中國標準地鐵列車車門系統統型化研究

郭 蕾，付志亮，成志剛，張亮亮，毛開楠，李 斌，蔡昌亮

(1.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022； 2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035；3.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001； 4.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；5.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；6.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

隨著國內地鐵車輛產業的蓬勃發展，研制出適應中國地理環境和人口特點的標準化列車已成為我國軌道交通行業發展的必然需求。從2018年開始，我國的地鐵車輛市場容量已經超出境外總和，研制出高標準高質量的地鐵車輛也是我們加快推進“走出去”戰略的可靠保證[1]。車門系統作為地鐵車輛的重要子系統，關系著車輛的運行安全，在車輛實際運營時具有高頻率的開關動作，以滿足司乘人員上下車需求。為了適應中國標準地鐵列車的運用需求，本文以車門簡統統型為思路，以“安全可靠、接口標準、維護方便、經濟適用”為目標，對中國標準地鐵列車的車門統型方案進行分析研究。

1 國內地鐵車輛車門運用現狀

1.1 車門類型

目前國內地鐵車輛使用的客室車門以雙扇電動塞拉門和雙扇電動內藏門為主，部分線路采用外掛移門、外掛密閉門等。2000—2018年，國內地鐵車輛上采用的不同型式客室車門中，塞拉門占比呈現逐年上升的趨勢，內藏門占比呈下降趨勢，外掛門占比最小，也呈下降趨勢。另外經過調研統計，2013年至今，國內地鐵車輛客室電動塞拉門總占比約61%，電動內藏門總占比約34%，其他類型車門占比約4%。就車輛速度而言，80 km/h車輛采用塞拉門占比約55%，內藏門占比38%，外掛門占比7%；120 km/h車輛使用塞拉門占比98%以上。

司機室門主要有手動或電動塞拉門、手動內藏門、手動折頁門等型式。近5年來，手動塞拉門和手動內藏門占比共64%，手動折頁門占比25%，北京、深圳、成都、鄭州、天津等地開始采用電動塞拉司機室門，約占11%，且呈現上升趨勢。

1.2 車門系統制造及應用特點

我國現有多家地鐵車輛制造企業分別擁有不同的技術來源和特點，車輛斷面千差萬別，而車輛斷面是影響車門設計的主要因素之一，加之車門供應商也有多家，結構特點和運動原理各不相同，車門型式有塞拉、內藏、外掛等。上述因素綜合起來，導致現有車門種類達上百種之多，備品備件的種類和數量更是繁多，膠條斷面有十余種，門玻璃達三十余種。針對相同型式不同供應商的車門，其主要尺寸、性能參數、人機界面、維護接口也不統一。

地鐵車輛面向不同區域的用戶需求是多樣化、個性化的。車門系統不但要滿足不同線路的運用條件，保證車門性能正常、安全可靠，同時也要滿足業主使用習慣和個性化要求。

車門系統運用中故障率高是不可忽視的問題。據統計，某城市地鐵2009—2018年車輛故障中數量排名第一的為車門系統故障，占故障總數的40%左右，嚴重的車門故障會造成車輛清客下線等嚴重運營事故。當然這與車門本身較高的使用頻率有一定關系，但如果能從設計源頭上進行優化，減少零部件的種類，也可以在一定程度上減少故障的發生。隨著軌道車輛智能化趨勢深入發展，智能化的運維需求對車門安全性、可靠性、智能化水平提出了更高的要求，智能車門控制技術、車門安全等級提升是目前車門智能化的研究方向[2]。

2 車門系統的統型原則和目標

車門系統統型以“用戶需求、乘客需求和服務”為導向，按照“功能性能統一、電氣接口、機械接口統一”原則，采用自頂向下的設計思路，依據“模塊化、標準化、系列化、譜系化”，為滿足國內不同用戶的需求配置出“經濟”“舒適”等系列化菜單。結合現行標準要求和現有車門系統特點，經過統型后形成中國標準地鐵列車車門系統平臺和技術標準。統型后達到降低車門系統故障率，實現接口標準化、功能配置化、零件通用化、文件規范化，減少備品備件種類，降低車門制造和運維成本的目標。

