摘 要：隧道動(dòng)態(tài)活塞風(fēng)壓是導(dǎo)致地鐵運(yùn)營期間站臺(tái)門關(guān)門受阻的原因之一，鑒于此，從機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及站臺(tái)門DCU軟件兩個(gè)方面展開具體分析，通過建立傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行受力驗(yàn)算確定站臺(tái)門電機(jī)扭矩、功率選型?；谏鲜龇治?，提出站臺(tái)門動(dòng)作受阻的解決措施，旨在促進(jìn)地鐵線路的安全運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓;站臺(tái)門;DCU軟件

0? ? 引言

站臺(tái)門系統(tǒng)是與行車組織直接相關(guān)的車站設(shè)備，其直接影響列車準(zhǔn)點(diǎn)率。目前站臺(tái)門系統(tǒng)一般根據(jù)環(huán)控專業(yè)提供的隧道最大壓力值進(jìn)行站臺(tái)門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，但隨著全國各地地鐵進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，客流不斷增加，行車密度不斷加大，受隧道動(dòng)態(tài)活塞風(fēng)壓的影響[1]，國內(nèi)不少城市均出現(xiàn)了運(yùn)營期間站臺(tái)門關(guān)門受阻、關(guān)門慢甚至無法關(guān)門的現(xiàn)象，直接影響了列車的正常運(yùn)營。站臺(tái)門系統(tǒng)需要考慮開關(guān)門過程中受到隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的影響，這就對站臺(tái)門的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求，有必要對基于動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的站臺(tái)門系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并提出解決方案。

1? ? 站臺(tái)門傳動(dòng)系統(tǒng)阻力計(jì)算

造成站臺(tái)門無法正常關(guān)閉的主要原因是滑動(dòng)門受活塞風(fēng)壓影響造成關(guān)門阻力變大，控制系統(tǒng)無法驅(qū)動(dòng)門體正常運(yùn)動(dòng)關(guān)門，所以首先對站臺(tái)門傳動(dòng)系統(tǒng)阻力進(jìn)行分析、計(jì)算。

1.1? ? 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

站臺(tái)門系統(tǒng)每道標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)門配置一套傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)方式一般有絲杠螺母副和皮帶傳動(dòng)兩種[2]，本文以國內(nèi)最常用的皮帶傳動(dòng)為例進(jìn)行介紹。皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)/減速機(jī)、皮帶、懸掛裝置、導(dǎo)軌、導(dǎo)靴、導(dǎo)槽等組成，一道滑動(dòng)門由兩扇門體組成，每扇門通過頂部懸掛裝置與皮帶剛性連接，懸掛裝置滾輪支撐門體在上部導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)門下部設(shè)置有導(dǎo)靴與門檻導(dǎo)槽，電機(jī)帶動(dòng)皮帶運(yùn)行，正常情況下，導(dǎo)靴處在導(dǎo)槽中間，兩邊留有間隙，兩者不接觸。電機(jī)由DCU進(jìn)行智能控制，滑動(dòng)門開門運(yùn)動(dòng)曲線包括啟動(dòng)—?jiǎng)蚣铀佟獎(jiǎng)蛩佟獎(jiǎng)驕p速—停止等5個(gè)階段。

1.2? ? 傳動(dòng)系統(tǒng)阻力計(jì)算

傳動(dòng)系統(tǒng)阻力計(jì)算所用到的參數(shù)包括各傳動(dòng)部件的摩擦系數(shù)、傳動(dòng)比、傳動(dòng)效率、皮帶輪直徑、門體重量/規(guī)格、皮帶張緊力等等。下面結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，按國內(nèi)常規(guī)站臺(tái)門的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)代入計(jì)算，動(dòng)態(tài)風(fēng)壓最大值按±400 Pa考慮（實(shí)際工程以空調(diào)專業(yè)提資為準(zhǔn)）。

