屏蔽门在北京地铁的应用

2014-06-21谭铁仁刘艳荣魏广宏关振宇

城市轨道交通研究 2014年8期

关键词：开关门门体屏蔽门

谭铁仁刘艳荣魏广宏关振宇

（北京市地铁运营有限公司，100043，北京∥第一作者，高级工程师）

地铁屏蔽门系统是安装于地铁车站站台边缘的连续屏障。屏蔽门将列车的轨行区与乘客候车区域隔离，设置有滑动门与列车门一一对应并同步开启和关闭，为乘客营造了一个安全、舒适的候车环境。

地铁屏蔽门可分为半高屏蔽门和全高屏蔽门2类。全高屏蔽门又分为全高全封闭屏蔽门和全高半封闭屏蔽门（见图1、图2和图3）。

全高全封闭式屏蔽门：由自上而下的屏障和屏蔽门门体组成，沿着车站有效站台中心线向两端展开，能把站台候车区与列车进站停靠区完全隔离。主要功能是增加安全性、节约能耗、降低噪声、环保等。北京地铁8号线即安装全高全封闭式屏蔽门。

图1 半高屏蔽门

图2 全高半封闭屏蔽门

图3 全高全封闭屏蔽门

全高半封闭式屏蔽门：是一道上不封顶的玻璃隔离墙和门体组成的屏障，其门体高度一般为2.5 m。与全封闭式相比，其安装位置基本相同，但高度低，结构也较简单，空气可以通过屏蔽门上部流通，成本也低。这种屏蔽门主要起隔离作用，提高站台候车乘客的安全感，对于降噪也有一定效果。如北京地铁5号线、亦庄线的地下车站即安装全高半封闭屏蔽门。

半高屏蔽门：安装位置与全高屏蔽门相同，不同之处是其门体高度一般为1.5 m，门机等机械、电气设备不是设置于滑动门上方，而是设置于滑动门两侧的固定侧盒中。从表面看半高屏蔽门的结构要比全高门简单，体积要小于全高门，使用的玻璃和金属材料也比全高门少。但其滑动门的悬挂装置、驱动装置更复杂且双套布置，单道滑动门锁紧机构、电动机、传动机构数量是全高屏蔽门的2倍，门控制器（DCU或DCM）的驱动功率元件也是全高门的2倍。

屏蔽门系统在地铁车站的使用极大地提高了乘客候车的安全感，外观简洁、通透的屏蔽门提升了地铁的整体形象。

现代社会提倡以人为本，地铁设备遵循人性化设计理念。乘客对于地铁车站的安全性、舒适性的需求不断提高，地铁机电设备的节能、环保也是社会可持续发展的客观要求。屏蔽门系统正是应地铁系统节能与安全的需求而产生的一个地铁机电设备，首先在国外诞生。继广州地铁2号线在我国首次使用后，深圳、上海、重庆等多个城市的地铁建设中均应用屏蔽门技术。站台屏蔽门降低了列车活塞风的影响，改善了站台环境，给乘客创造了一个干净、明亮、舒适、现代的候车环境。

1 屏蔽门系统的工作条件与技术术语

1.1 屏蔽门系统的工作条件

（1）自然环境条件：海拔高度＜1 000 m；日最高温度为45℃；日最低温度为－20℃；25℃时相对湿度不超过85%～90%（投入运营前和运行初期可达95%）。

（2）正式运营后工作环境条件：温度为轨道侧0～45℃，站台侧5～30℃；相对湿度≤95%；设备室温度0～30℃。

（3）载荷条件：人群对门体的冲击载荷为1 500 N（1.2 m高处，作用面积100 mm×100 mm，在0.2 s时间内）结构无永久变形；人群对门体的挤压载荷为1 500 N／m（距站台装饰面1.1 m高处）；疲劳负载（活塞风压）为±400 Pa（每年22万次，30年）；地震基本烈度为8度（设计基本地震加速度值0.20g）；振动水平为BS 4675第一级水平。

（4）最大运行强度至少每2 min开闭1次，每天连续运行20 h，每年连续运行365 d。

1.2 屏蔽门系统的主要技术术语

（1）屏蔽门（PSD）：是安装于地铁车站站台边缘的连续屏障，是机电一体化系统。

（2）滑动门（ASD）：滑动门由玻璃、不锈钢方管焊接的框架、导靴、防挤压胶条、手动解锁装置等组成。滑动门打开后，门楣下方区域是乘客上下车的通道，也是车站区间内发生火灾或故障时，列车到站后乘客疏散的通道。滑动门下部安装导靴，站台侧1.2 m高处设置手动解锁的钥匙孔，用于车站安全员手动打开滑动门。

