廣州地鐵2 號(hào)線屏蔽門系統(tǒng)的選擇

1、廣州地鐵2 號(hào)線屏蔽門系統(tǒng)的選擇             摘要地鐵屏蔽門系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)站務(wù)人員出入站臺(tái)公共區(qū)與非公共區(qū)的通道,緊急品,它在廣州地鐵2 號(hào)線的應(yīng)用在國內(nèi)的地鐵中尚屬首次。情況下也可用作乘客疏散通道。根據(jù)屏蔽門系統(tǒng)是帶載運(yùn)營的特點(diǎn),對其材質(zhì)選擇、控制系統(tǒng)、執(zhí)行電機(jī)等在設(shè)計(jì)、選擇及應(yīng)用全封閉式屏蔽門系統(tǒng)時(shí)應(yīng)著重關(guān)注的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)作了闡述。關(guān)鍵詞屏蔽門系統(tǒng),平均無故障次數(shù),故障率,門控單元,無刷直流電機(jī)     地

2、鐵屏蔽門系統(tǒng)屬于車站設(shè)備系統(tǒng)之一。它在廣州地鐵設(shè)置的主要目的是:將車站站臺(tái)公共區(qū)與軌行區(qū)隔離,簡化環(huán)控系統(tǒng),降低車站空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗;減少列車運(yùn)行噪音及活塞風(fēng)對車站站臺(tái)候車乘客的影響,為乘客提供一個(gè)更加舒適、安全的候車環(huán)境;防止人員跌落軌道產(chǎn)生意外事故, 為以后地鐵車輛的無人駕駛創(chuàng)造條件。屏蔽門系統(tǒng)作為一個(gè)機(jī)電緊密結(jié)合的產(chǎn)品,又工作在地鐵這個(gè)特殊的工作環(huán)境中,所以在選用屏蔽門產(chǎn)品時(shí), 要從其功能、周圍環(huán)境對其的影響、重要零部件及子系統(tǒng)的性能上進(jìn)行詳細(xì)斟酌,力求選出一個(gè)高可靠性、技術(shù)先進(jìn)的屏蔽門系統(tǒng)。1 屏蔽門系統(tǒng)的整體功能1. 1 屏蔽門功能門的組成   

3、60;  屏蔽門功能門一般應(yīng)由固定門、滑動(dòng)門、應(yīng)急門及端門組成。滑動(dòng)門在數(shù)量及位置上的設(shè)置應(yīng)與車輛門一一對應(yīng)。在兩對滑動(dòng)門之間的屏蔽結(jié)構(gòu)由固定門組成。固定門是不能打開的。應(yīng)急門是當(dāng)列車進(jìn)站的停車誤差超過了設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的停車誤差而列車又剛好不能再進(jìn)行位置調(diào)整時(shí)的疏散通道(其中包括列車未完全進(jìn)站或未完全出站發(fā)生的意外情況) 。端門設(shè)置在站臺(tái)兩端,與靠站臺(tái)而設(shè)的屏蔽門垂直接壤,并與它們一起與設(shè)備房外墻構(gòu)成一個(gè)全封閉的屏蔽系統(tǒng)。1. 2 屏蔽門系統(tǒng)的氣密性      屏蔽門系統(tǒng)應(yīng)采取密封措施以防止在屏蔽門兩邊有壓差的情況下氣流交換量過大,以提

4、高系統(tǒng)的整體性能。在任何兩個(gè)功能門之間、門體與頂箱及門檻之間、滑動(dòng)門上端滑靴兩側(cè)與頂箱面板結(jié)合處、門體與結(jié)構(gòu)的接口等,都必須考慮靜態(tài)或動(dòng)態(tài)密封方式進(jìn)行密封。屏蔽門系統(tǒng)的氣密性可以直接反映出整個(gè)系統(tǒng)在制造、安裝及功能上達(dá)到的水平。      正常情況下,無論屏蔽門兩側(cè)壓力差有多大, 都不能出現(xiàn)能明顯感覺到的氣流束。廣州地鐵2 號(hào)線選用的屏蔽門氣密性標(biāo)準(zhǔn),則要求安裝完成后的屏蔽門各條間隙不透光。香港新機(jī)場線則有具體的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn):在屏蔽門兩邊壓差在300 Pa 的情況下,系統(tǒng)不動(dòng)作的屏蔽區(qū)域每小時(shí)每平方米面積上泄露量不超過2. 74 立方米;而經(jīng)常動(dòng)作

