一種采用組合曲線減震降噪的電磁鎖的研制

時振濤，郝偉，劉強，劉藝磊，王龍

（北京市地鐵運營有限公司 機電分公司，北京 100043）

0 引言

我國在20世紀80年代將站臺屏蔽門系統引入并應用于地鐵、輕軌等軌道交通系統，屏蔽門將站臺和列車運行區域隔開,通過控制系統控制其自動開啟，電磁鎖是地鐵屏蔽門滑動門的核心部件，電磁鎖的安全性尤為重要。目前在地鐵屏蔽門滑動門上應用的電磁鎖普遍噪聲大且振感明顯，存在著安全隱患，需要研制一種振感小且噪聲低的電磁鎖來提高電磁鎖的安全性能。

1 結構組成

圖1為解鎖狀態下的電磁鎖軸測圖。

圖1 解鎖狀態下的電磁鎖軸測圖

如圖1所示，電磁鎖，包括座板、圓柱電磁鐵、圓柱形銜鐵、螺釘、左限位開關支架、右限位開關支架、左限位開關、右限位開關、起落板、左卡柱、右卡柱、左下軸套、右下軸套、左上軸套、右上軸套、左下旋轉板、右下旋轉板、左下轉軸、右下轉軸、左上旋轉板、右上旋轉板、左上旋轉軸、右上旋轉軸、左下齒輪、右下齒輪、左上齒輪、右上齒輪、左下定標柱、右下定標柱、左長孔和右長孔。圓柱電磁鐵固定安裝在座板上，圓柱形銜鐵安裝在圓柱電磁鐵內，圓柱形銜鐵可以沿著圓柱電磁鐵的中心線上、下運動。圓柱形銜鐵和起落板通過螺釘連接在一起，圓柱形銜鐵可以帶著起落板上、下運動。左限位開關支架固定在座板上部位置的左側，右限位開關支架固定在座板上部位置的右側，左限位開關固定在左限位開關支架上，右限位開關固定在右限位開關支架上。左卡柱和右卡柱固定在起落板上；左下軸套、右下軸套、左上軸套和右上軸套固定在座板上。左下轉軸穿入左下軸套內，左下轉軸可以在左下軸套內轉動，左下旋轉板和左下齒輪固定在左下轉軸上，左下旋轉板和左下齒輪隨著左下轉軸的轉動同步旋轉；右下轉軸穿入右下軸套內，右下轉軸可以在右下軸套內轉動，右下旋轉板和右下齒輪固定在右下轉軸上，右下旋轉板和右下齒輪隨著右下轉軸的轉動同步旋轉；左上轉軸穿入左上軸套內，左上轉軸可以在左上軸套內轉動，左上旋轉板和左上齒輪固定在左上轉軸上，左上旋轉板和左上齒輪隨著左上轉軸的轉動同步旋轉；右上轉軸穿入右上軸套內，右上轉軸可以在右上軸套內轉動，右上旋轉板和右上齒輪固定在右上轉軸上，右上旋轉板和右上齒輪隨著右上轉軸的轉動同步旋轉。左下定標柱和右下定標柱固定在座板上。起落板的下端的左側設置長孔，起落板的下端的右側設置長孔，左下定標柱穿入長孔，右下定標柱穿入長孔。

圖2為鎖閉狀態下的電磁鎖軸測圖，圖3為重要零部件示意圖。

圖2 鎖閉狀態下的電磁鎖軸測圖

左下旋轉板從上到下依次設置有左鎖止面、左撐持弧、左定標面、左碰撞面和左下鎖槽；右下旋轉板從上到下依次設置有右鎖止面、右撐持弧、右定標面、右碰撞面和右下鎖槽；左上旋轉板設置有左上鎖槽；右上旋轉板設置有右上鎖槽；在起落板上部的左側設置有左上滑道，在起落板上部的右側設置有右上滑道[1]。

2 工作原理

電磁鎖的開門及關門動作如下所述。

1）當準備關門時[2]，左屏蔽門向右運動，左門銷撞擊左碰撞面，左下旋轉板順時針轉動，左下鎖槽從下方鎖住左門銷，左下旋轉板順時針轉動帶動左下齒輪同樣順時針旋轉，左下齒輪順時針旋轉帶動左上齒輪逆時針旋轉，左上齒輪逆時針旋轉帶動左上旋轉板同樣逆時針旋轉，左上旋轉板同樣逆時針旋轉使左上鎖槽從上方鎖住左鎖銷，右屏蔽門向左運動，右門銷撞擊右碰撞面，右下旋轉板逆時針轉動，右下鎖槽從下方鎖住右門銷，右下旋轉板逆時針轉動帶動右下齒輪同樣逆時針轉動，右下齒輪逆時針轉動帶動右上齒輪順時針轉動，右上齒輪順時針轉動同樣帶動右上旋轉板順時針轉動，右上旋轉板順時針轉動使右上鎖槽從上方鎖住右門銷，當左下鎖槽鎖住左門銷后左撐持弧不再撐持左卡柱、當右下鎖槽鎖住右門銷后右撐持弧不再撐持右卡柱，當左撐持弧不再撐持左卡柱、右撐持弧不再撐持右卡柱時，左卡柱、右卡柱和起落板在重力的作用下自由下落，當左卡柱、右卡柱和起落板下落到下極限位置時停止運動，這時左卡柱運動到左定標面的左側，左下旋轉板被左卡柱擋住不再轉動，右卡柱運動到右定標面的右側，右下旋轉板被右卡柱擋住不再轉動，當左下旋轉板和右下旋轉板不再轉動時，左門銷被左下鎖槽和左上鎖槽緊緊抱住，右門銷被右下鎖槽和右上鎖槽緊緊抱住，左屏蔽門和右屏蔽門處于關閉狀態并不能再運動。

