地鐵出入口防淹門設計

李虎，張康，劉浩，楊傳良

（1.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南250000；2.青島泰科軌道車輛科技有限公司，山東 青島266000）

地鐵是現代化城市交通系統的重要組成部分。我國南方大部分地區及北方小部分地區的夏季氣候受熱帶和亞熱帶氣團控制，降水集中且發生時間較短，往往在4～5 h內產生洪峰，留予地鐵防洪準備的時間少，導致地鐵站出現水淹危害。地鐵防洪作為確保地鐵安全運營的措施，應作為地鐵設計、建設、運營管理的重點之一[1-4]。地鐵出入口是車站防淹的重點和難點，在運營階段雖然有天氣預警，但為了方便乘客，往往不能提前封堵車站的出入口，險情來臨之際，出入口的封堵量比較大、封堵措施便捷度不高，極易造成水淹出入口。地鐵出入口防淹門是防止地鐵站水淹的有效措施。該系統由機械系統和控制系統兩部分組成，在不影響地鐵出入口美觀的同時兼具可靠度高、反應速度快、成本低廉、操作簡單、安裝檢修方便等優點。目前，在我國上海、廣州、武漢等城市的地鐵工程中，設置防淹門系統的應用實例較多[3]。

1 地鐵出入口防淹門設計

1.1 機械系統設計

防淹門機械部分主要由閘門、液壓啟閉設備、鎖定裝置及密封系統等部件組成。

常見防淹門的閘門結構形式可分為平開式和垂直式兩種[5-6]。平開式閘門分為一扇門（一字門）和兩扇門（人字門）兩種結構，閘門啟閉采用液壓傳動系統或螺桿傳動繞門軸旋轉的形式，其優點是結構簡單、不受地鐵站臺高度限制，缺點是工程造價高、門體重、密封性差。垂直式閘門（又叫升降式閘門）門體為單扇，采用液壓傳動系統控制門體升降，其優點是結構較簡單可靠、工程造價低、密封性好，缺點是閘門上方需要較大空間。

基于防淹門成本及密封性能等需求，并為了解決垂直式防淹門對空間的適應性問題，本文設計了一種地鐵出入口垂直式防淹門，其機械系統如圖1所示。由圖1知，該防淹門基體置于地面以下，避免了傳統防淹門占用地鐵站臺上部空間的問題。閘門外殼結構采用SUS304不銹鋼，內部框架結構采用Q235鋼，Q235鋼框架表面進行磷化鍍鋅處理，防止液體銹蝕。閘門與防淹門地面設施之間采用密封膠條密封，防止防淹門門框內部滲水。

圖1 防淹門機械系統

液壓啟閉裝置具有具有反應快、功率重量比小、精度高、抗干擾能力強等特點[7]。液壓啟閉設備為液壓油缸、電機、活塞桿、電磁閥及電控元件組成的電液私服系統，該系統電機額定功率為2.2 kW，液壓泵系統流量13 L/min，額定壓力80 bar。電機輸出機械能通過液壓泵轉化成液壓油的壓力能，液壓油經過液壓管道、液壓閥進入液壓缸，通過液壓缸活塞桿的伸縮驅動閘門啟閉、鎖定、松開等動作。防淹門液壓啟閉系統配置了三個液壓油缸，升降油缸作用于活塞桿上的力可控制閘門在閘門導軌范圍內運動，兩個鎖緊油缸分別控制防淹門的橫向和縱向鎖緊及松開動作。

1.2 控制系統設計

防淹門控制系統由水位監視系統、主控制箱、控制手柄、觸摸屏、可編程控制器（PLC）以及傳感器等元件組成。PLC是防淹門動作控制的核心技術，該技術以其可靠性、靈活性在工業控制領域得到了越來越廣泛的應用[8]。

地鐵防淹門的監視系統負責地鐵出入口水淹險情的預警工作，該系統由中央監視系統、站臺控制室和地鐵出入口現場三級監視系統組成。地鐵中央監視系統、站臺控制室與地鐵站出入口的水位探測器相連，水位探測器發現地鐵出入口存在進水風險時，將信號同時傳輸至三級監視系統的報警裝置，實現中央、車站和現場對地鐵水淹風險的同步監視，如圖2所示。中央監視系統、站臺控制室可實時顯示水位、門體狀態（啟門、閉門）等信息，并監測防淹門系統的運行狀況。

圖2 防淹門監視系統組成

防淹門設置站臺控制室和地鐵出入口現場二級控制系統，地鐵站臺控制室和地鐵出入口均可實現防淹門啟閉控制。防淹門控制系統如圖3所示，可知，當地鐵出入口存在水淹風險時，站臺控制中心可通過觸摸屏直接向防淹門主控制箱內的PLC發送啟閉信號，實現防淹門的啟閉功能。地鐵出入口現場可通過控制手柄啟閉防淹門。