3 車門系統統型化選型及配置

中國標準地鐵列車研制及試驗項目開展前期進行了廣泛調研，結合調研結果并通過對不同型式車門的性能及可靠性分析，確定標準地鐵車門系統的基本配置及可選配置型式。

3.1 性能及可靠性分析

3.1.1 密封性

典型塞拉門密封結構為門扇周邊膠條與密封框壓接、中縫護指膠條對接擠壓實現密封，如圖1所示。這種結構使門扇與車體壓緊形成相對完整的密閉環，并可以通過改變膠條型式或增加輔助拉緊的方式在車內外壓力突然改變時提升乘客的乘坐舒適性[3]。外掛密閉門的密封形式與塞拉門類似。

圖1 典型塞拉門密封結構

典型內藏門密封結構為上部密封毛刷與門扇搭接，門扇兩側邊緣膠條與車體搭接，中部護指膠條擠壓，下部門扇騎跨(或嵌入)導軌，如圖2所示。內藏門在開關時，門扇與密封件間(密封毛刷與門扇、門下部滑槽與導軌)是相對滑動的，如果追求密封性，必然會加大開關門過程中的滑動接觸阻力，導致開關動作不靈活。因此必須使門周邊留有足夠的活動間隙，故內藏門的密封性較差。

圖2 典型內藏門密封結構

中國標準地鐵項目包含80 km/h和120 km/h 2種速度等級，120 km/h速度等級的車輛對乘客乘坐舒適性的要求較高，因而對車輛密封性要求更高。內藏門的結構決定其密封性能較差，能夠滿足120 km/h速度等級密封性要求的客室側門只有塞拉門和外掛密閉門2種。外掛密閉門關閉后，其門扇、機構等位于車輛外部，使車輛運行阻力較大且會占用一定的車輛外部空間，考慮到車輛限界等因素，會使車輛內部空間相對變??；塞拉門關閉后，其門扇與車體外表面平齊，不占用車輛外部空間，車輛運行阻力較小且外形美觀。

3.1.2 隔聲性

通過既有車門運用經驗及相關試驗對比分析得出，內藏門在頻率范圍100 Hz～5.9 kHz內，其隔聲量(A計權聲壓級)至少為15 dB；在頻率范圍1～3 kHz 內，其隔聲量(A計權聲壓級)為20～25 dB。塞拉門在頻率范圍100 Hz～6.5 kHz內，其隔聲量(A計權聲壓級)至少為20 dB；在頻率范圍1～5.5 kHz內，其隔聲量(A計權聲壓級)為30～35 dB。相比內藏門而言，在頻率為2 kHz處，塞拉門的隔聲量要比內藏門的隔聲量大10 dB，且其隔聲頻帶范圍更寬[4]。在相同配置的門扇結構下，塞拉門的隔聲性能顯然更優。

3.1.3 可靠性

車門系統是關系車輛安全的重要部件，因此車門選型必須考慮車門系統的可靠性指標。結合前期調研及以往運用經驗，分析得出各種型式車門的可靠性參考數據。表1為客室門可靠性數據，表2為司機室門可靠性數據。

表1 客室門可靠性數據

表2 司機室門可靠性數據

由表1、表2可知，客室門中內藏門平均無故障時間高于塞拉門和外掛密閉門；司機室門中手動折頁門平均無故障時間最長，電動塞拉門次之。由于內藏門和手動折頁門的結構相對簡單，零部件較少，使得它們的運用可靠性較高。

3.2 選型配置

綜合上述分析結果，采用塞拉門作為120 km/h速度等級車輛客室側門標準配置。為了減少車門類型，實現同類型車輛車門整體互換的統型目標，對于80 km/h速度等級的車輛也采用塞拉門作為客室側門標準配置。由于內藏門具有結構簡單、故障率低、易維護等特點，對于80 km/h速度等級的車輛將內藏門作為選配方案。對于司機室車側門，考慮到手動門存在操作不便、故障率高等特點，因此采用電動塞拉門作為司機室側門的標準配置，手動折頁門作為選配方案(不設置緊急疏散門時)。

