基于隧道动态风压的站台门优化方案研究

梁海健　何东山

摘  要：地铁高峰期部分站台门因为隧道动态风压过大出现二次关门等故障，影响了地铁正常运营。通过对隧道动态风压数据进行实测分析，研究风压对站台门运行阻力的影响，对站台门的电机选型、门控器（DCU）、摩擦副结构进行优化，解决了动态风压过大导致的站台门二次关门。

关键词：站台门;动态风压;二次关门;双闭环智能控制;滚动摩擦结构

中图分类号：U279          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）17-0146-02

Abstract： During the peak period of subway， secondaryclosing happen to some platform doorsbecause of the excessive dynamic wind pressure in the tunnels， which affected the normal operation of the metro. Through the measurement and analysis of the dynamic wind pressure data in the tunnels， this paper studies the influence of wind pressure on the running resistance of platform screendoor，optimizes the motor selection， door controlunit （DCU） and friction pair structure of platform screen door， and solves the secondary closing of platform screen door caused by excessive dynamic wind pressure.

Keywords： platform screen door; dynamic wind pressure; secondary door closed; doubleclosed-loopintelligent control; rolling friction structure

引言

地铁运营高峰期行车密度和行车速度不断增大，部分站台门因为隧道内的动态风压增大出現二次关门等故障，导致停站列车无法按计划发车，给运营带来了很大的压力。本文通过对隧道动态风压进行实测，分析风压工况下站台门的运行阻力，通过站台门电机合理选型、双闭环DCU智能控制、传动结构等优化方案解决了站台门二次关门的故障。

1 站台门轨行区动态风压测试

本次测试选择某地铁标准车站进行测试，各环控系统为常规配置，线路列车的最高运行速度为80km/h。

在站台门轨行区采用风压传感器对风压进行实时测量采集。模拟高峰期线路行车工况：列车停稳站台门运动过程中后方区间正有列车驶来进行了测试，得到风压数据如图1所示。

根据图1可知，考虑车站内环控系统不同工况下的隧道动态风压，动态风压测量的最大值为-175Pa。因本工况下测试隧道内只有2辆列车，没有多辆列车在地铁隧道中连续运行建立背压，实际中该线路的隧道动态风压会更大。

2 站台门运动受力分析

站台门一道滑动门由两扇门体组成，每扇门通过顶部悬挂装置与同步带刚性连接，悬挂装置滚轮支撑门体在上部导轨上运动，滑动门下部设置有导靴与门槛导槽，其运动过程中的摩擦副主要是上步悬挂装置滚轮与导轨摩擦副和底部的导靴与导槽摩擦副。

现有站台门相关参数如下：滚轮与导轨之间的滚动摩擦系数μ1=0.05cm，滚轮接触面半径为4cm;滚轮与导轨之间的滑动摩擦系数μ2=0.15;导靴与导槽之间的摩擦系数μ3=0.2;单扇门重量m：82kg;单扇门面积s：2.2m2;同步带传动效率：η1=0.98;减速器电机传动效率：η2=0.7;隧道风压：p。

站台门两扇滑动门运动过程中的阻力包括：悬挂装置滚轮与导轨之间固有的滚动摩擦力F1=2mgμ1/r。动态风压的作用使站台门上部的滚轮对导轨，下部的导靴对导槽产生正向压力。滚轮与导轨之间侧向滑动摩擦力F2=μ2ps;导槽与导靴的滑动摩擦力F3=μ3ps;同时有滑动门密封毛刷和安装精度等引起的固有摩擦力F4（考虑为15N）。当站台门运行阻力（F1+F2+F3+F4）大于电机的最大输出力会导致二次关门故障发生。

3 站台门的优化设计方案

根据前述分析可知，站台门运动过程受阻主要受到动态风压、传动结构的摩擦系数、站台门电机最大输出力等的影响，因此可从以下方面进行考虑优化。

3.1 电机功率选型

站台门相关规范要求阻止滑动门关闭的力不应大于150N（在匀速区间测量），滑动门最大动能为10J。以上要求是为了在发生夹人夹物时保护乘客安全。站台门运动过程中其匀速区段为最大速度，根据动能公式可计算得站台门的最大速度为v=0.494m/s。站台门电机所需功率为：P1=Fmaxv/（η1*η2）。部分站台门厂家未考虑风压的影响将Fmax直接取为150N的做法，得到功率为110W，并为更好的满足要求，将功率取为100W，此时反推得站台门仅可在135Pa以下风压正常工作。但根据第2节的分析，站台门计算功率应采用系统固有运行阻力F1、F4和设计关门力150N和185N作为输入条件，计算得电机功率为133W，此时理论上可在195Pa以下的风压正常工作可大幅增大站台门适应的动态风压范围。但因为现实中地铁高峰期的动态风压值会大于200Pa，并且站台门导轨受风压的反复压力会产生疲劳变形，也会逐渐增加运动中的阻力，因此从以上电机功率选型可增大站台门适应的动态风压范围，但还无法根本解决二次关门问题。

3.2 门单元控制器（DCU）智能控制

站台门开/关门需要按照设定的运动曲线运行，通过DCU控制电机的转速和输出力矩（电流）来实现。采用智能化DCU监测电机的实时电流和转速，精确判断站台门关门受阻时候的障碍物类型（夹人夹物或风压/风速），在确保乘客安全的前提下，实时控制站台门的输出力矩，解决二次关门问题。DCU与电机构成的双闭环直流调速系统原理如图3所示。

关门过程中由于门体运动惯性的存在，受到风压阻力时站台门速度是缓慢下降知道停止的，电流信号曲线是缓慢增大到一个定值，类似于斜坡信号。当关门过程中夹人夹物遇阻时，因为人或物的存在于两扇门之间导致门体突然停止不动，对电机转速是迅速下降到接近0，对负载电流的影响是瞬间增大，电流、转速信号类似于脉冲信号。因此可根据监测信号进行判断障碍物类型。

双闭环直流调速系统根据判断结果执行的控制策略如下：（1）开门过程中因为不会发生夹人夹物安全事件，发生隧道动态活塞风压增大阻碍开门时，DCU控制提高电机输出功率，使得站台门在满足开门运动曲线的情况下顺利开门。（2）关门过程中，增大开门力首先保证站台门正常运行中电机输出功率满足关门力小于150N，当关门过程中监测到异常阻力时，DCU精准判断障碍物的类型（夹人夹物或风压/風速）。当判断为夹人夹物时，确保关门力小于150N，确保乘客安全。当判断为风压/风速引起的阻力时，滑动门驱动会切换为力矩模式，此时只运行电流环，适当增大站台门关门力的情况下，克服风压造成的阻力，以确保站台门按时、准确关闭。根据以上的控制原理与控制策略能有效解决站台门二次关门的问题。目前该技术不仅适用于新线路站台门的建设，也可用在旧线路站台门改造中。（3）优化门体摩擦副结构。站台门底部导靴与门槛优化结构示意如图4所示，将门体底部导靴与门槛的传动副从现有的面接触式滑动摩擦转换为内置滚轮的滚动摩擦，降低摩擦系数，进而减少运行阻力，该方案也能增大站台门运动过程中适应的隧道动态风压范围。

4 结束语

本文对高密度行车下站台门二次关门故障的问题进行研究，认为动态风压增大导致站台门运行阻力增大是产生二次关门的原因。从站台门专业的角度，可从电机功率合理化选型、DCU双闭环智能控制、站台门运动副采用滚动摩擦代替滑动摩擦等优化方案解决该故障，达到提高地铁线路运营效率的目的。

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