地铁隧道平开式防淹门启闭装置分析与设计

田江泽 张瑞龙 袁代光 徐 胜

(中国建筑标准设计研究院有限公司,100048,北京∥第一作者,工程师)

地铁隧道平开式防淹门启闭装置分析与设计

田江泽 张瑞龙 袁代光 徐 胜

(中国建筑标准设计研究院有限公司,100048,北京∥第一作者,工程师)

启闭装置是地铁隧道防淹门的关键部件。以平开式防淹门启闭装置设计为背景,结合防淹门的使用环境和结构特点,对启闭装置进行运动学和动力学分析。同时介绍了启闭装置的控制系统设计及安全设置。平开式防淹门的运行结果表明,该启闭装置占用空间小、启闭迅速、结构形式合理可靠。

地铁隧道; 平开式防淹门; 启闭装置; 仿真分析

Author′s address China Institute of Building Standard Design & Research Co.,Ltd.,100048,Beijing,China

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》要求:对下穿河流和湖泊等水域的地铁工程,应在进出水域的两端适当位置设防淹门或采取其他防淹设施。目前,在我国地铁工程中主要是安装降落式防淹门,但是受制于特殊的施工条件,个别线路不具有安装空间。为此,国内相关单位竞相开始研发平开式防淹门。

启闭装置是平开式防淹门的一个关键部件,其主要作用是在地铁隧道发生透水事故时能驱动防淹门门扇迅速关闭,阻断水流,从而保护车站内人员和物资的安全。当事故排除后,启闭装置能将门扇开启并锁紧,以防止地铁列车高速通过时所形成的局部负压带动门扇关闭而发生车毁人亡的恶性事故。

本文以平开式防淹门的开发为背景,介绍了启闭装置结构形式、运动特点,进而介绍了控制系统的设计及安全设置,最后对启闭装置进行了运动学和动力学仿真分析,为今后开发相似设备提供参考。

1 国内外相关技术

地铁防淹门根据结构形式分为降落式、平开式和平推式3种。目前,降落式防淹门已在我国地铁工程中有一定应用。采用降落式防淹门时,门洞上方需设置1个大于门洞尺寸的设备机房,以存放防淹门的门扇及启闭装置。这种方式当区间隧道左右双向水平布置时没有问题,而当区间隧道采用上下布置时下层隧道就没有空间设置设备机房。此时,只能采用平开式或平推式防淹门。

平推式防淹门必须在隧道一侧设置1个大于门扇尺寸的空间放置门扇和启闭装置,但当防淹门启闭横向移动时则与电缆、消防管道等设备的布置有冲突,故在越江隧道中不予采用。此时,须利用车站出入口的空间才能设置平推式防淹门。平开式防淹门只需将门扇放置在平行于行车方向隧道两侧的小洞室即可,启闭机机房亦可设置在隧道两侧,不受隧道高度的限制,其空间需求最低。

2 平开式防淹门启闭装置结构

平开式防淹门启闭装置主要由折叠摆臂、液压油缸和机架组成。折叠摆臂分前臂和后臂,通过销轴连接。摆臂前臂与门扇铰接;后臂与机架铰接,后臂同时与油缸活塞杆连接;油缸缸筒与机架连接。启闭装置通过油缸活塞杆的伸缩带动摆臂后臂转动,进而通过前臂带动门扇转动。具体结构如图1所示。

图1 平开式防淹门启闭装置组成示意图

3 机构设计

启闭装置的作用是驱动防淹门门扇迅速方便地启闭,主机构采用平面四连杆机构,门扇作为从动杆,后臂作为主动杆。主动杆的驱动又由曲柄摇杆机构构成,并以液压油缸活塞杆作为摇杆来驱动后臂摆动。

启闭装置实现的主要功能是启闭防淹门门扇绕铰页旋转90°,并须适应区间隧道狭窄空间的安装要求。

3.1 启闭机构分析

启闭机构包含5个构件,7个低副(含6个转动副,1个移动副),1个原动件。其计算简图见图2。则此机构自由度F=3×5-2×7=1,可见,机构自由度等于原动件数,机构具有确定的运动。该机构在应用中主要是利用油缸活塞杆的伸缩(即图2中EF长度的变化)来实现门扇M的旋转。