4 客室門系統統型方案

客室側門選型確定后，經過統型可形成4種客室側門產品平臺，分別為A型車客室塞拉門平臺(1 400 mm通過寬)、B型車客室塞拉門平臺(1 300 mm通過寬)、A型車客室內藏門平臺(1 400 mm通過寬)、B型車客室內藏門平臺(1 300 mm通過寬)。限于文章篇幅，本文僅就塞拉門平臺進行分析。

4.1 機械接口及部件簡統

4.1.1 車門布置

A型車每輛車每側設置5套客室側門，門間距為4 560 mm。車門編號定義：從車內2位端往1位端看，左側靠1位端依次為1、3、5、7、9，右側靠1位端依次為2、4、6、8、10。1號門和2號門門控器為主門控器，其余門控器為從門控器。車輛中部設置車外解鎖裝置，頭車1號門和2號門在車外設置電鑰匙裝置(僅全自動駕駛車輛)。

B型車每輛車每側設置4套客室側門，門間距為4 460 mm。車門編號定義：從車內2位端往1位端看，左側靠1位端依次為1、3、5、7，右側靠1位端依次為2、4、6、8。1號門和2號門門控器為主門控器，其余門控器為從門控器。頭車靠近司機室的客室側門在車外設置電鑰匙裝置(僅全自動駕駛車輛)。

4.1.2 機械接口

對于不同的車門供應商，在保留其各自門機構特點的基礎上，對主要部件的安裝接口進行統型。機構及門控器安裝均采用2個C形滑槽吊裝結構，如圖3所示。對門控器組件的布局、接地點的位置等做了簡統設計，達到機構及門控器安裝接口一致的目標。

圖3 機構安裝接口及安裝型式

4.1.3 操作維護接口和備品備件

為滿足操作維護接口的統一性，對門扇厚度及外形尺寸、門扇扣手、下滑道、隔離鎖等位置，門扇膠條接口，門玻璃尺寸及接口均進行簡統設計。簡統后的塞拉門和內藏門外觀如圖4、圖5所示。

圖4 塞拉門圖示

圖5 內藏門圖示

為了提升120 km/h速度等級車輛的密封性能，針對應用在120 km/h速度等級車輛的塞拉門下部設置下擋銷結構，門扇下部位置增設2個平衡輪裝置，中縫護指膠條采用非對稱式結構，如圖6(a)所示。80 km/h速度等級車輛可根據編組及線路情況選擇是否設置下擋銷，中縫護指膠條采用對稱結構，如圖6(b)所示。若地鐵線路環境良好，120 km/h速度等級車輛也可選擇采用對稱式中縫護指膠條。經過試驗驗證，在相同條件下，相較于對稱式膠條,非對稱式膠條最大充壓壓力可提升約200 Pa。

圖6 對稱式和非對稱式中縫護指膠條

無論從整個門系統還是最小可更換單元，從制造到運維，提高零部件互換性也是不同制造商公平有序競爭的前提。為了便于運營商對備品備件的管理、便于制造商規?；a、降低成本、提升質量，必須對備品備件進行簡統設計。經過統型，車內緊急解鎖由現存幾十種變為3種，車外緊急解鎖簡統成1種，隔離開關簡統成1種，電鑰匙簡統成1種。對需要經常更換的易損易耗件如膠條、緩沖頭、門玻璃、坦克鏈、指示燈、潤滑油脂等均簡統成1種，極大減少了備品備件的種類。經過簡統后，40%以上的備品備件實現了通用性，電氣件可互換，機械件完全一致。

4.2 電氣接口及功能簡統

對車門進行電氣接口統型，硬線端子采用籠式端子，本地維護端口采用USB+以太網，網絡拓撲結構采用2(主門控)+N[B型車為6，A型車為8](從門控)以太網結構。根據車輛需求，主門控可采用全以太網或者MVB+以太網與車輛網絡連接，從門控之間采用以太網連接。MVB接口均采用Sub-DB9的連接器，以太網接口均采用M12D碼接口連接器。明確車門端子排點位所對應的信號說明及連接的設備，門控器地址編碼采用在端子排上接線的方式實現。

