廣州地鐵2 號線屏蔽門系統(tǒng)的選擇

　　摘　要　地鐵屏蔽門系統(tǒng)是一個典型的機(jī)電一體化產(chǎn)站務(wù)人員出入站臺公共區(qū)與非公共區(qū)的通道,緊急品,它在廣州地鐵2 號線的應(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)時應(yīng)著重關(guān)注的幾個關(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)對車站站臺候車乘客的影響,為乘客提供一個更加舒適、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)作為一個機(jī)電緊密結(jié)合的產(chǎn)品,又工作在地鐵這個特殊的工作環(huán)境中,所以在選用屏蔽門產(chǎn)品時, 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
屏蔽門功能門一般應(yīng)由固定門、滑動門、應(yīng)急門及端門組成?；瑒娱T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)置在站臺兩端,與靠站臺而設(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,以提高系統(tǒng)的整體性能。在任何兩個功能門之間、門體與頂箱及門檻之間、滑動門上端滑靴兩側(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)不動作的屏蔽區(qū)域每小時每平方米面積上泄露量不超過2. 74 立方米;而經(jīng)常動作的屏蔽區(qū)域每小時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)動作的故障率
屏蔽門布置在站臺邊緣,是乘客上、下列車時必須動作的設(shè)備;并且屏蔽門系統(tǒng)動作次數(shù)比較頻繁,每年運(yùn)行365 天,每天連續(xù)動作20 小時,高峰期每2 分鐘開或關(guān)1 次。地鐵最大特點(diǎn)是準(zhǔn)時、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)所有門單元動作總次數(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 號線首期工程16 個車站、34 側(cè)站臺安裝有屏蔽門,每側(cè)站臺30 個單元, 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,每側(cè)站臺38 套屏蔽門單元, n (MCBF) 為30 萬次,從系統(tǒng)的角度來講,其精度及要求要稍高于廣州地鐵2 號線。
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,因此會造成在屏蔽門的站臺側(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)都要保證與列車動態(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)動系統(tǒng)及門體上各部件的變形必須保證滑動門的順利打開,不能因結(jié)構(gòu)受載而影響滑動門的打開速度及改變滑動開門力的大小。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)
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)方操作報警盤) 以及每個DCU(門控器) 都是掛接在總線上的一個網(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)上任何一個結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障都不會影響整個網(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, 保證整個控制系統(tǒng)的可靠性。像PSC 與信號系統(tǒng)、PSC 與PSL (站臺端頭控制盒) 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、站臺級、手動三級控制。其中手動控制優(yōu)先級最高,系統(tǒng)級最低。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,信號系統(tǒng)會發(fā)出一個“ 開門”命令;此開門命令會經(jīng)過PSC 送到每個應(yīng)該打開的屏蔽門單元的DCU 上, 從而控制電機(jī)驅(qū)動門體做開門動作。當(dāng)所有ASD(滑動門)/ EED(應(yīng)急門) 打開時, DCU 會將檢測裝置檢測到的“門已打開”的狀態(tài)信息經(jīng)PSC 反饋給信號系統(tǒng)及EMCS 系統(tǒng);當(dāng)列車要離開車站時,信號系統(tǒng)發(fā)出“ 關(guān)門”命令至PSC , PSC 會將關(guān)門命令發(fā)送至每個應(yīng)該關(guān)閉的屏蔽門單元的DCU , 從而控制電機(jī)驅(qū)動屏蔽門開始關(guān)門。當(dāng)所有屏蔽門關(guān)好以后,DCU 會將檢測裝置檢測到的“門已關(guān)閉并鎖緊”的信號反饋至信號系統(tǒng)及EMCS 系統(tǒng)。當(dāng)信號系統(tǒng)收到關(guān)閉并鎖緊信號以后,才會發(fā)出開車命令。如果在整個控制過程中任何一個屏蔽門單元出現(xiàn)故障, PSC 會將DCU 及其它設(shè)備反饋給它的故障信號發(fā)送至PSA 進(jìn)行聲光報警,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)致屏蔽門無法自動打開或關(guān)閉,就要運(yùn)用PSL 站臺級控制的功能,以節(jié)點(diǎn)發(fā)送方式使屏蔽門處于理想狀態(tài)。在每個屏蔽門單元的ASD 及EED 上, 無論在站臺側(cè)還是在軌道側(cè),均有手動裝置可將門打開。在站臺側(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)有緊急把手可手動打開屏蔽門,以保證在非常時刻乘客或站務(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)
屏蔽門系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)屬于一種短時間周期性動作的設(shè)備。根據(jù)廣州地鐵2 號線對屏蔽門的要求,它必須在5. 5 s～7. 5 s 內(nèi)完成開/ 關(guān)門一個周期,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、制動五個階段。門體在整個關(guān)門行程中動能不能超過10 J , 在關(guān)門行程中的最后100 mm 不能超過1 J 。其運(yùn)動速度曲線如圖1 。
在整個關(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) 以及較小的傳動比,以減小其動態(tài)工作特性中的機(jī)械時間常數(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。對拖動過程中電機(jī)的啟動、運(yùn)行、制動過程的完成方式及其合理性進(jìn)行分析,以保證有一個性能良好的門控系統(tǒng)。假設(shè)滑動門的關(guān)門時間為3 s , 滑動門開門寬度為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)在整個行程中的啟動及制動過程。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、噪聲小、無明顯抖動; 還要保證門體夾到乘客以后,作用于乘客的夾緊力及動能足夠小,以防夾傷乘客。

圖1 　屏蔽門運(yùn)動速度曲線圖
　　廣州地鐵2 號線屏蔽門系統(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)動回路采用場效應(yīng)晶體管( FET) 三相星形全橋驅(qū)動,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 便會在速度、轉(zhuǎn)矩、工位等各個參數(shù)上控制電機(jī)按照所設(shè)定的曲線參數(shù)進(jìn)行工作?？萍荚诓粩嗟匕l(fā)展,社會文明也在不斷發(fā)展。屏蔽門系統(tǒng)將會逐漸走入中國的地鐵,使地鐵的服務(wù)水平更上一個檔次。也許在將來會出現(xiàn)性能更好的新材料、新技術(shù),會出現(xiàn)性能更好、可靠性更高的部件,屏蔽門系統(tǒng)在各個系統(tǒng)各個部件的選取上將有更好的選擇范圍。我們只有對系統(tǒng)中每個技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行更認(rèn)真地研究,才能選出更適合地鐵環(huán)境的屏蔽門系統(tǒng)。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　胡志輝,葉霞飛,蔡蔚. 城市軌道交通屏蔽門系統(tǒng)的適用性分析. 城市軌道交通研究,2002 , (3) :62
2 　鐘文文,李明超. 關(guān)于屏蔽門門體型材選用的探討. 城市軌道交通研究,2000 , (2) :20