（3）应急门（EED）：应急门由玻璃、门框、限位拉杆、锁机构等组成。列车进站停车后，如列车门无法对正滑动门，至少有一道应急门对正列车门，乘客可以通过应急门离开列车。在应急门的中部装有手动推杆解锁装置，应急门不会因列车活塞风压、隧道通风系统风压影响而打开。在轨道侧，乘客可以推动推杆，应急门解锁，打开应急门。在站台侧，站台安全员可以用钥匙打开应急门，门扇安装有限位拉杆，使得应急门打开后最大开度为90度，以保证最大的乘客通过性和防止门扇玻璃破损。

（4）支撑结构：包括底部支承部件、门梁、立柱、顶部自动伸缩装置等部分。支撑结构能够承受屏蔽门的垂直载荷、隧道通风系统产生的风压、列车运行活塞风形成的正负方向水平载荷、乘客挤压力和地震、振动等载荷。底部支承部件分为上下2部分，底部下部构件表面通过绝缘镀层处理，采用绝缘安装，使屏蔽门与建筑结构绝缘；底部上部分采用椭圆形孔连接，实现前后方向的调整；与底部预埋槽钢配合，实现纵向调整。顶部自动伸缩装置与立柱连接，实现垂直方向±35 mm的调整，通过立柱顶部方形垫板上的C形孔和预埋件的纵向导槽实现水平方向的位置调整。

（5）不间断应急电源（UPS）：屏蔽门电源为一级负荷，当市电双路失压后，UPS为屏蔽门提供控制电源和驱动电源。

（6）中央接口盘（PSC）：由上下行PEDC和计算机装置组成。

（7）站台屏蔽门单元控制器（PEDC）：接收信号发送来的开关门命令转发给DCU，向信号发送关闭且锁紧命令和互锁解除命令。

（8）滑动门门机控制器（DCU）：接收PEDC和LCB的开关门命令，驱动滑动门完成开关门动作，将滑动门状态信息和故障信息发送给PEDC。

（9）就地控制盒（LCB）：控制单道滑动门的开关，旁路安全回路，不接收整侧开关门命令。

（10）综合后背盘（IBP）：显示滑动门的开关门状态，实现最高一级的整侧屏蔽门的开关。

（11）就地控制盘（PSL）：设置有互锁解除开关、控制整侧屏蔽门的开关及指示灯，通过PSL发出整侧屏蔽门的开关门命令，发出互锁解除命令。

（12）信号专业（XH）：向屏蔽门系统转发列车的开关门命令，接收并向列车转发屏蔽门的关闭且锁紧命令和互锁解除命令。

2 屏蔽门系统的组成

2.1 屏蔽门系统的主要组成部分

2.1.1 屏蔽门设备简介

屏蔽门系统主要包括屏蔽门设备间内设备、站台门体2部分，以及驱动线缆、控制线缆、通讯线缆等。屏蔽门与车站的信号专业、供电专业、综合监控专业等有电气接口，与站台板有土建接口。站台门体部分包括：滑动门、固定门、司机门、端门、立柱、固定侧盒、固定门、三维调整模块、电动机、门机传动装置、行程开关、张紧轮、皮带、DCU、DCM、IFM（接口模块）、LCB、PSL等设备。站台门体又可以区分为全高屏蔽门和半高屏蔽门，全高屏蔽门与半高屏蔽门的机械与电气部分有较大不同，一般认为，全高屏蔽门的DCM、电动机、锁紧机构各有1个，半高屏蔽门都各有2个，半高屏蔽门左右固定侧盒内的电动机分别驱动一扇滑动门，左右两扇滑动门间没有机械连接（见图4）。2.1.2 屏蔽门的工作原理及控制优先级简介

图4 屏蔽门系统组成原理图

（1）屏蔽门有5种控制方式：乘客手动／钥匙解锁控制单道滑动门打开；单道门的LCB打开、关闭；IBP开门；PSL打开、关闭；信号系统打开、关闭。

（2）屏蔽门控制的优先级概念：屏蔽门的5种控制方式中，当几个或全部控制命令均发出，屏蔽门执行命令的顺序。优先级顺序是手动／钥匙，LCB，IBP，PSL，信号系统。其中手动命令优级最高，因为此种控制屏蔽门开关操作的方式是无需电源的，其次是LCB，进行LCB操作需要驱动电源，其余的3种整侧开关门的方式必须有控制电源和驱动电源。

（3）优先控制顺序举例：当IBP发出开门命令、PSL发出关门命令，此时屏蔽门执行IBP的开门命令，整侧门打开，当IBP命令撤消后，屏蔽门执行PSL的关门命令，所有门关闭。当信号系统发出关门命令、PSL发出开门命令，此时屏蔽门执行PSL的开门命令，整侧门打开。