1.2.1? ? 加速啟動(dòng)時(shí)最大運(yùn)行阻力計(jì)算

根據(jù)站臺(tái)門滑動(dòng)門動(dòng)作工況，其在開關(guān)門瞬間的運(yùn)行阻力是最大的，此時(shí)電機(jī)須克服傳動(dòng)系統(tǒng)各部件之間固有的摩擦阻力及啟動(dòng)瞬間按一定加速度的驅(qū)動(dòng)力總和。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)最大阻力按式（1）計(jì)算：

Fmax=Fm+FG? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，F(xiàn)max為電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要克服的最大阻力（N）;Fm為電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要克服的最大摩擦阻力（N）;FG為電機(jī)按一定加速度啟動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力（N）。

（1）靜摩擦力Fm計(jì)算。

由于隧道活塞風(fēng)壓載荷是均布載荷，根據(jù)門體結(jié)構(gòu)，可假設(shè)風(fēng)壓引起的門楣毛刷對門體的支撐力、導(dǎo)靴與門檻導(dǎo)槽、滾輪與導(dǎo)軌3組支撐力相同，滑動(dòng)門開關(guān)門瞬間的摩擦運(yùn)行阻力包括：

1）門扇重量引起的滾輪與導(dǎo)軌之間的滾動(dòng)摩擦力F1=80.36 N;

2）風(fēng)壓作用下引起的導(dǎo)輪與導(dǎo)軌側(cè)面發(fā)生接觸產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦阻力F2=86 N（無風(fēng)壓時(shí)，該值為0）;

3）風(fēng)壓作用下導(dǎo)靴與導(dǎo)槽之間發(fā)生接觸形成的滑動(dòng)摩擦阻力F3=114.67 N（無風(fēng)壓時(shí)，該值為0）;

4）風(fēng)壓作用下門楣毛刷對門體懸掛裝置接觸形成的滑動(dòng)摩擦阻力F4=86 N（無風(fēng)壓時(shí)，該值為0）;

5）皮帶與齒輪之間的摩擦力F5=4.5 N。

則Fm=F1+F2+F3+F4+F5=371.53 N。

（2）啟動(dòng)加速瞬間所需要的驅(qū)動(dòng)力FG。

電機(jī)啟動(dòng)加速按式（2）計(jì)算：

FG=2ma? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，m為單趟門重量，取82 kg;a為開關(guān)最大加速度（根據(jù)開關(guān)門時(shí)間及動(dòng)能要求，計(jì)算結(jié)果最大加速度為1.1 m/s2）。

則FG=180.4 N。

（3）開關(guān)門瞬間最大運(yùn)行總阻力。

開關(guān)門瞬間電機(jī)需要克服的最大阻力為551.93 N。

1.2.2? ? 勻速運(yùn)行阻力計(jì)算

站臺(tái)門勻速運(yùn)行階段，不需要考慮加速度及張緊力，F(xiàn)勻速=

Fm-F5=367.03 N。

2? ? 站臺(tái)門電機(jī)扭矩、功率選型計(jì)算

根據(jù)傳動(dòng)原理及相關(guān)公式，可計(jì)算出電機(jī)的啟動(dòng)扭矩為1.38 Nm，電機(jī)的額定扭矩為0.92 Nm，電機(jī)的額定功率為194.75 W。

綜上所述，在400 Pa動(dòng)態(tài)風(fēng)壓作用下，按常規(guī)站臺(tái)門系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算，站臺(tái)門電機(jī)選型的啟動(dòng)扭矩不應(yīng)小于1.38 Nm，額定扭矩不應(yīng)小于0.92 Nm，電機(jī)額定功率不應(yīng)小于194.75 W。

3? ? 站臺(tái)門DCU軟件設(shè)計(jì)

除了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)對站臺(tái)門開關(guān)門有直接影響外，站臺(tái)門DCU軟件設(shè)計(jì)也是影響站臺(tái)門開關(guān)的另一個(gè)重要因素。站臺(tái)門每個(gè)門單元均設(shè)置DCU，用于控制每個(gè)滑動(dòng)門單元的動(dòng)作，安裝在門體上部的頂箱內(nèi)，DCU本身就是一個(gè)控制單元，其安裝的軟件可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度、電流、正反轉(zhuǎn)等的控制。