對車門功能進行簡統，在滿足GB/T 30489—2014《城市軌道車輛客室側門》[5]及EN 14752：2015《鐵路應用 鐵道車輛車體側門系統》標準[6]的基礎上梳理現有車輛車門主要功能，形成包含集控開關門、障礙檢測、故障隔離、故障指示診斷記錄、零速保護等22項車門功能。其中車門緊急解鎖功能提供3種可選配置，根據用戶需求進行設置：車內緊急解鎖裝置手動復位，手動復位時車門自動關閉；車內緊急解鎖裝置自動復位，自動復位時車門不動作；帶有3個位置的緊急解鎖裝置，3個位置分別為正常位、緊急請求位、解鎖位。

開關門聲光警示功能設置2種可選配置，分別為單獨設置指示燈、在動態地圖上集成“橙色/紅色”指示燈。健康診斷功能是可選配置，根據整車是否具備智能運維系統來選擇。

車門的隔音隔熱性能均在標準基礎上有所提升，車門的防火滿足EN 45545：2015標準[7]及BS 6853：1999標準[8]要求。

4.3 可靠性提升

對部件、備件進行統型設計后可以有效降低車門系統故障率，在設計制造組裝運用中還可以通過以下措施來提升車門系統的可靠性：

(1) 梳理典型問題故障清單并形成管理臺賬。

(2) 制定通用技術條件管控。

(3) 通過統型技術文件管控。對通用技術條件未能識別的問題，通過統型文件進行管控。

(4) 強化關鍵尺寸及組裝工藝管控。

(5) 對于全自動無人駕駛車輛車門設計應重點關注安全等級，在正常和異常場景下車門的檢測與處置邏輯[9]。

4.4 計算仿真和試驗驗證

為驗證車門簡統設計方案的可行性，為設計提供理論支撐，車門統型過程中需要進行一系列仿真計算研究，包括門扇及關鍵部件強度計算、門扇隔聲計算等，并根據計算結果及時調整優化設計方案。在車門樣件試制后，也要進行功能試驗、隔聲隔熱試驗、淋雨試驗、強度試驗、沖擊振動試驗、壽命試驗、門控器相關試驗等一系列試驗，以驗證產品是否滿足設計需求。

4.5 車門智能運維

為順應軌道車輛智能化發展的趨勢，促使檢修模式從“預防性維修“向“預見性維修”轉變，實現車門全壽命周期成本的大幅降低[10]，地鐵運營公司和車輛制造商紛紛開展智能運維研究。得益于車門運行數據采集、傳輸、分析診斷，使得實現車門故障預測和健康管理成為可能。該系統通過提前對車門系統的健康狀態進行診斷預警，并指導維修人員提前進行相應維修，可以極大地提高地鐵車門系統運行可靠性，減少車門故障，提高運營維護水平，降低運營維護成本，改善地鐵運營秩序[11]。目前車門系統可以實現的智能運維功能包括：

(1) 車門狀態的遠程實時監測。包括列車運行狀態信息、關鍵監測參數的實時監測功能。

(2) 車門的故障診斷。自動采集車門各種運行參數信息(包含門控器的故障代碼)，發送給地面診斷系統(典型故障規則知識庫)，判斷當前的車門是否產生故障并給出故障原因和檢修方案。

(3) 車門的亞健康狀態分析。將采集到的車門各種運行參數與車門的歷史數據進行對比分析，判斷車門是否工作于亞健康狀態，并給出未來可能出現的故障和檢修范圍。

目前車門數據的采集、診斷方法、運維決策還存在一定局限性，未來還需要結合新方法、新技術在系統壽命預測及數據深度挖掘方面進行更深入的研究。

5 結束語

中國標準地鐵列車的研制完成對我國地鐵車輛實現裝備自主、技術創新、綠色發展具有重大推動意義。車門系統統型化研究作為中國標準地鐵列車研制中的重要一環，搭建了中國標準地鐵車門系統的技術平臺和技術標準，有效整合了各項資源，實現了車門標準化、譜系化，減少了關鍵零部件和備品備件數量種類，降低了車門系統故障率、車門設計制造和運維成本等一系列目標，表明我國的軌道交通車輛裝備正日趨完善和人性化，今后可以在節能降耗、深度智能運維方面進行進一步探索研究，為軌道交通裝備行業高質量發展、開創“十四五”發展新局面做出貢獻。