基于隧道動態風壓的軌道交通站臺門系統設計

摘 要：隧道動態活塞風壓是導致地鐵運營期間站臺門關門受阻的原因之一，鑒于此，從機械傳動系統及站臺門DCU軟件兩個方面展開具體分析，通過建立傳動系統結構模型，并進行受力驗算確定站臺門電機扭矩、功率選型。基于上述分析，提出站臺門動作受阻的解決措施，旨在促進地鐵線路的安全運營。

關鍵詞：隧道動態風壓;站臺門;DCU軟件

0? ? 引言

站臺門系統是與行車組織直接相關的車站設備，其直接影響列車準點率。目前站臺門系統一般根據環控專業提供的隧道最大壓力值進行站臺門結構強度設計，但隨著全國各地地鐵進入網絡化運營，客流不斷增加，行車密度不斷加大，受隧道動態活塞風壓的影響[1]，國內不少城市均出現了運營期間站臺門關門受阻、關門慢甚至無法關門的現象，直接影響了列車的正常運營。站臺門系統需要考慮開關門過程中受到隧道動態風壓的影響，這就對站臺門的系統設計提出了新的要求，有必要對基于動態風壓的站臺門系統設計進行分析，并提出解決方案。

1? ? 站臺門傳動系統阻力計算

造成站臺門無法正常關閉的主要原因是滑動門受活塞風壓影響造成關門阻力變大，控制系統無法驅動門體正常運動關門，所以首先對站臺門傳動系統阻力進行分析、計算。

1.1? ? 傳動系統結構模型

站臺門系統每道標準滑動門配置一套傳動裝置，傳動方式一般有絲杠螺母副和皮帶傳動兩種[2]，本文以國內最常用的皮帶傳動為例進行介紹。皮帶傳動系統主要由電機/減速機、皮帶、懸掛裝置、導軌、導靴、導槽等組成，一道滑動門由兩扇門體組成，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軌上運動，滑動門下部設置有導靴與門檻導槽，電機帶動皮帶運行，正常情況下，導靴處在導槽中間，兩邊留有間隙，兩者不接觸。電機由DCU進行智能控制，滑動門開門運動曲線包括啟動—勻加速—勻速—勻減速—停止等5個階段。

1.2? ? 傳動系統阻力計算

傳動系統阻力計算所用到的參數包括各傳動部件的摩擦系數、傳動比、傳動效率、皮帶輪直徑、門體重量/規格、皮帶張緊力等等。下面結合工程經驗，按國內常規站臺門的傳動系統參數代入計算，動態風壓最大值按±400 Pa考慮（實際工程以空調專業提資為準）。

1.2.1? ? 加速啟動時最大運行阻力計算

根據站臺門滑動門動作工況，其在開關門瞬間的運行阻力是最大的，此時電機須克服傳動系統各部件之間固有的摩擦阻力及啟動瞬間按一定加速度的驅動力總和。電機啟動時最大阻力按式（1）計算：

Fmax=Fm+FG? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，Fmax為電機啟動時需要克服的最大阻力（N）;Fm為電機啟動時需要克服的最大摩擦阻力（N）;FG為電機按一定加速度啟動時所需要的驅動力（N）。

（1）靜摩擦力Fm計算。

由于隧道活塞風壓載荷是均布載荷，根據門體結構，可假設風壓引起的門楣毛刷對門體的支撐力、導靴與門檻導槽、滾輪與導軌3組支撐力相同，滑動門開關門瞬間的摩擦運行阻力包括：

1）門扇重量引起的滾輪與導軌之間的滾動摩擦力F1=80.36 N;

2）風壓作用下引起的導輪與導軌側面發生接觸產生的滑動摩擦阻力F2=86 N（無風壓時，該值為0）;

3）風壓作用下導靴與導槽之間發生接觸形成的滑動摩擦阻力F3=114.67 N（無風壓時，該值為0）;

4）風壓作用下門楣毛刷對門體懸掛裝置接觸形成的滑動摩擦阻力F4=86 N（無風壓時，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）啟動加速瞬間所需要的驅動力FG。

電機啟動加速按式（2）計算：

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

式中，m為單趟門重量，取82 kg;a為開關最大加速度（根據開關門時間及動能要求，計算結果最大加速度為1.1 m/s2）。

則FG=180.4 N。

（3）開關門瞬間最大運行總阻力。

開關門瞬間電機需要克服的最大阻力為551.93 N。

1.2.2? ? 勻速運行阻力計算

站臺門勻速運行階段，不需要考慮加速度及張緊力，F勻速=

Fm-F5=367.03 N。

2? ? 站臺門電機扭矩、功率選型計算

根據傳動原理及相關公式，可計算出電機的啟動扭矩為1.38 Nm，電機的額定扭矩為0.92 Nm，電機的額定功率為194.75 W。

綜上所述，在400 Pa動態風壓作用下，按常規站臺門系統參數計算，站臺門電機選型的啟動扭矩不應小于1.38 Nm，額定扭矩不應小于0.92 Nm，電機額定功率不應小于194.75 W。

3? ? 站臺門DCU軟件設計

除了機械傳動系統對站臺門開關門有直接影響外，站臺門DCU軟件設計也是影響站臺門開關的另一個重要因素。站臺門每個門單元均設置DCU，用于控制每個滑動門單元的動作，安裝在門體上部的頂箱內，DCU本身就是一個控制單元，其安裝的軟件可實現對電機速度、電流、正反轉等的控制。