圖1是典型的站臺(tái)門關(guān)門速度曲線圖，從圖1可以看出，整個(gè)關(guān)門過程為加速—?jiǎng)蛩佟獪p速—?jiǎng)蛩佟獪p速，關(guān)門故障集中體現(xiàn)在低速勻速區(qū)，該區(qū)域DCU軟件設(shè)計(jì)主要取決于規(guī)范中的滑動(dòng)門功能要求（不大于10 J及最后行程1 J）及阻止滑動(dòng)門關(guān)閉的力不應(yīng)大于150 N，該行程段是DCU軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

為確保阻止關(guān)門力滿足不大于150 N規(guī)范要求，站臺(tái)門系統(tǒng)DCU軟件須對電機(jī)的輸出力（限制電流）進(jìn)行人為限制，目前各站臺(tái)門廠家一般通過軟件限制電機(jī)的輸入電流來實(shí)現(xiàn)。該電流限制閾值應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：

（1）電機(jī)的設(shè)定輸出力（限制電流）F=滑動(dòng)門傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行阻力F總+150 N（阻止關(guān)門力）;

（2）電機(jī)的設(shè)定電流閾值應(yīng)小于電機(jī)額定電流。

條件（1）中，F(xiàn)總包括兩部分力，一部分是不考慮隧道活塞風(fēng)壓等因素，傳動(dòng)系統(tǒng)固有的運(yùn)行阻力（計(jì)為F固）;另一部分為受隧道活塞風(fēng)壓影響，造成的運(yùn)行阻力（計(jì)為F風(fēng)）。其中F固在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、產(chǎn)品定型后就是固定值，F(xiàn)風(fēng)是隨機(jī)變化的，不同線路甚至同一線路的每個(gè)車站、每個(gè)門單位，每個(gè)時(shí)刻都是不同的，因此可擴(kuò)展為：電機(jī)的設(shè)定輸出力（限制電流）F=F固+F風(fēng)+150 N（阻止關(guān)門力）。

電機(jī)的設(shè)定輸出力（限制電流）既要滿足滑動(dòng)門在勻速區(qū)段阻止關(guān)門力≤150 N要求，又要滿足在可能出現(xiàn)的最大隧道活塞風(fēng)載情況下滑動(dòng)門能正常關(guān)閉。DCU軟件設(shè)計(jì)可將電機(jī)的輸出力（限制電流）設(shè)置為F固+150 N（阻止關(guān)門力），則既可滿足規(guī)范要求，又可滿足動(dòng)態(tài)風(fēng)壓開關(guān)門的要求，但前提是需滿足最大風(fēng)壓下造成的阻止力F風(fēng)≤150 N。另外，從電機(jī)壽命角度考慮，DCU軟件設(shè)計(jì)電機(jī)的輸出力（限制電流）還應(yīng)小于所選電機(jī)的額定電流。

4? ? 基于隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的站臺(tái)門解決方案

上述分析系統(tǒng)介紹了站臺(tái)門的傳動(dòng)系統(tǒng)模型、運(yùn)行阻力計(jì)算、電機(jī)功率、扭矩選型計(jì)算以及DCU軟件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，那么解決站臺(tái)門動(dòng)態(tài)風(fēng)壓問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：

（1）明確動(dòng)態(tài)風(fēng)壓設(shè)計(jì)輸入。動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的大小直接影響站臺(tái)門的開關(guān)門，為應(yīng)對動(dòng)態(tài)風(fēng)壓對屏蔽門開關(guān)門的影響，站臺(tái)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輸入載荷應(yīng)在原有疲勞風(fēng)載（用于核算屏蔽門疲勞強(qiáng)度）和最大活塞風(fēng)壓（用于核算屏蔽門強(qiáng)度、變形量）的基礎(chǔ)上增加動(dòng)態(tài)風(fēng)壓最大輸入值，用于核算站臺(tái)門開關(guān)門過程中的運(yùn)行阻力，在各階段設(shè)計(jì)中由通風(fēng)空調(diào)專業(yè)在專業(yè)提資中予以明確。