5、的屏蔽區(qū)域每小時(shí)每米長度上的泄露量不超過3. 4 立方米 。1. 3 屏蔽門系統(tǒng)動(dòng)作的故障率      屏蔽門布置在站臺(tái)邊緣,是乘客上、下列車時(shí)必須動(dòng)作的設(shè)備;并且屏蔽門系統(tǒng)動(dòng)作次數(shù)比較頻繁,每年運(yùn)行365 天,每天連續(xù)動(dòng)作20 小時(shí),高峰期每2 分鐘開或關(guān)1 次。地鐵最大特點(diǎn)是準(zhǔn)時(shí)、快捷。屏蔽門系統(tǒng)的安裝不能影響地鐵的運(yùn)營計(jì)劃或延遲列車在車站的發(fā)車時(shí)間。所以屏蔽門系統(tǒng)的可靠性是最至關(guān)重要的。      系統(tǒng)的故障率通常用平均無故障次數(shù)( n (MCBF) 來衡量( n (MCBF) = 系統(tǒng)所

6、有門單元?jiǎng)幼骺偞螖?shù)/ 故障次數(shù)) 。n (MCBF) 是反映系統(tǒng)綜合性能的重要指標(biāo),它的大小與整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造都有很大關(guān)系。像控制系統(tǒng)的信道傳輸質(zhì)量、誤碼率及機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及加工水平等。由于屏蔽門系統(tǒng)與列車的運(yùn)營有緊密的聯(lián)系, n (MCBF) 在可能的情況下要盡量地大。廣州地鐵2 號(hào)線首期工程16 個(gè)車站、34 側(cè)站臺(tái)安裝有屏蔽門,每側(cè)站臺(tái)30 個(gè)單元, n (MCBF) 定為60 萬次。在運(yùn)營正常的情況下,大約每天全線的所有屏蔽門會(huì)有一次故障,運(yùn)營部門基本上是可以接受的。香港地鐵舊線改造工程共74 側(cè)站臺(tái),每側(cè)站臺(tái)38 套屏蔽門單元, n (MCBF) 為30 萬次,從系統(tǒng)的角度來講,

7、其精度及要求要稍高于廣州地鐵2 號(hào)線。2 屏蔽門系統(tǒng)的帶載運(yùn)營      屏蔽門的運(yùn)營環(huán)境為地下車站。其所承受荷載主要有三個(gè)來源:車站及隧道內(nèi)設(shè)有地鐵環(huán)控系統(tǒng)所必須的各種風(fēng)機(jī)類負(fù)載,因此會(huì)造成在屏蔽門的站臺(tái)側(cè)與軌道側(cè)存在靜態(tài)壓差;列車進(jìn)入及離開車站時(shí)由于列車速度所產(chǎn)生的氣流局部壓縮及局部真空而造成的活塞風(fēng)對屏蔽門的風(fēng)壓負(fù)載,特別要考慮到列車在有些情況下高速過站所引起的更大負(fù)載;候車乘客或意外人群對門體的沖擊力及擠壓力等。所以,當(dāng)屏蔽門從被完全安裝完畢后開始運(yùn)營的一刻開始,就一直處在帶負(fù)載運(yùn)營狀態(tài)。系統(tǒng)的梁柱結(jié)構(gòu)(包括門框、立柱、玻璃、門機(jī)梁、頂

8、箱面板及門檻) 上都承受著大小不同的負(fù)載。根據(jù)廣州地鐵2 號(hào)線地下車站環(huán)控設(shè)備設(shè)置情況再結(jié)合土建結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,列車過站速度以70 km/ h 考慮,作為設(shè)計(jì)人員或業(yè)主,其各種負(fù)載類型及大小的考慮情況大致如表1 所示。表1 屏蔽門的各種負(fù)載情況所以,一個(gè)真正適合在地鐵環(huán)境應(yīng)用的屏蔽門系統(tǒng),首先應(yīng)滿足地鐵環(huán)境中荷載的要求。在表1 所示的四類負(fù)載作用下,屏蔽門單元的結(jié)構(gòu)框架及門體在強(qiáng)度及剛度上均必須達(dá)到一定的要求;玻璃與門框的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)足夠;門體、頂箱面板、立柱在內(nèi)所有構(gòu)件上的每一點(diǎn)的彈性變形及殘余變形均應(yīng)滿足所規(guī)定的撓度要求及殘余變形要求。對整個(gè)系統(tǒng)而言,受載后屏蔽門結(jié)構(gòu)軌道側(cè)上任何一點(diǎn)都要保證

9、與列車動(dòng)態(tài)包絡(luò)線之間的安全距離; 另外,在結(jié)構(gòu)處于受載狀況下,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及門體上各部件的變形必須保證滑動(dòng)門的順利打開,不能因結(jié)構(gòu)受載而影響滑動(dòng)門的打開速度及改變滑動(dòng)開門力的大小。對于不同的列車運(yùn)營速度、不同的環(huán)控模式及不同的隧道結(jié)構(gòu)形式,所產(chǎn)生的各類負(fù)載就有區(qū)別。例如香港新機(jī)場線性質(zhì)為快線,運(yùn)營最高速度達(dá)100 km/ h 以上,所以其各類負(fù)載較廣州地鐵2 號(hào)線大。3 屏蔽門材質(zhì)的選擇      屏蔽門直接面對乘客,是地鐵車站占用面積最大、最醒目的設(shè)備,因此,對屏蔽門外表的裝飾及制造工藝應(yīng)有嚴(yán)格的要求。屏蔽門材料通常采用鋁合金擠壓型材外加表面處理