圖3 防淹門控制系統結構框圖

主控制箱發出上升信號時，油泵鎖緊油缸卸載，升降油缸啟動，升降閥組控制閘門上升，位移傳感器檢測閘門的位置，閘門上升到設定位置后停止上升。主控制箱發出鎖緊信號時，油泵鎖緊油缸啟動，橫向壓緊閥組、豎向壓緊閥組執行壓緊動作，壓緊力傳感器到達預設壓緊力時，油泵鎖緊油缸關閉，防淹門系統上升動作完成。反之，主控制箱收到下降信號時，液壓啟閉系統控制閘門松開及下降，下降到設定位置后鎖定閘門，完成防淹門下降動作。此外，防淹門系統設置了極限位置傳感器，位置傳感器置于防淹門閘門導軌內部，可根據實際需要固定位置傳感器的位置，當位置傳感器探測到閘門處于極限位置時，限位報警裝置啟動。

控制手柄和觸摸屏的功能基本相似，均可以實現防淹門的升降及鎖定控制。區別是控制手柄有自動、手動兩種模式，兩種模式通過轉換旋鈕切換，而觸摸屏僅能實現自動控制。控制手柄的手動模式僅用于防淹門PLC控制系統單體調試過程。防淹門使用過程中，控制手柄、觸摸屏處于自動模式，需要開啟或關閉防淹門時，直接點擊上升或下降開關，防淹門實現自動啟閉。控制手柄設有緊急制動開關，觸摸屏設有緊急制動按鈕，緊急狀態下可隨時停止防淹門的任意動作。

防淹門安裝時，預先對PLC控制系統進行編程，編程內容包括防淹門的急停、上升、下降、鎖定、限位等程序。防淹門PLC控制系統主要包括單體調試和綜合聯調兩種工作模式，單體調試時需使用控制手柄的手動模式，綜合聯調可通過控制手柄或觸摸屏的自動模式完成。單體調試模式主要用于檢修和調試，綜合聯調模式是在系統平時運行時使用。PLC的工作原理的程序框圖如圖4所示。

圖4 防淹門PLC原理程序框圖

單體調試時，通過控制手柄切換至手動模式。控制手柄控制液壓油泵的啟動、停止動作，此時地鐵站臺控制室防淹門控制系統觸摸屏處于鎖定狀態。防淹門升降單體調試過程為：控制手柄發出上升信號，液壓升降油缸驅動閘門上升，到達預定位置后停止，反之，控制手柄發出下降信號，液壓系統卸載，到達預定位置后停止。防淹門系統中閘門的橫向及縱向鎖緊單體調試原理相同，防淹門鎖緊單體調試過程為：控制手柄發出鎖緊壓緊信號，液壓系統驅動鎖定裝置，到達設定壓力后停止，反之，控制手柄發出鎖緊松開信號，液壓系統卸載，到達設定壓力后停止。

綜合聯調時，通過控制手柄切換至自動模式。控制手柄或者觸摸屏點擊上升按鈕，PLC控制程序檢測橫向鎖緊和豎向鎖緊是否松開到位，如果松到位則執行閘門上升動作，如果鎖緊裝置未松開，先將鎖緊裝置松開到位，再執行閘門上升動作。閘門上升過程中松開控制手柄按鈕或到達閘門上限位置，系統自動停止執行閘門上升動作，啟動橫向鎖緊和豎向鎖緊，到達壓力設定值后鎖緊停止。控制手柄或觸摸屏點擊下降按鈕，PLC控制程序檢測橫向鎖緊和豎向鎖緊是否松開到位，如果松開到位則執行閘門下降動作，如果鎖緊裝置未松開，先將鎖緊裝置松開到位，再執行閘門下降動作，閘門下降高度滿足鎖緊條件時，啟動橫向鎖緊和豎向鎖緊，到達壓力設定值后鎖緊停止。

2 仿真試驗

根據防淹門的機械系統設計，閘門外殼結構采用SUS304不銹鋼，內部框架結構采用Q235鋼，外殼結構厚度及強度遠低于內部框架結構，實際應用過程中，閘門外殼失效則防淹門系統破壞，因此，仿真計算時，簡化仿真對象為SUS304不銹鋼材質。對防淹門模型的結構強度進行有限元分析，主要分析在靜態水壓工況和動態水壓工況下防淹門結構靜強度是否滿足要求。