2.2 半高屏蔽门结构特点

2.2.1 半高屏蔽门的电气设备及其功能

由一级负荷配电箱、驱动UPS、控制UPS、蓄电池柜、中央接口盘PSC等组成。一级负荷配电箱有2路AC380 V电源送电，一主一备；驱动UPS的输入为AC380 V三相交流，输出为DC110 V直流；控制UPS的输入为AC380 V三相交流，输出为DC24 V直流和AC220 V单相交流，DC24 V给门体的网络路由器和PSC内的PEDC（单元控制器）、报警单元、电源单元、协议转换器等送电，AC220V单相交流给工业控制计算机送电。蓄电池柜内有驱动和控制电源蓄电池组，当市电断电时，驱动蓄电池可以向站台的所有门机继续提供DC110 V直流电，控制蓄电池组继续提供DC110 V直流电，经DC／DC变换器向PEDC等提供DC24 V直流电，经DC／AC逆变模块箱工控机提供AC220 V交流电。中央接口盘内的工控机的主要功能是与ISCS、所有DCM通信，记录信号开关门命令、安全回路信息，记录所有滑动门的开关门状态信息和故障信息。工控机不参与信号开关屏蔽门和安全回路，即使工控机关机的情况下，信号专业仍然可以开关屏蔽门且不影响安全回路。

半高屏蔽门的门机内的电气设备包括门控器DCM、接口模块IFM、就地电源PSU、就地控制盒LCB、电子锁、电动机、门状态指示灯、光电传感器等。当IFM接收到开门命令时，DCM驱动电子锁的电磁铁吸合，电子锁的锁闭销轴抬起，滑动门解锁，左右电动机分别驱动左右滑动门完成动作，滑动门位于全开位置时，全开接近开关向IFM发出全开信号，在开门过程中或保持开关状态的情况下门状态指示灯常亮。IFM接收到关门命令时，DCM驱动电动机完成关门动作，完全关闭后，电磁铁线圈断电，锁闭销轴释放，滑动门锁闭，关门位置接近开关向IFM发出滑动门锁闭信息。如乘客没有进入列车，此时滑动门已经关闭，在滑动门关闭后开始计时20 s，在计时时间内如乘客遮断光电传感器，滑动门将自动打开，乘客可以通过开启的滑动门安全进入站台，光电传感器的设置提高了乘客的安全性。DCM还设置有滑动门关门过程中遇障自动打开的功能，滑动门进入关门最后100 mm行程将自动减速，这样门体对乘客的撞击力就减小了，一般设置为3次遇障后滑动门停止在打开位置，等待车站安全员来现场确认情况并恢复屏蔽门。滑动打开和关闭过程中，安装在固定侧盒上面的门状态指示灯将以1 Hz的频率闪烁，滑动门保持在打开位置时，门状态指示灯保持常亮，当乘客及携带的行李物品撞击或阻碍滑动门关闭时，门状态指示灯将以2 Hz的频率闪烁。

2.2.2 半高屏蔽门的门机驱动机构

半高屏蔽门的门机包括固定侧盒、滑动门、滚动导轨、导向轮、惰轮、电动机、齿形皮带、张紧装置等。滑动门的下端安装滚动导轨副的导轨、皮带，滚动导轨的滑块与固定侧盒的支架固定。每个固定侧盒安装2个滑块，固定侧盒约束了滑动门下端5个自由度，安装在固定侧盒上部的导向轮约束了滑动门上部的1个自由度，因此，固定侧盒的2个滑块和2个导向轮约束了滑动门的5个自由度。一般认为，一道半高屏蔽门的左右固定侧盒的机械结构是独立设置的，即左右门机间没有机械连接，滑动门与固定侧盒的所有负荷均作用在固定侧盒与站台板的连接螺栓上面（见图5及图6）。

图5 半高屏蔽门的门机结构

图6 半高屏蔽门的球保持器型LM滚动导轨

2.3 全高屏蔽门结构特点

（1）全高屏蔽门的承重结构部分包括立柱、三位调整模块、绝缘垫、绝缘套、螺栓等。能承受门机门体等的垂直荷载、列车、活塞风压、环控系统的风机风压、乘客挤压的挤压载荷、地震负荷等。门体结构与土建结构绝缘连接，连接固定可靠，能进行三维调整、吸收土建沉降、伸缩。立柱采用Q235A碳素结构钢，表面热浸锌处理，满足30年防腐寿命。承重构件外露部分采用304L不锈钢装饰，门体外形整洁。地槛采用铝型材，表面耐磨防滑处理。为减小列车车体与地槛的间隙，避免乘客乘降时发生踏空事故或行李物品跌落，在地槛的边缘安装防踏空装置。在滑动门的垂直型材上面安装防夹装置，避免乘客夹在列车与屏蔽门之间，造成乘客伤亡。