10、或直接使用不銹鋼鈑金屬件。      對于鋁合金型材,一般采用可熱處理的強(qiáng)化型的變形鋁合金,具有密度小、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能良好等特點(diǎn)。其中用于擠壓為各種規(guī)格型材的型號(hào)主要是LD31(即6063 合金) 。LD31 具有中等強(qiáng)度, 有良好的塑性和優(yōu)良的可焊性、抗蝕性,無應(yīng)力腐蝕裂傾向,可陽極氧化,適合作建筑裝飾型材及各種需要良好耐蝕性要求的結(jié)構(gòu)件。如果用LD31 制造屏蔽門門體,則要先對其進(jìn)行陽極氧化處理, 然后對其表面進(jìn)行氟碳噴涂或靜電噴涂等防腐措施。它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)不同需要來選擇所需噴涂的顏色,但也需采用嚴(yán)格的噴涂工藝來保證噴涂的質(zhì)量及壽

11、命。      采用不銹鋼材料制作屏蔽門門體,一般采用奧氏體系列不銹鋼(如304L 、316 等材料) 。奧氏體不銹鋼的韌性、塑性及工藝性能相對于其它類型不銹鋼來說都比較好,且硬度適中,焊接性能較強(qiáng),表面抗污力強(qiáng);但在焊接中可能會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕,所以要采用較好的焊接工藝來預(yù)防或減少晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕。其中的304L , 國內(nèi)牌號(hào)為00Cr18Ni10 , 抗晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)越,焊后可不進(jìn)行熱處理,且其室溫機(jī)械性能,無論硬度、強(qiáng)度或其它各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)均優(yōu)于LD31 。所以,采用刷紋不銹鋼就一次解決了美觀與防腐的問題。4 屏蔽門的控制系統(tǒng)&

12、#160;     屏蔽門控制系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上應(yīng)是總線型的局域網(wǎng)。其中PSC(中央接口盤, 也稱主控機(jī)) 、PSA (遠(yuǎn)方操作報(bào)警盤) 以及每個(gè)DCU(門控器) 都是掛接在總線上的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。其總線結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)采用公開、規(guī)范的通用形式,以便于完成與EMCS(機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)) 系統(tǒng)之間的接口?？偩€型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可以保證網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)其它結(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行,并可以通過網(wǎng)絡(luò)對屏蔽門進(jìn)行全程控制、運(yùn)行參數(shù)修改、聲光報(bào)警等功能。屏蔽門控制系統(tǒng)在一些重要的節(jié)點(diǎn)及命令上也要采用硬線傳輸,充分利用其高可靠性及抗干擾性能, 保

13、證整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。像PSC 與信號(hào)系統(tǒng)、PSC 與PSL (站臺(tái)端頭控制盒) 之間,以及屏蔽門的開門、關(guān)門命令的發(fā)送及反饋,均要采用硬線傳輸。      控制系統(tǒng)至少應(yīng)該實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)、站臺(tái)級(jí)、手動(dòng)三級(jí)控制。其中手動(dòng)控制優(yōu)先級(jí)最高,系統(tǒng)級(jí)最低。其控制模塊一般如下:       當(dāng)列車進(jìn)入車站?？吭谠试S誤差范圍內(nèi)的停車位置時(shí),信號(hào)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一個(gè)“ 開門”命令;此開門命令會(huì)經(jīng)過PSC 送到每個(gè)應(yīng)該打開的屏蔽門單元的DCU 上, 從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)門體做開門動(dòng)作。當(dāng)所有ASD(滑動(dòng)門)/ EED(應(yīng)急

14、門) 打開時(shí), DCU 會(huì)將檢測裝置檢測到的“門已打開”的狀態(tài)信息經(jīng)PSC 反饋給信號(hào)系統(tǒng)及EMCS 系統(tǒng);當(dāng)列車要離開車站時(shí),信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出“ 關(guān)門”命令至PSC , PSC 會(huì)將關(guān)門命令發(fā)送至每個(gè)應(yīng)該關(guān)閉的屏蔽門單元的DCU , 從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)屏蔽門開始關(guān)門。當(dāng)所有屏蔽門關(guān)好以后,DCU 會(huì)將檢測裝置檢測到的“門已關(guān)閉并鎖緊”的信號(hào)反饋至信號(hào)系統(tǒng)及EMCS 系統(tǒng)。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)收到關(guān)閉并鎖緊信號(hào)以后,才會(huì)發(fā)出開車命令。如果在整個(gè)控制過程中任何一個(gè)屏蔽門單元出現(xiàn)故障, PSC 會(huì)將DCU 及其它設(shè)備反饋給它的故障信號(hào)發(fā)送至PSA 進(jìn)行聲光報(bào)警,并可將故障信息顯示在液晶顯示器上或可以通過打印機(jī)打印