2.1 有限元模型

針對防淹門設計的幾何模型進行有限元分析，如圖5所示。

SUS304不銹鋼材料的力學性能如表1所示。由材料密度及體積求得防淹門總質量為1288 kg，通過底部與兩側的8個凸臺固定。有限元模型按圖5（a）所示坐標系設定方向：X、Z為軸平行于防淹門的迎水面；Y為軸垂直于防淹門的迎水面。

表1 有限元分析采用的SUS304材料屬性

2.2 仿真過程

前處理軟件、求解器和后處理軟件分別為HYPERMESH、OPTISTRUCT及HYPERVIEW。為便于有限元分析，對原模型進行了適當簡化。有限元模型采用二維殼單元，主體結構的單元平均尺寸為10 mm。假設防淹門材料均勻一致、線彈性不變，不考慮溫度影響。

采用HYPERMESH對防淹門結構進行網格劃分，主要采用殼單元模擬主體板殼結構，整個模型包括225628個單元、228884個節點。詳細有限元結構的網格劃分如圖5（b）所示，模型中的焊接結構采用剛性單元模擬連接。根據防淹門運行過程中的實際情況約束防淹門安裝處的所有自由度，如圖5（c）所示。

圖5 防淹門仿真計算過程

根據設計要求，計算兩種靜強度載荷工況。工況1是靜態水壓工況，水深1 m、寬6 m。工況2是水流速為4 m/s的動態水壓工況，根據伯努力原理計算出迎水面承載8 kPa的水壓。具體如表2所示。

通過有限元分析得到各工況下產品結構的應力分布，防淹門結構中使用的均為塑性材料，本次有限元結構分析中，防淹門的安全系數為2，則材料的許用應力如表3所示。

表3 SUS304材料許用強度

選取第四強度理論進行評估，有：

式中：σequivalent為等效應力（von Mises stress），MPa；iσ為三個方向的主應力，MPa。

根據結構中所使用材料的屈服強度，得：

式中：UF為結構的強度利用系數；σallowable為材料許用強度，MPa。

2.3 仿真計算結果

根據母材靜強度評估準則對防淹門結構的靜強度進行評估，要求UF≤1.0。

由表4、圖6、圖7可以看出，兩種工況下，SUS304材料的最大靜強度利用系數都小于標準規定的1.0，滿足結構靜強度的要求。

圖6 工況1下SUS304防淹門仿真計算云圖

圖7 工況2下SUS304防淹門仿真計算云圖

表4 SUS304防淹門靜強度工況下母材強度結果匯總表

3 防淹門試驗

防淹門系統必須通過單體調試和綜合聯調以驗證其控制功能、監控功能的實現和整個系統的穩定性[9-10]。為了驗證地鐵出入口防淹門的制造質量和技術性能是否符合設計要求，設計了防淹門動作順序試驗和防淹門密封試驗。

3.1 動作順序試驗

根據操作流程，對防淹門動作進行測試，如圖8所示。測試內容包括：升降動作，即防淹門是否能夠在規定時間內完成升降動作，往復測試10次以上，動作完成正常，無異常報警；鎖緊動作，門體升降過程中，在任意位置停車后，門體自動鎖緊，負載測試無松動。試驗結果表明：此項目設計的防淹門啟閉裝置動作靈敏、無噪聲、無卡頓，重復啟閉穩定性優良。

圖8 防淹門動作順序試驗

3.2 密封試驗

為檢驗防淹門的防水性能，展開密封試驗。將防淹門升起后鎖緊，蓄水槽加注水800 mm后，進行靜載水密試驗，檢測防淹門泄漏情況，如圖9所示。試驗結果表明，此項目設計的防淹門在設計水頭壓力下，保壓30 min，漏水量小于0.25 m/min。蓄水槽加水后，進行24 h密封試驗，在未考慮水體自然蒸發的情況下，24 h水位下降不超過10 mm，泄漏量小于0.011 m3/h。因此，所設計的地鐵防淹門密封性能良好，可以有效避免地鐵水淹風險。

圖9 防淹門密封試驗現場

4 結論

（1）設計了地鐵出入口垂直式防淹門，該防淹門主要由機械系統和控制系統組成。防淹門機械系統由閘門、液壓啟閉設備、鎖定裝置及密封系統構成，控制系統由水位監視系統、主控制箱、控制手柄、觸摸屏、PLC以及傳感器等元件組成。

（2）對地鐵防淹門模型的結構強度進行有限元分析，分析結果表明防淹門在靜態水壓工況和動態水壓工況下的結構最大靜強度利用系數小于標準規定值，強度滿足設計需求。

（3）試驗驗證地鐵出入口防淹門的機械性能可靠，密封性能優良，符合設計要求，可以有效避免地鐵水淹風險。