基于調速性能仿真的地鐵隧道防淹門啟閉裝置設計優化

尚文濤 盧屹東 邢善鵬 王淑敬

(中國建筑標準設計研究院有限公司，100048,北京//第一作者,工程師)

隨著我國城市軌道交通技術的迅速發展，地鐵隧道下穿河流、湖泊的規劃設計屢見不鮮?？紤]到城市軌道交通兼顧人防及地下隧道防水災的特殊要求，具備防淹、抗毀、密閉三重功能的防淹機械設備，可以迅速消減突發水患對隧道及地下車站的災難損失。因此,防淹門的設計在城市軌道交通工程的建設中發揮了重要作用。落閘式防淹門快速下降時，鋼絲繩對卷筒的負載力矩由轉動阻力矩變為卷筒提供動力的超越負載力矩，在實際應用中既要滿足快速落閘的需求，又不會對軌道產生沖擊破壞。因此,對落閘式防淹門啟閉裝置的調速性能研究顯得尤為重要。文獻[1]通過試驗結果繪制了調速器的調速特性曲線，分析表明調速器的工作穩定性與調速率的關系隨著轉速變化而不同；文獻[2]研究了機械離心式轉速敏感元件的遲滯特性，結果表明摩擦力和彈簧剛度差是影響遲滯性的重要因素；文獻[3]建立了單軌吊機車離心釋放器的動力學模型，分析了不同初始角位移對滑動軸伸出位移的影響。

本文提出了地鐵隧道落閘式防淹門啟閉裝置的優化結構，耦合建立了調速器的重力加速模型、離心力模型及摩擦力矩制動模型，對防淹門的快速落閘調速性能進行了仿真，為調速器的參數化設計提供了理論依據和研究方法。

1 落閘式防淹門啟閉裝置的優化設計

地鐵隧道落閘式防淹門依靠啟閉裝置可實現閘門體的升降。既有工程中防淹門的啟閉裝置一般分為卷揚式和電動葫蘆式兩類。電動葫蘆式啟閉裝置安裝在頂板上，閘門開啟時需要滿足車輛運營的限界要求，受起升極限位置制約，設備機房凈空要求較高；緊急狀態時手動關閉較為困難，維護成本亦較高；兩臺電機驅動的中間傳動軸較長，設備容易振動且對傳動軸的疲勞壽命要求嚴格。卷揚式啟閉裝置可以節省機房凈高，設計采用單電機集中驅動，有利于解決雙吊點同步振動、維修不便等問題，在隧道空間內安裝更為實用。

目前，卷揚式啟閉機大多選用QPQ型的標準設備，設備布置相對復雜但不緊湊，同時在起重質量較大的閘門時，啟閉速度較低，往往難以滿足孔口高度較大的閘門快速閉門的時間要求。SL 41—2011《水利水電工程啟閉機設計規范》明確規定了閘門快速關閉孔口時接近底部門檻的速度不大于5 m/min，同時該規范要求電動開門時間和關門時間均不應大于1.5 min[4]。因此，需要加裝調速器作為限速裝置，并采用非標設計的卷揚機結構進行優化，最終本文采用雙吊點卷揚式、雙聯動滑輪組、單層纏繞雙卷筒和開式齒輪傳動的組合結構型式[5]，如圖1所示。卷揚式啟閉機在地鐵車站內的布置方案如圖2所示。優化后的方案幾乎不增加設備造價，占據空間較小，大幅降低了土建成本、設備安裝和維護保養費用，且具有調速功能的防淹門關閉時對地鐵軌道和道床起到一定的緩沖保護。優化后的防淹門啟閉裝置具有節約投資和安全可靠的特點，在今后的地鐵工程中應用將更為廣泛，所帶來的經濟效益和社會效益更加突出。

注:1——左卷筒；2——調速器；3——齒輪箱；4——制動輪；5——制動器；6——電動機；7——手搖裝置；8——鏈輪;9——鏈條；10——右卷筒；11——左小齒輪；12——聯軸器；13——同步軸；14——右小齒輪；15——機架

b) 右視圖

2 快速落閘調速性能分析

圖3為LT-200型雙錐形機械離心式調速器示意圖。當防淹門執行關閉指令時，通過直流電源打開制動器抱閘，閘門門體在重力作用下，克服啟閉機的阻力加速下落。當轉軸的速度達到離心式調速器的初始速度時，配重片的離心力克服彈簧的阻力，在角形杠桿的作用下帶動裝有導向鍵的滑動軸平移，與滑動軸相連的摩擦盤與固定支座上的錐形制動盤通過摩擦力矩來降低軸的轉速，當摩擦力矩與轉動力矩平衡時實現限速。