注:CE——后臂;CD——前臂; EF——变幅油缸;AD——门扇

3.1.1 运动学分析

由于在防淹门门扇启闭时应尽量减少水头动载压力,故将门扇的开启角速度ω设为定值,使门扇匀速开启或关闭。

门扇的旋转速度和活塞杆运行速度的关系可利用封闭矢量法计算。

以图2点O为原点,OA和OB为X、Y轴建立坐标系,以E点为研究动点,以矢量a、b、c、f来表示各构件长度及方向。

首先以双摇杆机构为研究对象,建立位移方程:

(1)

(2)

再建立速度方程,得:

(3)

(4)

解以上方程,得:

(5)

(6)

又:

(7)

(9)

(10)

再建立速度方程,得:

(11)

(12)

建立加速度方程:

(13)

(14)

3.1.2 动力学分析

按国家相关规范要求,平开式防淹门须在1.5m水深时也能顺利启闭。启闭装置驱动门扇时的主要阻力来自门扇承受的水压力和装置的摩擦阻力。为了简化计算,忽略各铰链处的摩擦阻力。

当门扇闭门时,由于门扇两侧水压相抵,故启闭装置承受的水压力很小。当门扇开启时,由于仅门扇外侧注水,故启闭装置须克服静水压力,开门力最大。其水压力图如图3所示。

图3 平开式防淹门静水压力图

则有:

(15)

(16)

式中:

P——总水压力,kN;

γ——水的重度,可取10kN/m3;

A——门扇应流面积,m2;

Hs——水深,取1.5m;

Hc——P力作用点位置高度,m。

如水流速稳定,则设备静水压力只与门扇的迎流面积有关。设门扇宽为L,得:

(17)

取油缸推力为F,将启闭装置作为整体研究,由力平衡条件可得:

(18)

联立式(15)-式(18)可得油缸推力

(19)

3.2 机构参数设计

根据规范要求,整个装置的操作时间应低于90 s。考虑到闭锁动作比较耗时,故将开关门的操作时间设置为20 s。

受制于土建空间限制,可设计出启闭装置各部件的关键尺寸。其中,a=2 650 mm,b=1 400 mm,c=2 830 mm,d=1 550 mm,e=980 mm,g=1 100 mm,m=825 mm,油缸活塞杆收缩后长度f=1 157 mm,行程800 mm。根据以上数据可求得其他参数。

4 控制系统关键技术与仿真

启闭装置的控制系统主要由远程控制系统、就地控制系统、液位监控系统和液压工作站系统构成。远程平开式防淹门采用的远程控制系统、就地控制系统及液位监控系统与降落式防淹门采用的完全一致,在此不再赘述。

4.1 液压工作站系统

液压工作站系统主要由液压缸、液压马达、液压泵、液压控制系统和液压辅助系统组成。当防淹门接收到指令后,启动电机带动液压泵运转,为液压系统提供动力。通常1套防淹门由2樘门组成,每镗门各由1套液压泵站驱动。为了提高系统可靠性,将2套泵站设计成互为备份。在特殊情况下,如1套泵站受损,则可由另1套泵站驱动2樘门启闭。

液压控制系统的2套子系统通过手动换向阀连接。每套子系统包括1套与电机驱动的油泵。油泵并联设置1套手动泵,并与油箱连接。油泵和手动泵的入油管加装吸油滤油器与油箱联通,出油管与阀组联通;阀组回油管通过回油滤油器连入油箱。此外,油箱还装有液位计、液位继电器和电接点温度计。油泵与3套换向阀组连接,每组换向阀组同样由1套电磁换向阀和1套手动换向阀并联搭接而成。第1套换向阀组与液控单向阀连接,单向阀与两位两通手动锥阀连接,手动锥阀与拉杆油缸连接,同时接通油箱;第2套换向阀组与液控单向阀连接,单向阀与单向节流阀连接,节流阀与两位两通手动锥阀连接,手动锥阀与工程油缸连接,同时接通油箱;第3套换向阀组与两位两通手动锥阀连接,手动锥阀与液压马达连接,同时接通油箱。此外,在阀组外加装压力继电器、压力表及压力表开关。防淹门液压控制系统及电气原理如图4所示。

