有源车门锁闭装置故障分析及对策

2015-03-17王赞农

城市轨道交通研究 2015年4期

王赞农

（南京地铁运营有限责任公司，210012，南京∥高级工程师）

目前，南京地铁1号线、1号线南延线及2号线的列车客室车门均采用外挂式电动塞拉门。车门控制单元控制1台永磁直流电机来驱动与制动器另一端相连的丝杆传动，实现车门的打开和关闭。车门锁闭装置（也称为制动器）是车门系统的安全核心部件之一，其可靠性对地铁列车运营安全具有非常重要的影响。地铁列车运营过程中，车门系统的故障率较其他系统高，其中车门制动器的故障最多［1－2］。因此，分析车门锁闭装置的故障并研究对应的改进措施，对于降低车门的故障率具有重要意义。

1 车门锁闭装置介绍

车门锁闭装置位于客室车门机构驱动系统中，其主动轴端连接驱动电机，从动轴端安装丝杆。客室车门结构如图1所示。门系统正常工作时，电机带动丝杆双向自由旋转，实现门系统的自动开关。门关闭到位后，被机械锁闭并保持锁闭状态，直到门启动并收到一个开门命令或紧急装置被操作［3］。这个能够机械锁闭车门并保持锁闭状态的装置即为车门锁闭装置。车门锁闭装置按照锁闭原理可分为有源和无源锁闭装置，按功能可分为全程和非全程（终端）锁闭装置。

2 有源车门锁闭装置故障分析

有源车门锁闭装置故障引起的车门故障主要表现为车门红闪，车门无法打开，或车门连锁回路中断列车动车受限。对故障制动器的结构进行剖析及模拟验证发现，造成制动器失效的主要原因为：

（1）车门控制单元故障：有源控制的制动器是通过电磁铁进行得电解锁和失电锁闭的，而电磁铁的信号来自于车门控制单元，若车门控制单元的输出信号出现问题，将直接导致制动器失效。

（2）制动器弹性元件失效，关键部件老化和磨损：制动器有部分橡胶件，橡胶件的磨损和老化会影响制动器的功能；车门关闭时，后齿盘在弹簧力的作用下与前齿盘啮合实现锁闭，一旦弹簧失效或齿盘磨损严重，将导致制动器的锁闭功能失效。

（3）制动器生产安装过程中精准度把控不严，部件异常磨损：制动器零件及其相互配合精度要求很高，一个或几个小误差存在于零件上可能符合出厂检测标准，但应用后都存在非常大的制动器失效风险。例如，在安装调试时若端齿盘不到位，则会出现局部端齿啮合，造成端齿磨损加剧，运用一段时间后造成端齿啮合失效；因周向不是同步啮合，并且啮合后周向间隙不均匀，这将直接导致制动器失效。又如，不论是丝杆连接轴凸轮面在圆周方向上的等分精度，还是制动芯的套的圆度精度，必然有一定的公差，在产品质量检验未达到100%的情况下，会有个别零件不满足精度要求，这样的零件装配组合后会导致制动器制动性能下降，在某个或某几个位置出现瞬时制动失效现象。

图1 客室车门结构图

3 不同车门锁闭装置的特性

为了解决目前有源车门锁闭装置频繁故障的问题，对不同类型车门锁闭装置的原理及其特性进行分析。

3.1 有源锁闭装置

南京地铁1号线列车使用的有源锁闭装置为电磁式的，如图2所示。车门关闭时，后齿盘在弹簧力的作用下与前齿盘啮合，丝杆不能向开门方向转动，保证车门不能打开；车门打开时，电磁铁得电产生磁力，使后齿盘克服弹簧力靠向电磁铁，并与前齿盘脱开，丝杆可自由转动；手动解锁时，通过钢丝绳带动解锁支架压到后齿盘，使之与前齿盘脱开，丝杆自由转动，可以手动开关门。

图2 有源的锁闭装置

该制动器是一种全程锁闭装置，其优点是：在车门任意位置只允许电动开关门和手动关门，禁止手动开门；只有当车门紧急解锁被打开后，制动器才释放，此时如果列车处于零速状态，车门可以手动打开，用于紧急情况下乘客自行疏散；门系统处于失电情况时，车门在任意位置都不可以朝开门方向运动。

该制动器存在以下缺点：①由于制动器是有源的且弹性元件在制动和解锁时起主要作用，弹性元件的状态对制动器的性能影响较大；②全程锁闭装置噪声较大，开门时会因为瞬时制动而产生较大的“打齿”声音；③制动器的零件精度要求较高，加工一致性较差，产品质量控制要求较高。

