí)該側(cè)出現(xiàn)多個(gè)門體關(guān)門延時(shí)和無法關(guān)閉情況，故障率比測試前還高。這說明原設(shè)備廠關(guān)門曲線已優(yōu)化得非常好，沒有調(diào)整空間。如果將關(guān)門速度加大，實(shí)際關(guān)門時(shí)會(huì)觸碰到紅色保護(hù)區(qū)域而造成門體超速死機(jī)；如果將關(guān)門速度減小，又造成受風(fēng)壓影響的故障數(shù)增多。

2.2 改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)減速比和霍爾反饋信號(hào)

西安地鐵2號(hào)線站臺(tái)屏蔽門門機(jī)系統(tǒng)主動(dòng)輪采用直流有刷電機(jī)和10∶1蝸輪蝸桿減速機(jī)，減速機(jī)前端安裝驅(qū)動(dòng)皮帶輪。如將減速機(jī)的減速比增大，則減速機(jī)的輸出力矩也會(huì)線性增加，從而增加關(guān)門推力。但增加減速比后，若要保持原關(guān)門速度，則開關(guān)門電機(jī)轉(zhuǎn)速需要提高，電機(jī)總行程需要加長。

將減速機(jī)換成15∶1減速機(jī)，在不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，電機(jī)力矩將增1.27倍。該電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，現(xiàn)場開關(guān)門最高轉(zhuǎn)速約為2 000 r/min，所以轉(zhuǎn)速仍有余量。但由于位置環(huán)反饋采集的是電機(jī)霍爾信號(hào)，改變減速比后，開關(guān)門總行程將變?yōu)樵瓉?1 900 mm)的2/3，故需要對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行2/3分頻處理。處理后的開關(guān)門總行程將保持不變。

霍爾轉(zhuǎn)換板試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開門時(shí)會(huì)給出超速報(bào)告。其原因是由于改變了電機(jī)霍爾脈沖反饋導(dǎo)致電機(jī)欠速，造成與原速曲線不一致；DCU為維持速度穩(wěn)定，給電機(jī)加電壓，又導(dǎo)致超速，致使系統(tǒng)失穩(wěn)。

2.3 改為從動(dòng)輪雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在門機(jī)系統(tǒng)從動(dòng)輪上增加1臺(tái)獨(dú)立的伺服電機(jī)系統(tǒng)。該電機(jī)在關(guān)門時(shí)介入，使從動(dòng)輪電機(jī)在力矩控制模式下輸出恒力矩，幫助門機(jī)系統(tǒng)克服摩擦阻力。直連加裝400 W電機(jī)后，現(xiàn)場安裝測試表明門體正常開關(guān)。從具體測試波形看，加裝的從動(dòng)輪電機(jī)已使原門機(jī)系統(tǒng)電機(jī)出力矩減少(電壓波形下降)，可以幫助門機(jī)克服部分風(fēng)壓阻力。

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，門體加裝400 W電機(jī)后，門體測試曲線與樣機(jī)不同。將電機(jī)介入時(shí)間從200 ms改為20 ms后，門體運(yùn)行均正常，無故障記錄。但行車間隔高峰期由原來的4 min調(diào)整為3 min 42 s后，加裝400 W電機(jī)后門體關(guān)門出現(xiàn)延時(shí)故障，高峰期出現(xiàn)多起二次關(guān)門故障。

2.4 更換DCU門控單元

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，昆明地鐵站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)和西安地鐵相似，且曾實(shí)施過DCU整體替換方案來改造克服關(guān)門力不足的缺陷。西安地鐵公司隨后對(duì)2號(hào)線站臺(tái)屏蔽門DCU進(jìn)行替換改造，相當(dāng)于更換了電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)置，即速度、力矩、時(shí)間等參數(shù)可以自行重新設(shè)置。通過測試發(fā)現(xiàn)，故障率大幅下降(見圖3)，且系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖3 DCU改造前后站臺(tái)屏蔽門故障統(tǒng)計(jì)

3 DCU門控單元更換方案

DCU門控單元更換的基本原則是：利用原系統(tǒng)布線，同時(shí)保留DCU的對(duì)外連接方式；應(yīng)預(yù)防系統(tǒng)改造過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。其技術(shù)參數(shù)要求和大體方案如下：

(1) 每扇關(guān)門力≤150 N (在門關(guān)至行程的1/3后測量)；

(2) 關(guān)門時(shí)，滑動(dòng)門(每扇)最后行程(100 mm)范圍內(nèi)的動(dòng)能 ≤1 J；

(3) 每扇滑動(dòng)門關(guān)門時(shí)最大動(dòng)能≤10 J；

(4) 每扇滑動(dòng)門的最大速度≤0.6 m/s；

(5) 滑動(dòng)門開啟時(shí)間為2.5～3.5 s，滑動(dòng)門關(guān)閉時(shí)間為3～4.0 s，且均可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；

(6) 站臺(tái)屏蔽門接受命令到滑動(dòng)門動(dòng)作時(shí)間 ≤0.15 s(包括解鎖時(shí)間)，門已關(guān)閉信號(hào)從DCU反饋到站臺(tái)屏蔽門的時(shí)間≤0.15 s；

