李昌奇 趙日出 呂清帆

（湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，株洲 412001）

八軸大功率交流傳動HXD1型電力機(jī)車由A節(jié)車和B節(jié)車重聯(lián)組成，整車額定功率為9 600 kW，最大運(yùn)行速度為120 km·h-1。HXD1型電力機(jī)車在后端墻重聯(lián)處設(shè)有機(jī)械門（后端門），用于司乘人員往返A(chǔ)節(jié)車和B節(jié)車進(jìn)行巡查、換端操作和維護(hù)檢修等[1]。在重聯(lián)處的傳統(tǒng)機(jī)械門采用碳鋼材質(zhì)，機(jī)械式閉門器，但手動解鎖所需力矩大。由于機(jī)車在運(yùn)行時(shí)機(jī)械間存在負(fù)壓，導(dǎo)致不易開門，且手動操作時(shí)存在夾傷司乘人員的安全隱患。新研發(fā)了一種通過感應(yīng)信號驅(qū)動的電動門可以解決上述問題[2]，采用感應(yīng)式開關(guān)門模式，當(dāng)司乘人員進(jìn)入感應(yīng)區(qū)時(shí)，電動門執(zhí)行自動解鎖。整個(gè)過程司乘人員不需要對后端門手動進(jìn)行任何操作，即可安全、快速通過重聯(lián)區(qū)域。

1 電動門概述

電動門主要由門頁、電控箱、連桿機(jī)構(gòu)、鎖閉系統(tǒng)及傳感器等組成，安裝在機(jī)車車體的后端墻上，見圖1。

1.1 門頁

1.2 電控箱

電控箱包括電源模塊、控制器、電機(jī)、繼電器以及行程開關(guān)等部件，是電動門的控制中樞，通過電機(jī)（集成減速機(jī)構(gòu)）產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)動作。電控箱箱體主要采用碳鋼材質(zhì)，蓋板采用鋁合金材質(zhì)。

1.3 連桿機(jī)構(gòu)

連桿機(jī)構(gòu)承擔(dān)著傳遞電機(jī)轉(zhuǎn)矩、與門鎖配合實(shí)現(xiàn)開門和關(guān)門的功能。

1.4 鎖閉系統(tǒng)

鎖閉系統(tǒng)主要由電磁鐵、門鎖以及復(fù)位彈簧等部件組成，主要功能是在電動開閉過程中實(shí)現(xiàn)鎖門和電動解鎖，以及在手動開閉過程中實(shí)現(xiàn)開閉門。

1.5 傳感器

電動門共有5個(gè)傳感器，包括1個(gè)微波傳感器和4個(gè)光電傳感器。其中，微波傳感器和光電傳感器1安裝在門頁上方對應(yīng)的頂蓋上，光電傳感器2安裝在電控箱底部蓋板上，光電傳感器3安裝在電控箱左側(cè)蓋板上，光電傳感器4安裝在門后（重聯(lián)區(qū)頂部）。傳感器負(fù)責(zé)感應(yīng)區(qū)域接收感應(yīng)信號并傳送至控制器。

2 主要技術(shù)參數(shù)和工作原理

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

電動門外形尺寸（長×寬×高）為1 744 mm×474 mm×115 mm，額定輸入電壓為直流110 V，額定功率為200 W，總質(zhì)量約為80 kg，傳感器感應(yīng)距離為3.5～5.0 m，開啟/關(guān)閉時(shí)間為3～6 s。

2.2 工作原理

電動門電氣原理圖見圖2，其中直流110 V來自機(jī)車的控制電源。電控箱中，直流24 V電源為微波傳感器、光電傳感器1～光電傳感器4（圖1中所示為光電傳感器3，其他3個(gè)光電傳感器見圖3）、中間繼電器KA3和KA4及行程開關(guān)SQ1、SQ2供電；電控箱中，直流48 V電源為電磁鐵繼電器KA1、電機(jī)控制繼電器KA2及控制器（數(shù)字信號處理器[4]）供電。控制器基于接收的輸入及反饋信號，通過內(nèi)部控制邏輯發(fā)出相應(yīng)指令[5]，指揮電機(jī)和門鎖等部件有序工作。微波傳感器或光電傳感器將探測的信號傳送至控制器，控制器判斷后控制電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等實(shí)現(xiàn)開門與閉門動作。

在相同的摩擦磨損試驗(yàn)條件下，GH3536基體的質(zhì)量損失達(dá)到3 mg，而NiAlW涂層僅為0.8 mg，是基體的27%。盡管大氣等離子噴涂NiAlW涂層的摩擦因數(shù)更高，但其磨損量明顯更低，高溫耐磨損性能比基體好。