3.2 无源锁闭装置

3.2.1 35C型全程锁闭装置

无源锁闭装置完全依靠机械结构件运动实现锁闭。目前，南京地铁部分列车所采用的35C型全程锁闭装置即是一种无源锁闭装置，其结构示意图如图3所示。

该制动器的电机连接轴通过联轴器与电机相连，丝杆连接轴套与丝杆相连。电机连接轴可以正、反转动，带动丝杆连接轴套和丝杆正、反转动，以实现开关门；而丝杆连接轴套仅可以沿关门方向带动电机连接轴转动，从而实现车门系统在关门的任意时刻、任意位置，门扇仅能朝关门方向运动的全程锁闭功能。其缺点是：由于制动器通过4点楔紧来实现摩擦单向制动，在4点完全楔紧后，解锁会出现困难。

图33 5C型全程锁闭装置

3.2.2 LS型非全程锁闭装置

另外一种无源的锁闭装置LS型锁，是非全程的锁闭装置，也称终端锁闭装置，是指门在关闭位置被机械锁闭的锁闭装置。LS锁闭装置是螺旋传动、关闭到位自动锁闭、开门自动解锁的无源自适应螺母组件，主要是通过变导程（正常导程＋变导程过渡区＋自锁导程）丝杆的转动来实现转动传动并且自动锁闭和自动解锁。

由机械原理可知，当螺纹的螺旋升角小于等于磨擦角时，螺纹具有自锁功能。非全程锁闭装置就是采用该原理，主要是通过与携门架相连的自适应螺母的滚动销进入、退出变导程丝杆（见图4）的锁闭段时，门被自动锁闭和自动解锁。锁闭装置结构如图5所示。

图4 变导程丝杆

图5 LS型非全程锁闭装置

非全程锁闭装置的缺点是：在关门到位之外的所有位置，门是无法机械锁闭的。其优点是：

（1）无源：门机的锁闭及解锁均无需额外的动力源，仅依靠丝杆自身的正、反向转动实现自适应螺母的锁闭与自解锁；由于门与自适应螺母相连，从而实现门的锁闭与无源自解锁。无源可以避免由于电气元件故障引起的车门锁闭装置失效。

（2）丝杆耐磨性高：即使丝杆表面有微观不平度，但在销的滚压作用下，丝杆的硬度越来越高，且表面越光滑、越耐磨。即销对丝杆进行了冷作硬化处理。

（3）锁闭可靠：锁闭装置依靠螺旋升角小于摩擦角的原理使丝杆锁住螺母，既可靠地锁住了门，门也不会由于振动等原因而解锁。

（4）噪声低：锁闭机构的噪声只是螺母与丝杆的摩擦声，没有任何冲击声，因此噪声很低。

（5）结构简单：锁闭机构零件少，加工精度低，便于装配、安装与维修。

4 改进措施

通过分析制动器失效的原因，结合各种车门锁闭装置的优缺点，认为可从选用结构可靠性高的制动器角度进行改进。

（1）采用扭簧结构的全程锁闭装置。该装置的内部结构如图6所示。锁闭时扭簧包紧芯轴，通过圆周面的摩擦力实现单向制动；解锁时改扭簧与芯轴的包紧状态为松圈配合，芯轴自由转动即可实现解锁。该装置所需解锁力小，因此不会出现解锁困难的现象。锁闭装置是通过扭簧包紧芯轴后芯轴无法转动来实现单向制动的，扭簧包紧芯轴的全部长度方向和整个圆周面，因此只要扭簧能包紧芯轴，就可以实现单向制动，锁闭的可靠性也高。另外，这种结构的锁闭装置的零件以回转体为主，常规机械加工可达到要求，加工一致性好，产品性能较稳定。

图6 扭簧结构的全程锁闭装置

（2）采用无源控制的锁闭装置。锁闭装置的锁闭及解锁均无需额外的动力源，可避免由车门控制单元导致的制动器失效问题，进一步提高装置的整体可靠性。

（3）采用LS型非全程锁闭装置。该装置仅依靠丝杆的正、反向转动实现自适应螺母的锁闭与自解锁，不仅能实现门的锁闭与无源自解锁，而且可避免因橡胶件的磨损和老化以及齿盘磨损等导致的制动器失效。整个装置结构简单，便于安装和维护。

5 应用

在通过了台架寿命试验、高低温环境试验、冲击振动试验、锁闭强度试验验证的前提下，现场对采用LS型非全程锁闭装置的外挂式电动塞拉门进行功能、性能及可靠性验证，并进行了近10000次电动和手动开关门操作，试验结果如下：车门开关门正常；手动解锁功能正常；车门关到位后，锁闭装置瞬间完成锁闭且门页间无缝隙；开门时锁闭装置即完成自解锁，无任何卡滞情况发生；在整个开关门过程中，无任何反弹、卡滞、异响的情况。综上所述，该锁闭装置运行比较平稳，可靠性较高。目前，LS型非全程锁闭装置已运用到南京地铁1号线13列增购电客车的车门系统中。