2）當準備開門時[3]，門控器發出開門命令，圓柱電磁鐵[4]的線圈得電吸合，吸引圓柱形銜鐵向上運動，左卡柱、右卡柱和起落板隨著向上運動，當左卡柱、右卡柱和起落板向上運動到上極限位置時停止運動，這時左卡柱不再擋著左定標面，右卡柱不再擋著右定標面，同時左限位開關和右限位開關同時被觸發，左限位開關和右限位開關向門控器發出電磁鎖已開鎖信息，門控器驅動電動機帶動左屏蔽門和右屏蔽門向兩側運動，這時左門銷帶著左下旋轉板逆時針轉動，左下旋轉板逆時針轉動帶動左下齒輪同樣逆時針轉動，左下齒輪逆時針轉動帶動左上齒輪順時針，左上齒輪順時針帶動左上旋轉板順時針轉動，這樣左下旋轉板和左上旋轉板不再抱住左門銷，右門銷帶著右下旋轉板順時針轉動，右下旋轉板順時針轉動帶動右下齒輪順時針轉動，右下齒輪順時針轉動帶動右上齒輪逆時針轉動，右上齒輪逆時針轉動帶動右上旋轉板逆時針轉動，這樣右下旋轉板和右上旋轉板不再抱住右門銷，當左下旋轉板逆時針旋轉到一定角度時，左鎖止面被左卡柱擋住不再轉動，當右下旋轉板順時針旋轉到一定角度時，右鎖止面被右卡柱擋住不再轉動，這時左鎖止弧撐持起左卡柱，右鎖止弧撐持起右卡柱，使左卡柱、右卡柱和起落板不再下降，使電磁鎖處于機械保持開鎖狀態，左屏蔽門和右屏蔽門打開。

3 電磁鎖減震降噪的研究

在電磁鎖中，升降板上部的左上滑道曲線和右上滑道曲線的設計極為重要。在以往的設計中，沒有重視這兩段曲線的設計，結果對行程開關產生了很大沖擊，降低了行程開關的壽命，并且產生了很大的噪聲及振動。因此需要對這兩段曲線進行重新校核和改進。

3.1 以往運動規律分析

在過去的生產中，為了加工方便，左上滑道曲線和右上滑道曲線一般采用等速運動規律曲線[5]。等速運動規律的特點是在行程初始位置[6]，速度由0直接跳變到v0，得出加速度計算公式為

在行程終止位置，速度由v0直接變為0，得出加速度為-∞。在行程的初始和終止位置，加速度無窮大，產生的慣性力也是無窮大，這使得沖擊力變得非常大。這種非常大的沖擊力對行程開關的破壞力很大[7]。因此必須對左上滑道曲線和右上滑道曲線的運動規律進行改進。可以采用組合型運動規律進行改進。

3.2 組合型運動規律的構建方法

根據牛頓第二運動定律：物體加速度的大小跟作用力成正比，我們用幾何方法構建出組合型加速度曲線。

設銜鐵在電磁鐵內最大的行程為M，在某時刻t的行程為m，行程開關滾輪的最大位移為h，行程開關的滾輪在某時刻的位移為S，速度為v，加速度為a，躍度為j。

3.3 推導組合型運動規律方程

圖4所示為推程期，余弦加速度與等速規律組合而成新的運動線圖。加速度曲線分3段，其中：第1段的曲線（0～M/4）由周期為M、幅值為R的余弦函數的第一象限曲線組成；第2段曲線（M/4～3M/4）由幅值為0的水平直線段組成；第3段曲線（3M/4～M）由周期為M、幅值為R的余弦函數的第2象限曲線組成。這幾段曲線首尾相連無斷點，拼接成的加速度曲線無突變。

圖4 余弦加速度與等速規律組合（推程）

1）第1段曲線。由該曲線可以看出

把上式代入，得出類加速度方程曲線為

將上式積分，得出類速度方程曲線為

進一步解得

將上式積分，得出位移方程曲線為

進一步解得

2）第2段曲線。由該曲線可以看出，類加速度的曲線方程為d2s2/dm2=0。

對類加速度積分得出類速度為

對類速度積分得出位移方程為

3）第3段曲線。由該曲線可以看出

把上式代入，得出類加速度方程曲線為

對類加速度積分得出類速度為

進一步解得類速度為

對類加速度積分得出位移方程為

進一步解得位移方程為

4）根據拼接點上在各個運動階段的位移、類速度、類加速度的值沒有突變和相應的邊界條件計算得出：

把C1～C6及R值上面的各個公式，可以計算出相應區段的運動方程。

3.4 組合曲線方程式的建立（推程）

1）在第一運動區段，φ∈［0～M/4］，則有：

2）在第二運動區段，φ∈[M/4～3M/4]，則有：

3）在第三運動區段，φ∈［3M/4～M］，則有：

4 結語

在構建組合運動規律時，應該根據機構的技術要求進行拼接。實踐中應按照以下原則拼接：在高速機構中，要求運動曲線的加速度曲線在起點和終點必須連續，以減小柔性沖擊；運動的起點和終點的速度曲線和位移曲線必須連續，以減小剛性沖擊。

在過去沒有應用計算機進行設計和生產時，人們只能用簡單的曲線應對生產，這使得產品的各種性能得不到提高，隨著計算機技術的推廣，組合型運動規律曲線的設計變得不再復雜。本文所構建的變形余弦加速度曲線具有優良的動力特性和運動特性，可以推廣到很多有特殊要求的機械設備的結構中使用。