電動門運(yùn)行示意圖，見圖3。微波傳感器與光電傳感器的工作區(qū)域共同構(gòu)成電動門的感應(yīng)區(qū)域。電動門設(shè)計(jì)有電動和手動兩種工作模式。

2.2.1 電動模式

假設(shè)人由機(jī)車的A節(jié)車經(jīng)過重聯(lián)區(qū)域走到B節(jié)車，電動門的工作過程如下。

（1）當(dāng)人由A節(jié)車機(jī)械間走向重聯(lián)處時(shí)，在靠近電動門1約4 m距離時(shí)，微波傳感器接收感應(yīng)信號輸入至控制器，控制器輸出信號使電動門1的電磁鐵繼電器KA1和電機(jī)控制繼電器KA2得電，從而給門鎖電磁鐵YA和電機(jī)M供電，開始執(zhí)行解鎖和開門動作。4 s左右后，從閉門位運(yùn)行至開門位，在開門過程中蜂鳴器HA紅燈閃爍并發(fā)出蜂鳴聲。開門到位后，開門行程開關(guān)SQ1動作，控制器通過繼電器KA2切斷電機(jī)M的供電，而電機(jī)M通過其減速機(jī)構(gòu)將門頁鎖定在開門位置。

（2）當(dāng)人穿過電動門1進(jìn)入重聯(lián)區(qū)域（電動門1和電動門2之間的區(qū)域）后，B節(jié)車電動門2門后光電傳感器感應(yīng)到信號，2 s內(nèi)執(zhí)行開門動作。開門到位后，開門行程開關(guān)動作，門頁被鎖定在開門位置。

（3）當(dāng)人離開電動門1感應(yīng)區(qū)域10 s左右時(shí)，電動門1電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)開始執(zhí)行閉門動作。4 s左右后，電動門1閉門到位，在閉門過程中蜂鳴器HA紅燈閃爍并發(fā)出蜂鳴聲。閉門到位后，閉門行程開關(guān)SQ2動作，隨后電機(jī)電源被切斷，電機(jī)停止工作，門頁則被鎖定在閉門位置。

（4）當(dāng)人通過電動門2走向B節(jié)車機(jī)械間，在離開電動門2感應(yīng)區(qū)域10 s左右時(shí)，電動門2電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)開始執(zhí)行閉門動作。4 s左右后，電動門2閉門到位，閉門到位后門頁被鎖定在閉門位置。

2.2.2 手動模式

電動門有兩個(gè)從電動模式轉(zhuǎn)換到手動模式的轉(zhuǎn)換按鈕SB1和SB2，其中SB1安裝在電控箱底板上，SB2安裝在門后（重聯(lián)處）的車體門框上。按下電動門任意一個(gè)轉(zhuǎn)換按鈕，電動門從電動模式轉(zhuǎn)換到手動模式后可執(zhí)行手動操作。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

電動門門頁主要采用鋁合金5083-H111材料，材料的抗拉強(qiáng)度為275 MPa，屈服強(qiáng)度為125 MPa；電控箱主要采用碳鋼Q195和鋁合金5083-H111材料。以門頁為例，以下分別從靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及模態(tài)等方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

3.1 靜強(qiáng)度分析

考慮到載荷狀況比較平穩(wěn)，采用ANSYS靜態(tài)求解器，利用程序自動控制求解。在運(yùn)行過程中，考慮電動門主要承受自重、垂直向下重力加速度、運(yùn)行過程中的沖擊加速度以及正面能承受4 000 Pa壓強(qiáng)等載荷需求，根據(jù)《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》（EN 12663—2010）標(biāo)準(zhǔn)中第6.5.2節(jié)設(shè)備附件的驗(yàn)證載荷要求，結(jié)合表1的6種工況進(jìn)行計(jì)算，得出門頁最大等效應(yīng)力位于門頁骨架上（工況6），最大等效應(yīng)力值為49.373 MPa（見圖4），小于材料靜強(qiáng)度許用安全應(yīng)力108.690 MPa，滿足門頁的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表1 加速度載荷組合方式