15、出來,還可以通過其自身固有的串口進(jìn)行故障信息的下載。      當(dāng)列車、信號(hào)以及屏蔽門系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障, 導(dǎo)致屏蔽門無法自動(dòng)打開或關(guān)閉,就要運(yùn)用PSL 站臺(tái)級(jí)控制的功能,以節(jié)點(diǎn)發(fā)送方式使屏蔽門處于理想狀態(tài)。在每個(gè)屏蔽門單元的ASD 及EED 上, 無論在站臺(tái)側(cè)還是在軌道側(cè),均有手動(dòng)裝置可將門打開。在站臺(tái)側(cè),站務(wù)人員可用專用鑰匙進(jìn)行操作,使門打開;在軌道側(cè),則設(shè)有緊急把手可手動(dòng)打開屏蔽門,以保證在非常時(shí)刻乘客或站務(wù)人員以最快及最方便的手段打開屏蔽門,以免發(fā)生事故。5 屏蔽門系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)     

16、 屏蔽門系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)屬于一種短時(shí)間周期性動(dòng)作的設(shè)備。根據(jù)廣州地鐵2 號(hào)線對屏蔽門的要求,它必須在5. 5 s7. 5 s 內(nèi)完成開/ 關(guān)門一個(gè)周期,響應(yīng)精度±0. 1 s 。而電機(jī)在關(guān)門階段一般就必須經(jīng)過加速、速度保持、減速、低速保持、制動(dòng)五個(gè)階段。門體在整個(gè)關(guān)門行程中動(dòng)能不能超過10 J , 在關(guān)門行程中的最后100 mm 不能超過1 J 。其運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖1 。      在整個(gè)關(guān)門過程,電機(jī)一直處于速度不斷變化的過程中,所以要求電機(jī)要有比較好的調(diào)速性能, 而且要快速響應(yīng)性好、調(diào)速精度高。一般應(yīng)選用執(zhí)行類直流電機(jī)或交流變頻調(diào)速

17、電機(jī)等機(jī)械特性好的電機(jī),并且電機(jī)應(yīng)具有比較小的飛輪轉(zhuǎn)矩( GD2) 以及較小的傳動(dòng)比,以減小其動(dòng)態(tài)工作特性中的機(jī)械時(shí)間常數(shù),來獲得良好的跟隨特性。此外,我們還應(yīng)對電機(jī)運(yùn)行的過程進(jìn)行分析并確定目標(biāo)運(yùn)行曲線。對拖動(dòng)過程中電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)過程的完成方式及其合理性進(jìn)行分析,以保證有一個(gè)性能良好的門控系統(tǒng)。假設(shè)滑動(dòng)門的關(guān)門時(shí)間為3 s , 滑動(dòng)門開門寬度為2 m , 那么每扇門體在3 s 內(nèi)就必須完成1 000 mm 的行程。在門關(guān)閉的過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制門體速度及關(guān)門力度,避免因此夾傷乘客;還要充分考慮電機(jī)在整個(gè)行程中的啟動(dòng)及制動(dòng)過程。所以,我們要選定一條電機(jī)運(yùn)行曲線, 使得門體的運(yùn)行平穩(wěn)、快捷、

18、噪聲小、無明顯抖動(dòng); 還要保證門體夾到乘客以后,作用于乘客的夾緊力及動(dòng)能足夠小,以防夾傷乘客。圖1 屏蔽門運(yùn)動(dòng)速度曲線圖廣州地鐵2 號(hào)線屏蔽門系統(tǒng)選用了額定電壓為110 V 的無刷直流電機(jī)。此電機(jī)呈細(xì)長形式,定子內(nèi)外徑比值小,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低。電機(jī)采用16 位的微機(jī)脈寬調(diào)制(PWM) 閉環(huán)控制,驅(qū)動(dòng)回路采用場效應(yīng)晶體管( FET) 三相星形全橋驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向四象限運(yùn)行。      用戶只要根據(jù)需要在DCU中設(shè)定電機(jī)的目標(biāo)運(yùn)行曲線,DCU 便會(huì)在速度、轉(zhuǎn)矩、工位等各個(gè)參數(shù)上控制電機(jī)按照所設(shè)定的曲線參數(shù)進(jìn)行工作。科技在不斷地發(fā)展,社會(huì)文明也在不斷發(fā)展。屏蔽門系統(tǒng)將會(huì)逐漸走入中國