(7) 可實(shí)現(xiàn)與信號(hào)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能，具備對(duì)單個(gè)門的“隔離、自動(dòng)、手動(dòng)”控制功能，具有障礙物探測功能。

3.1 電源方案

原站臺(tái)屏蔽門單元供電采用三相AC 380 V轉(zhuǎn)三相AC 36 V，變壓器為DCU提供驅(qū)動(dòng)電源(見圖4)。

圖4 原站臺(tái)屏蔽門變壓器接線圖

三相AC 36 V為DCU提供驅(qū)動(dòng)電源。DCU內(nèi)部將三相AC 36 V整流成DC 48 V，用于控制門頭燈、電磁閥、電機(jī)等外部設(shè)備，同時(shí)為門機(jī)電磁鎖、行程開關(guān)，以及應(yīng)急門及端門行程開關(guān)等部件提供電源。變壓器通過安裝板安裝在門機(jī)梁內(nèi)。

改造后的DCU采用直流供電方式，原站臺(tái)屏蔽門單元三相AC 36 V電源無法滿足供電要求?？紤]到DCU外部設(shè)備采用DC 48 V供電，因此需要對(duì)門單元供電方案進(jìn)行改造。為滿足供電要求，同時(shí)為降低改造風(fēng)險(xiǎn)和減少現(xiàn)場施工工作量，采用三相AC 380 V轉(zhuǎn)DC 48 V降壓模塊替換原站臺(tái)屏蔽門門頭的三相AC 380 V轉(zhuǎn)三相AC 36 V變壓器，為門單元提供驅(qū)動(dòng)電源。

電源采用導(dǎo)軌式安裝方式，同時(shí)為導(dǎo)軌電源配置安裝板并固定在門機(jī)梁內(nèi)，如圖5所示。

圖5 改造后的電源安裝示意圖

將三相AC 380 V接至門頭電源輸入端，同時(shí)將門頭DC 48 V電源輸出端接至門機(jī)空氣開關(guān)一端，并保留空氣開關(guān)另一端至DCU線纜及連接器的連接(見圖6)。目前，該電源方案已在樣機(jī)及現(xiàn)場通過了實(shí)際驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明該電源方案可以保證站臺(tái)屏蔽門的正常使用。

a) 改造前門頭變壓器

b) 改造后門頭電源模塊圖6 改造前后的站臺(tái)屏蔽門電源實(shí)景圖

3.2 DCU改造方案

風(fēng)壓導(dǎo)致站臺(tái)屏蔽門無法可靠關(guān)閉的核心原因是風(fēng)壓過大，造成門控單元進(jìn)入障礙物模式(甚至死機(jī))，而原DCU相關(guān)參數(shù)又無法調(diào)整，故無法滿足實(shí)際使用需求。為此，改造方案是采用DCU新產(chǎn)品對(duì)等替換原有產(chǎn)品，同時(shí)在參數(shù)調(diào)整上開放，然后通過調(diào)整參數(shù)來滿足實(shí)際使用需求。

改造后新的DCU采用與原DCU類似的安裝方式，即采用DCU加底板組合的安裝方式，并在機(jī)械接口、通信接口及電氣接口方面與原DCU接口保持一致，以期降低現(xiàn)場改造風(fēng)險(xiǎn)及施工工作量。

新的DCU內(nèi)部采用分板方式布置，主要包括核心控制板、接口板、電源板及通信板。采用分板方式布置可以降低后期的維修成本，同時(shí)蜂鳴器采用可拆卸方式以便維修。新的DCU內(nèi)部框圖見圖7。

為解決原DCU 參數(shù)無法調(diào)整問題，新的DCU 將核心參數(shù)對(duì)外開放，即可根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行相關(guān)參數(shù)調(diào)整。

圖7 新的DCU內(nèi)部框圖

4 結(jié)語

站臺(tái)屏蔽門DCU改造后，提升了滑動(dòng)門關(guān)門力，提高了關(guān)門最后1/3行程的關(guān)門速度，由此成功解決了因風(fēng)壓增大導(dǎo)致關(guān)門力不夠的問題。西安地鐵2號(hào)線全線站臺(tái)屏蔽門設(shè)備故障數(shù)較改造前下降48.6%，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，確保了地鐵行車安全。

站臺(tái)屏蔽門在軌道交通運(yùn)輸中有著很重要的地位，既有保護(hù)乘客安全的作用，也有節(jié)約能源的作用。然而隨著低碳生活越來越被人們接受，地鐵客流有了很大的增加，高密度行車是應(yīng)對(duì)大客流的有效辦法，同時(shí)高密度行車導(dǎo)致站臺(tái)屏蔽門發(fā)生的問題也越來越多。對(duì)站臺(tái)屏蔽門進(jìn)行深入研究，不斷地總結(jié)故障處理和技術(shù)改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，才能讓站臺(tái)屏蔽門更好地服務(wù)軌道交通運(yùn)輸，提高運(yùn)營安全性。