4.2 启闭装置的安全保障

防淹门作为地铁隧道的关重设备,在开启状态时必须严格保证位置锁定,以保障列车运行的绝对安全。根据行业标准要求,地铁隧道防淹门的安全锁定装置不应少于2套,且机械锁定、电气锁定装置各不应少于1套。防淹门机械锁定装置将门扇锁定在开启位置,其解锁应能实现自动控制和手动控制。

注:1——油箱; 2——空气滤清器; 3——电机; 4——手动泵; 5——油泵; 6——吸油滤油器; 7——回油滤油器; 8——液位继电器; 9——电接点温度计; 10——单向阀; 11——电磁换向阀; 12——直动式溢流阀; 13——压力表开发; 14——压力表; 15——压力继电器; 16——手动换向阀; 17——节流阀; 18——电磁换向阀; 19——叠加式液控单向阀; 20——叠加式单向节流阀; 21——两位两通手动锥阀

图4 液压工作站原理图

平开式防淹门不仅设有专门的机械锁定装置和电气锁定装置,而且其启闭装置上还设有辅助机械锁定装置。该辅助机械锁定装置即在启闭油缸上安装液压锁。当门扇处于开启位置时,液压锁锁定油缸活塞杆,防止油缸泄压,从而防止门扇自动关闭。

5 建立启闭机构模型及仿真

采用PRO/E软件建立防淹门启闭机构的三维模型,并定义好装配关系,然后将模型导入ADAMS。液压系统初步设计将门扇开启90°,耗时20 s。经过虚拟样机仿真得到活塞杆的速度时间曲线和推力-时间曲线,如图5、图6所示。

仿真结果表明,在门扇开门到位的末端(18.7 s后),油缸推力急剧增大,超过液压设计系统压力。

图5 活塞杆速度-时间曲线

而在之前,整个载荷波动比较平顺,油缸最大推力约为128 kN,与设计值125 kN基本一致。经过分析发现,当门扇开启90°时,由于油缸与门扇夹角太小,导致垂直于门扇的分力太小,考虑到空间的因素,故在后续优化中将门扇开启角度稍微缩小。

图6 油缸推力-时间曲线

6 结语

平开式防淹门是防灾设备和人防设备一次大胆的结合,自动化程度高。通过对关键部件启闭装置的运动仿真,为液压和控制系统设计提供参考,同时有效地验证了在空间受限的情况下,防淹门的启闭装置设计的合理性和安全性。目前,该设备已经通过了型号定型试验,即将应用于南宁地铁2号线工程中。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫局.地铁设计规范:GB 50157—2003[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁隧道防淹门:CJ/T 453—2014[S].北京:中国标准出版社,2014.

[3] 王三民,诸文俊.机械原理与设计[M].北京:机械工业出版社,2000.

[4] 刘细龙,陈福荣.闸门与启闭设备[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[5] 郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[6] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,1998.

Design and Analysis of the Opening and Closing Device for Subway Tunnel Flat Open Flood Gate

TIAN Jiangze, ZHANG Ruilong, YUAN Daiguang, XU Sheng

The opening and closing device is a critical component for subway flood gate. Based on the design of opening and closing device for flat open flood gate,then combined with the structural characters and application environments,the kinematics and dynamics of the opening and closing device are analyzed,the control system design and security settings are also introduce.The operation of flat open flood gate indicates that the opening and closing device occupies smaller space and operates faster,so the structure is reasonable and reliable.

subway tunnel; flat open flood gate; opening and closing device; simulation analysis

TH123

10.16037/j.1007-869x.2016.12.004

2015-03-11)