3.2 疲勞強(qiáng)度分析

按照EN 12663—2010標(biāo)準(zhǔn)中第6.7.3節(jié)設(shè)備附件的要求，設(shè)備在3個(gè)方向的加速度載荷按8種組合工況進(jìn)行加載（縱向x取值±0.3g，橫向y取值±0.4g，垂向z取值1g±0.3g）。根據(jù)疲勞缺口式樣疲勞壽命S-N曲線分析可知[6]，預(yù)期壽命在107時(shí)對應(yīng)的疲勞許用應(yīng)力為200 MPa。門頁疲勞強(qiáng)度仿真最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在門頁骨架上，最大等效應(yīng)力值為48.928 MPa，門頁在對稱循環(huán)下的疲勞應(yīng)力為0.36 MPa，均小于材料的許用疲勞應(yīng)力200 MPa，滿足門頁結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.3 模態(tài)分析

根據(jù)《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗(yàn)》（IEC 61373—2010）對門頁進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算，第一階模態(tài)為114.71 Hz，遠(yuǎn)高于機(jī)車車體的固有振動頻率（一般小于20 Hz），因此門頁在車輛運(yùn)行環(huán)境激勵(lì)頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生共振。

4 型式試驗(yàn)

4.1 絕緣耐壓試驗(yàn)

按照《軌道交通 機(jī)車車輛電子裝置》（GB/T 25119—2010）進(jìn)行絕緣和耐壓試驗(yàn)。將電動門所有對外連接的帶電部件短接，用500 V兆歐表測量短接點(diǎn)對地的電阻，測量結(jié)果為42.1 MΩ，滿足技術(shù)規(guī)范不小于5 MΩ的要求。在短接點(diǎn)與接地點(diǎn)之間施加交流1 000 V/50 Hz交流電，試驗(yàn)時(shí)間為1 min。試驗(yàn)過程中，無閃爍、擊穿現(xiàn)象。試驗(yàn)后，電動門能正常工作，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

4.2 功能試驗(yàn)

4.2.1 自動啟閉試驗(yàn)

調(diào)節(jié)供電電源為直流110 V±0.5 V，用試驗(yàn)工裝模擬電動門在機(jī)車上的安裝方式，安裝好電動門，依次執(zhí)行門頁開關(guān)功能及按照2.2.1節(jié)電動模式進(jìn)行試驗(yàn)。重復(fù)測試5次，試驗(yàn)結(jié)果表明電動門響應(yīng)正確且與功能設(shè)計(jì)保持一致。

4.2.2 防夾試驗(yàn)

在門開、閉運(yùn)動過程中，在門頁與門框之間放置Φ50 mm的障礙物，直致門頁夾住障礙物。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)門頁夾住障礙物時(shí)，門頁停止當(dāng)前的動作，延時(shí)1 s后執(zhí)行與反向力相同方向的動作，直到門頁打開或關(guān)閉到位為止，且在4 s后恢復(fù)自動開閉功能。

4.2.3 手動、自動功能轉(zhuǎn)換試驗(yàn)

電動門接通電源，確認(rèn)電動門能正常工作后，按下手動、自動功能轉(zhuǎn)換按鈕，轉(zhuǎn)換按鈕上的電源指示燈熄滅，可以執(zhí)行手動操作，進(jìn)行開門和關(guān)門。

4.3 振動沖擊試驗(yàn)

按照《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗(yàn)》（GB/T 21563—2018）規(guī)定的I類A級進(jìn)行振動和沖擊試驗(yàn)。振動沖擊試驗(yàn)完成后檢查電動門，無機(jī)械損傷，且通電后能正常工作，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

電動門型式試驗(yàn)內(nèi)容還包括外觀質(zhì)量檢查、稱重、電源電壓波動試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)（開閉不低于50 000次）、交變濕熱試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)以及淋雨試驗(yàn)等。樣機(jī)型式試驗(yàn)的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范要求。

5 結(jié)語

基于設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真分析、型式試驗(yàn)及在段運(yùn)行試驗(yàn)評估，采用鋁合金板和鋁合金蜂窩在減輕重量、保證強(qiáng)度的同時(shí)，又可起到隔音降噪的作用。采用微波傳感器和光電傳感器構(gòu)成的感應(yīng)區(qū)域，通過控制器的邏輯控制指令，確保司乘人員能快速、安全通過重聯(lián)區(qū)域。該型電動門已經(jīng)安裝在HXD1型機(jī)車上運(yùn)行，手動、自動轉(zhuǎn)換模式及基于電機(jī)特性的控制閾值和光電傳感器實(shí)現(xiàn)雙重防夾功能設(shè)計(jì)等進(jìn)一步提高了電動門運(yùn)行的安全性和可靠性，同時(shí)符合機(jī)車部件向自動化、智能化發(fā)展趨勢，為后續(xù)在其他車型上應(yīng)用推廣打下基礎(chǔ)。