城轨车辆LS型锁闭机构外挂密封门研究与分析

2012-08-03杜兆波

铁道机车车辆 2012年5期

王亮，杜兆波

（中国南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

近几年随着国民经济的迅速发展，城市轨道交通以其大载客量、快捷、准时、安全、环保等特点，成为解决交通拥挤的最有效手段，客室侧门作为城轨车辆主要系统之一，乘客上下车的出入口，其设计结构、锁闭安全性等受到广泛关注。目前国内城轨车辆客室侧门主要采用的是微处理器控制的电动双扇对开门，根据结构形式大致可分为内藏移门、塞拉门和外挂移门3种，外挂密封门是外挂移门的一种，是在外挂移门的基础上，增加了微小的塞拉行程，使其既具有塞拉门良好的密封性能，同时保持了外挂移门结构简单、质量轻，维护方便的特点。客室侧门锁闭结构是车门最主要组成部分，LS型锁闭机构是近几年研发的新型无源锁闭机构，其全名为螺杆锁螺母式制动器，由于其具有锁闭可靠、机构零件少、结构简单、便于装配、维修等优点，近年来得以广泛应用，并受到最终用户的广泛赞誉。为此，对LS型锁闭机构外挂密封门进行了研究与分析，以期对该门的选用提供参考。

1 外挂密闭门简介

外挂密闭门又称微动塞拉门，塞拉导角为10°，是在外挂移门的基础上增加了12 mm的微小塞拉动作，可以实现门扇周边密封胶条与车体门框平面的紧密贴合，确保门具有良好的密封性能。

外挂密闭门关闭时门扇位于车体外侧，门扇内表面距车体同一位置外表面2 mm；开启时门扇往外塞拉12 mm。

外挂密闭门主要由门扇、外部承载导向装置（见图1）、内部驱动装置、锁闭装置、周边密封及接口部件、紧急解锁装置、隔离锁装置、门控单元（EDCU）等部件组成。电动外挂密闭门采用门控单元控制电机转动，电机通过连轴器与丝杆相连并带动其转动，通过丝杆螺母传动的方式带动门扇作对开运动。门扇上部设有由承载小车、摆臂和携门架组成的平行四连杆机构（参见图2），门扇的总重通过平行四连杆机构传递到承载导轨，携门架上的导向轮在承载导轨中运动实现门扇的横向＋纵向的微塞拉运动，达到了现行塞拉门的运动形式，结构原理图参见图3。

图1 外部承载导向装置

图2 平行四连杆机构

图3 结构原理图

2 分析比较

外挂密闭门是在外挂移门的基础上，将塞拉门密封性好的优点运用到外挂移门上，具有结构简单、密封性好、质量轻、可靠性高、维护方便等优点，相对于外挂移门，提高了密封性能，增强了车辆的隔声和隔热效果，提高了车厢内乘客的舒适度。

2.1 占用空间比较

从表1可见：外挂密闭门占用空间较小，有利于节省车内空间，便于车辆设计时车内设备的布置。

表1 车门机构型式及占用空间比较

2.2 关门过程中门板的受力比较

现行塞拉门的塞拉行程一般为D＝56 mm，塞拉行程段的塞拉导角一般为α＝35°；外挂密闭门的塞拉距离为12 mm，塞拉行程段的塞拉导角为10°。下面分别从塞拉导角、塞拉距离两方面对外挂密闭门与塞拉门在关门过程中门扇及门系统的受力情况进行分析比较。

2.2.1 从塞拉导角入手分析受力情况，并进行比较

（1）塞拉门门扇及门系统的受力情况（见图4）

塞拉门关门过程示意图如图5所示，塞拉门在关闭到接近最后一段距离时，门板同时要向车厢内移动，并对人体产生挤压力（Rn），此时，当门板受到乘客人体阻力（P）的反作用足够大时，自动门系统的防挤压检测起作用，使关门动作不能及时实现。

按照EN 14752《铁路应用——车辆侧门系统》标准，首次防挤压力应不大于150 N，即塞拉门关闭过程中设定的最大防挤压力Fmax＝1 5 0 N。塞拉门塞拉过程中门扇及门系统的受力状态参见图4所示。图中P为拥挤的乘客在门扇沿塞拉导角向车厢内移动时施加在门扇上的人体阻力；R为门扇受到人体阻力后门系统的导向导轨作用在门扇上的支撑力。通过受力分析可得到如下关系：Rt＝Rsinα，Rn＝Rcosα＝P。

图4 塞拉门关门过程门扇及门系统的受力状态

图5 塞拉门关门过程示意图

要保证车门正常关闭，需保证Rt≤Fmax＝150 N，此时：Pmax＝Rn＝Rcosα＝Rt／tgα＝150／tg35°＝214 N。即塞拉门关门过程中能够承受的来自拥挤乘客的最大人体阻力为214 N。

（2）外挂密闭门门扇及门系统的受力情况（见图6）

图6 外挂密闭门塞拉过程中门扇及门系统的受力状态

外挂密闭门关门过程示意图如图7所示，要保证车门正常关闭，需保证Rt≤Fmax＝150 N，此时：Pmax＝Rn＝Rcosα＝Rt／tgα＝150／tg10°＝851 N。即外挂密闭门关门过程中能够承受的来自拥挤乘客的最大人体阻力为851 N，是塞拉门的4倍。