圖1是典型的站臺門關門速度曲線圖，從圖1可以看出，整個關門過程為加速—勻速—減速—勻速—減速，關門故障集中體現在低速勻速區，該區域DCU軟件設計主要取決于規范中的滑動門功能要求（不大于10 J及最后行程1 J）及阻止滑動門關閉的力不應大于150 N，該行程段是DCU軟件設計的重點及難點。

為確保阻止關門力滿足不大于150 N規范要求，站臺門系統DCU軟件須對電機的輸出力（限制電流）進行人為限制，目前各站臺門廠家一般通過軟件限制電機的輸入電流來實現。該電流限制閾值應滿足以下兩個條件：

（1）電機的設定輸出力（限制電流）F=滑動門傳動系統運行阻力F總+150 N（阻止關門力）;

（2）電機的設定電流閾值應小于電機額定電流。

條件（1）中，F總包括兩部分力，一部分是不考慮隧道活塞風壓等因素，傳動系統固有的運行阻力（計為F固）;另一部分為受隧道活塞風壓影響，造成的運行阻力（計為F風）。其中F固在機械傳動系統、產品定型后就是固定值，F風是隨機變化的，不同線路甚至同一線路的每個車站、每個門單位，每個時刻都是不同的，因此可擴展為：電機的設定輸出力（限制電流）F=F固+F風+150 N（阻止關門力）。

電機的設定輸出力（限制電流）既要滿足滑動門在勻速區段阻止關門力≤150 N要求，又要滿足在可能出現的最大隧道活塞風載情況下滑動門能正常關閉。DCU軟件設計可將電機的輸出力（限制電流）設置為F固+150 N（阻止關門力），則既可滿足規范要求，又可滿足動態風壓開關門的要求，但前提是需滿足最大風壓下造成的阻止力F風≤150 N。另外，從電機壽命角度考慮，DCU軟件設計電機的輸出力（限制電流）還應小于所選電機的額定電流。

4? ? 基于隧道動態風壓的站臺門解決方案

上述分析系統介紹了站臺門的傳動系統模型、運行阻力計算、電機功率、扭矩選型計算以及DCU軟件設計的要點，那么解決站臺門動態風壓問題，系統設計應重點關注以下內容：

（1）明確動態風壓設計輸入。動態風壓的大小直接影響站臺門的開關門，為應對動態風壓對屏蔽門開關門的影響，站臺門系統的設計輸入載荷應在原有疲勞風載（用于核算屏蔽門疲勞強度）和最大活塞風壓（用于核算屏蔽門強度、變形量）的基礎上增加動態風壓最大輸入值，用于核算站臺門開關門過程中的運行阻力，在各階段設計中由通風空調專業在專業提資中予以明確。

（2）合理選型電機參數。電機功率和扭矩的合理選型是保證站臺門受動態風壓影響時正常開關門的基本條件，如電機功率選擇過小，電機額定電流小于DCU軟件設計電流閾值，則無法保證電機壽命;亦或為保證電機壽命，把電流閾值調至電機額定電流，人為降低了電機輸出力，此時即使風壓引起的運行阻力小于150 N也不能滿足開關門要求。具體工程設計時，可根據每條地鐵線路站臺門傳動系統的相關技術參數，環控專業提供的動態風壓最大值，對電機功率及扭矩進行核算[3]。

（3）DCU軟件設計要求。正確設計DCU軟件也是確保站臺門正常開關門的基礎條件，如DCU設置的電機輸出力（限制電流）過小，甚至未考慮系統固有阻力，那么就容易造成受風壓影響出現關門故障的情況。正確的DCU軟件設計電機的輸出力（限制電流）應為F固+150 N（阻止關門力），其中系統固定阻力是一定要涵蓋在內的;另外軟件設計時，應在此基礎上上下浮動，形成若干條電流曲線，實際應用于工程時，可根據實際需要通過DCU軟件調整以選擇相應合適的電流曲線。

（4）減小傳動系統摩擦系數，弱化風載影響。解決站臺門開關門故障最直接的辦法是控制最大風載引起的系統運行阻力不大于150 N，辦法是降低傳動系統摩擦系數，如站臺門系統驅動裝置頂部導輪由原扁平型結構改為球形滾輪結構，底部導靴與導槽由原滑動摩擦改為滾輪摩擦方式，可大大減少風壓引起的運行阻力，可先進行理論計算，并在樣機上驗證。

（5）采用智能型DCU。要根本解決在高風壓情況下站臺門滑動門關門不利的問題，采用智能型DCU也是可行的辦法之一。智能型DCU能判別在滑動門無法關閉時障礙物的類型（乘客障礙物或風壓/風速），如是風壓/風速，系統可對電機輸出關門力進行智能動態調整，以確保滑動門正常按時、準確關閉，并且不影響乘客，確保安全性。

5? ? 結語

綜上所述，本文對站臺門受隧道活塞風壓影響造成開關門故障的問題進行了系統性分析，對站臺門傳動系統的結構模型、傳動系統計算、電機選型、軟件設計等方面進行了研究，并最終提出了基于隧道動態風壓的軌道交通站臺門系統設計方案及解決措施，希望本文的分析可為地鐵的安全運營提供可供參考的意見。

[參考文獻]

[1] 楊鑫澤.廣州地區地鐵車站隧道活塞風的應用研究[D].廣州：廣州大學，2019.

[2] 梁樹棟.軌道交通站臺門安全控制設計的分析[J].鐵路通信信號工程技術，2018，15（5）：58-61.

[3] 豆鵬亮.地鐵活塞風與新型屏蔽門環控系統的數值研究[D].上海：東華大學，2013.

收稿日期：2020-04-03

作者簡介：劉鑫美（1983—），男，福建龍巖人，工程師，從事地鐵站臺門、電扶梯、防淹門系統設計工作。