2.1 機械離心式調速器的數學模型

圖4為角形杠桿受力分析圖。圖4中，假設配重片的質心位于點A，忽略銷軸處的摩擦力,此時沿軸線方向的水平拉(壓)力Fz為：

注：1——轉動軸；2——左摩擦盤；3——錐形制動盤；4——右摩擦盤；5——角形杠桿；6——調節彈簧；7——配重片；8——鎖緊螺母

(1)

式中：

Z——角形杠桿的數量；

m——配重片在質心A處的質量；

n——杠桿的轉速；

θ——杠桿的旋轉角度,θ≈180y/πb，y為軸向位移；

a，b——角形杠桿的力臂長度；

α，β——初始力臂與轉軸法線的夾角；

R——角形杠桿的旋轉半徑。

雙錐形制動盤摩擦面結合所需的軸向壓力Fz與摩擦力矩Tc之間的計算關系如下[6]：

(2)

式中：

γ——錐面傾斜角；

μ——摩擦系數，μ=tanγ；

Ds——摩擦面的平均直徑。

注：F1為配重片在質心A處所受的作用力

2.2 機械離心式調速器的仿真模型

通過AMESim仿真平臺建立防淹門啟閉裝置的離心力模型、閘門重力加速模型及制動摩擦力矩模型，如圖5所示。主要設計參數如下：a=85 mm，b=42.5 mm，R=74 mm，Ds=185 mm，α=91.5°，β=0°，γ=23°，m=1.3 kg，K(調節彈簧的剛度)=1.5×105N/m。

圖5 機械離心式調速器計算模型

2.3 仿真結果分析

從閘門降落速度和位移曲線(見圖6)可知，閘門下降過程大致可分為3個階段：

(1)在0～0.03 s內,閘門自由下落。

(2)受錐形摩擦盤的阻尼作用，下落加速度階躍性減小，最后摩擦力矩與轉動力矩相互制衡，下降速度波動幅度逐漸變小。

(3)當閘門降落時間為0.3 s時，下落速度逐漸穩定在0.08 m/s；閘門在5 s內降落位移達到0.033 m，整個下落動作用時約63.3 s(以FYM-J3845型防淹門、閘門降落總高度為4.7 m計算)，滿足規范要求；卷筒轉速變化趨勢與閘門降落趨勢一致，最終穩定在3.85 r/min。

圖6 閘門降落速度和位移變化曲線

圖7為K對閘門平衡速度的影響曲線。由圖7可知,當增大K時，閘門開始達到平衡速度的時間會縮短，但由初始狀態進入平衡速度時的波動較大，平衡速度略有增加。相反地，當減小K時，閘門會延長平衡時間，由初始狀態進入平衡速度時的波動變小，最終的平衡速度會略有減小。

圖7 K對閘門平衡速度的影響曲線

由此可見，當K增大時，角形杠桿克服彈簧阻力實現軸向平移的軸向壓力會增大，此時需要較大的離心力來維持平衡;同時,在達到平衡狀態時,卷筒的轉速會提高，閘門下降的平衡速度隨之增大。

圖8模擬了調速器不同配重片質量對軸向位移的影響曲線。由圖8可知，閘門開始下降時軸向位移線性急劇增大，此時配重片的質量對力矩平衡時的軸向位移影響不大，但離合摩擦階段達到平衡狀態的時間差別較大。具體表現為：配重片質量越小，相應地在離合摩擦階段的軸向位移變化幅度亦較小，因此達到平衡狀態的時間越短。

3 結論

(1) 對卷揚式啟閉機優化為雙聯動滑輪組、單層纏繞雙卷筒、單電機同步集中驅動、開式齒輪傳動的組合結構型式。應用該啟閉裝置的落閘式防淹門可以較好地滿足地鐵隧道區間防淹的工程需求。

(2) 加裝機械離心式調速器可以平衡防淹門落

圖8 調速器不同配重片質量對軸向位移的影響曲線

閘產生的超越負載力矩，有效地解決防淹門快速落閘的時間限制和速度問題。耦合建立的調速器重力加速模型、離心力模型及摩擦力矩模型仿真為調速器的參數化設計提供了理論依據和研究方法。

(3) 調速器的仿真研究表明,K對平衡速度和平衡時間影響較大，當增大K時，閘門達到平衡的速度會增大，平衡時間會縮短；配重片的質量對軸向位移影響不大，但影響摩擦力矩與轉動力矩達到平衡的時間，配重片質量越小，達到平衡狀態的時間越短。