图7 外挂密闭门关门过程示意图

2.2.2 从塞拉距离入手分析受力情况，并进行比较

以标准B型地铁为例，车厢空间基本相同，A W3超员情况下载客量几乎完全相同，由于塞拉门与外挂密闭门结构不同（在门扇占用车厢空间方面，塞拉门关闭时塞入车厢内部56 mm，而外挂密闭门关闭时仍位于车厢外侧，微塞拉距离仅12 mm），塞拉距离不同，因此关门过程中所受的人体阻力存在很大差异。

下面通过建立人体模型和模拟乘客非常拥挤的环境，使用仿真设计软件ADA MS进行仿真计算，确定乘客作用在门扇上的最大阻力。

（1）确定城轨车辆车门处的人数

假设车门处乘客规则排列，每列中的人前胸与后背直接接触。根据GB 10000－88标准中国成年人人体尺寸标准，选取年龄18～60岁第50百分位男子的胸厚和最大肩宽分别为212，431 mm，即每人占用面积为0.091 m2，乘客密度为11人／m2（目前地铁车辆A W3超员情况下乘客密度为9人／m2），已经是乘客非常拥挤的环境。以标准B型地铁1 300 mm开度车门为例，车门宽为1.6 m ，车辆宽为2.8 m，即车门处面积为4.48 m2，计算得出车门处约可站4列，每列13人。

（2）建立人体模型

假设所有人的人体参数完全相同，人体简化为一集中质量，拥挤时胸部肌肉模型简化为弹簧阻尼器模型。单个人的弹簧阻尼器模型参见图8所示。其中M为人体质量；k为弹性系数；c为阻尼系数。人体的响应简化为线性问题。假设在车门关闭的整个挤压行程中，k和c为常数；车门关闭过程中每个人的变形量被视为被动的挤压，忽略肌肉收缩力；车门关闭过程中人向内移动被视为无摩擦的相对滑动。

图8 单个人体模型示意图

根据以上假设和力学原理，将拥挤的乘客简化为多个具有集中质量的弹性阻尼系统以串联、并联的方式组成的模型，参见图9所示。

图9 拥挤乘客的模型示意图

（3）计算及仿真分析

确定模型的参数，取人体胸部的k＝80 k N／m，c＝1.2 k N／（m·s）；对上述分析建立的模型采用多体系统动力学进行研究，使用机械系统仿真设计软件ADAMS进行仿真分析。

从图10、图11仿真分析结果可以看出

①现行塞拉门关门过程中拥挤乘客人体阻力的增加非常迅速，每一列的第一位乘客作用在门扇上的最大阻力约为450 N，因此4列乘客作用在门扇上的Pmax＝1 800 N，远超过2.2.1（1）条中塞拉门系统自动正常关闭能承受的来自拥挤乘客的最大人体阻力214 N，故在非常拥挤情况下存在关门困难的问题。

图10 塞拉门仿真分析结果

图11 外挂密闭门仿真分析结果

②外挂密闭门关闭过程中每一列乘客的第一位乘客作用在门板上的最大阻力约为100 N，因此4列乘客作用在门板上的Pmax为400 N，约为现行塞拉门的1／5，低于2.2.1（2）条中外挂密闭门系统自动正常关闭能够承受来自拥挤乘客的最大人体阻力851 N。

综上受力比较分析可见：外挂密闭门较塞拉门，塞拉距离由56 mm减小到12 mm，大大降低了拥挤情况下乘客作用在门板上的人体阻力；塞拉导角由35°减小到10°，在防挤压力不变、保证乘客受挤压安全的情况下，大大提高了门系统承受挤压的能力。

这两项改进改善了车门在关闭过程中的受力状况，在不降低塞拉门密封性能的前提下，外挂密闭门可以较好地保证在拥挤条件下自动门系统的正常关闭，保持了与外挂移门在关门力和防夹方面类似的性能。

3 LS型锁闭机构结构介绍

LS型锁闭机构利用千斤顶螺旋锁闭的原理，用螺杆将螺母锁住，实现“无锁而闭”的目标。由变升角螺杆和自适应螺母两部分组成。

（1）变升角螺杆结构介绍

变升角螺杆的螺旋槽分为3段：一段是螺旋升角大于摩擦角的工作段，一段是螺旋升角小于摩擦角的锁闭段，以及介于这两者之间的过渡段。在过渡段，螺杆的螺旋升角由非自锁逐渐过渡到自锁的螺旋升角。变升角螺杆的典型螺旋槽参见图12所示。滚动销在变升角螺杆的螺旋槽中滚动状态如图13所示。

图12 变升角螺杆的典型螺旋槽

（2）自适应螺母结构介绍

自适应螺母由螺母外壳、滚动销、轴承、滑套等零件组装而成（参见图14）。

因滚动销可以在螺杆的螺旋槽中滚动，不受变升角螺杆升角变化的限制，其与变升角螺杆构成的螺旋副实现动力和运动的传递。

图13 滚动销在变升角螺杆的螺旋槽中滚动

图14 自适应螺母

（3）动作原理

锁闭原理：当螺纹的螺旋升角小于摩擦角时，螺纹具有自锁功能。在变升角螺杆的锁闭段，依靠自锁的原理使变升角螺杆锁住自适应螺母，即可靠地锁住了车门；当电机使变升角螺杆正、反双向转动时，使自适应螺母和门产生与变升角螺杆轴线相平行方向同步移动，通过使自适应螺母进入与退出变升角螺杆的锁闭段来实现门机构的锁闭与无源自解锁，装配图参见图15。