（2）合理選型電機(jī)參數(shù)。電機(jī)功率和扭矩的合理選型是保證站臺(tái)門受動(dòng)態(tài)風(fēng)壓影響時(shí)正常開關(guān)門的基本條件，如電機(jī)功率選擇過小，電機(jī)額定電流小于DCU軟件設(shè)計(jì)電流閾值，則無法保證電機(jī)壽命;亦或?yàn)楸ＷC電機(jī)壽命，把電流閾值調(diào)至電機(jī)額定電流，人為降低了電機(jī)輸出力，此時(shí)即使風(fēng)壓引起的運(yùn)行阻力小于150 N也不能滿足開關(guān)門要求。具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)每條地鐵線路站臺(tái)門傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，環(huán)控專業(yè)提供的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓最大值，對電機(jī)功率及扭矩進(jìn)行核算[3]。

（3）DCU軟件設(shè)計(jì)要求。正確設(shè)計(jì)DCU軟件也是確保站臺(tái)門正常開關(guān)門的基礎(chǔ)條件，如DCU設(shè)置的電機(jī)輸出力（限制電流）過小，甚至未考慮系統(tǒng)固有阻力，那么就容易造成受風(fēng)壓影響出現(xiàn)關(guān)門故障的情況。正確的DCU軟件設(shè)計(jì)電機(jī)的輸出力（限制電流）應(yīng)為F固+150 N（阻止關(guān)門力），其中系統(tǒng)固定阻力是一定要涵蓋在內(nèi)的;另外軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在此基礎(chǔ)上上下浮動(dòng)，形成若干條電流曲線，實(shí)際應(yīng)用于工程時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要通過DCU軟件調(diào)整以選擇相應(yīng)合適的電流曲線。

（4）減小傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦系數(shù)，弱化風(fēng)載影響。解決站臺(tái)門開關(guān)門故障最直接的辦法是控制最大風(fēng)載引起的系統(tǒng)運(yùn)行阻力不大于150 N，辦法是降低傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦系數(shù)，如站臺(tái)門系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置頂部導(dǎo)輪由原扁平型結(jié)構(gòu)改為球形滾輪結(jié)構(gòu)，底部導(dǎo)靴與導(dǎo)槽由原滑動(dòng)摩擦改為滾輪摩擦方式，可大大減少風(fēng)壓引起的運(yùn)行阻力，可先進(jìn)行理論計(jì)算，并在樣機(jī)上驗(yàn)證。

（5）采用智能型DCU。要根本解決在高風(fēng)壓情況下站臺(tái)門滑動(dòng)門關(guān)門不利的問題，采用智能型DCU也是可行的辦法之一。智能型DCU能判別在滑動(dòng)門無法關(guān)閉時(shí)障礙物的類型（乘客障礙物或風(fēng)壓/風(fēng)速），如是風(fēng)壓/風(fēng)速，系統(tǒng)可對電機(jī)輸出關(guān)門力進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確?；瑒?dòng)門正常按時(shí)、準(zhǔn)確關(guān)閉，并且不影響乘客，確保安全性。

5? ? 結(jié)語

綜上所述，本文對站臺(tái)門受隧道活塞風(fēng)壓影響造成開關(guān)門故障的問題進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，對站臺(tái)門傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算、電機(jī)選型、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，并最終提出了基于隧道動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的軌道交通站臺(tái)門系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及解決措施，希望本文的分析可為地鐵的安全運(yùn)營提供可供參考的意見。

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收稿日期：2020-04-03

作者簡介：劉鑫美（1983—），男，福建龍巖人，工程師，從事地鐵站臺(tái)門、電扶梯、防淹門系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。