（2）全高屏蔽门的门机包括门机梁、前后盖板、锁紧机构（闸锁）、电动机、导轨、皮带、张紧轮、行走小车、滚轮、门状态指示灯、LCB开关、DCU、PSU（电源单元）等。有2扇滑动门，每扇滑动门有独立的行走小车和导轨，两个行走小车用一条齿形皮带牵引，电动机驱动皮带，实现滑动门的开关动作。左滑动门上面有乘客解锁和钥匙解锁装置，解锁装置与顶杆联动。当解锁时，顶杆向上移动，顶开闸锁的解锁传动板，完成门机的锁紧机构解锁，当门机电动开关门时，DCU向闸锁的电磁铁发出解锁命令，锁紧机构电动解锁（见图7）。

图7 全高屏蔽门的门机

3 屏蔽门系统使用中发现的问题

3.1 驱动电源故障、控制电源故障

驱动电源故障，导致屏蔽门驱动电源没有输出，会造成屏蔽门的电动开关门功能丧失，只有手动和钥匙解锁可以打开屏蔽门，因此，驱动电源故障是屏蔽门的最严重故障。控制电源故障会影响5种控制方式中的IBP、PSL、信号灯3种整侧开关门功能，但手动和LCB可以打开、关闭屏蔽门。

驱动电源分为DC110 V系统和AC380 V系统2种。北京地铁5号线的地下车站采用AC380 V系统，优点是当驱动UPS故障时，市电可以直接旁路，即市电可以经隔离变压器隔地后直接送到门机的屏蔽门供电单元PSU；缺点是UPS中的整流逆变模块故障率极高，故障时模块内的MOS管或IGBT功率管容易炸裂，严重时烧毁UPS机柜，全线16座地下车站配置16套驱动UPS，灯市口、惠南、惠北、北新桥等车站多次发生驱动UPS故障。DC110 V系统却相对稳定，开通以来从未发生因驱动UPS故障影响行车的事故，但DC110 V系统有一个缺点，当驱动UPS故障时，无法做到市电直接旁路。

3.2 屏蔽门与列车车体的等电位

目前，绝大部分屏蔽门厂家的门体无法连接走行轨，造成列车与屏蔽门间有电位差，当乘客双手分别接触列车与屏蔽门时会感觉到这一电位差。目前的补救措施是，在屏蔽门的外露金属装饰表面粘接绝缘胶带，但胶带容易老化脱落，也容易被乘客撕裂，建议厂家在屏蔽门的设计阶段考虑这一问题，最好使用绝缘材料制作屏蔽门门体的装饰层。

3.3 西屋屏蔽门与日本那博客屏蔽门的PEDC、DCU可靠性对比

西屋公司的屏蔽门PEDC故障率高，故障时影响信号系统开关屏蔽门，北京地铁16座地下车站配置32个PEDC，均有故障记录，已更换30台次。日本那博克公司的PEDC采用继电器和时间继电器作为控制逻辑单元，开通以来从未发生过PEDC故障。

西屋公司的门控器DCU可靠性高，开通以来总计有3个DCU损坏而影响开关门功能。那博克的DCU总计更换约30个。

3.4 西屋屏蔽门与日本那博客屏蔽门的安全回路与互锁回路性能对比

西屋屏蔽门进入安全回路的行程开关有120个，采用机械滚轮式无源开关，开通以来平均每天使用1次互锁解除。而那博客系统的行程开关采用有源接近开关，滑动门与接近开关不接触，因此，开通以来从未发生过因安全回路故障而使用互锁解除的现象。

北京地铁亦庄线的那博客屏蔽门曾经发生安全回路故障时操作互锁解除开关，但互锁解除命令没有发送到信号设备的事故。分析其原因为那博客系统的互锁解除受安全回路制约，只有当安全回路为O时，互锁解除才有效。而西屋公司的屏蔽门互锁解除电路为强制式，与屏蔽门自身的控制逻辑没有任何关系，即使屏蔽门设备机房全部断电，互锁解除命令仍然可以正常发出。因此，西屋屏蔽门的互锁解除电路优于那博客系统，西屋的互锁解除可靠性更高。

3.5 屏蔽门与信号专业接口的电源设计对运营的影响

屏蔽门与信号专业的4个接口中，屏蔽门发送给信号专业安全回路和互锁解除命令。信号专业送来的直流电源应该是分开的，即安全回路和互锁解除应该各有一路电源，因为当安全回路在屏蔽门侧发生短路故障时会造成电源电压为零，这种情况下是要进行互锁解除操作的，但互锁解除命令根本无法发出，原因是信号送来的电源电压为0V。建议新线设计时，应规定信号专业提供安全回路和互锁解除命令各一路直流电源且两路电源互不影响。