基于隧道动态风压的轨道交通站台门系统设计

摘 要：隧道动态活塞风压是导致地铁运营期间站台门关门受阻的原因之一，鉴于此，从机械传动系统及站台门DCU软件两个方面展开具体分析，通过建立传动系统结构模型，并进行受力验算确定站台门电机扭矩、功率选型。基于上述分析，提出站台门动作受阻的解决措施，旨在促进地铁线路的安全运营。

关键词：隧道动态风压;站台门;DCU软件

0    引言

站台门系统是与行车组织直接相关的车站设备，其直接影响列车准点率。目前站台门系统一般根据环控专业提供的隧道最大压力值进行站台门结构强度设计，但随着全国各地地铁进入网络化运营，客流不断增加，行车密度不断加大，受隧道动态活塞风压的影响[1]，国内不少城市均出现了运营期间站台门关门受阻、关门慢甚至无法关门的现象，直接影响了列车的正常运营。站台门系统需要考虑开关门过程中受到隧道动态风压的影响，这就对站台门的系统设计提出了新的要求，有必要对基于动态风压的站台门系统设计进行分析，并提出解决方案。

1    站台门传动系统阻力计算

造成站台门无法正常关閉的主要原因是滑动门受活塞风压影响造成关门阻力变大，控制系统无法驱动门体正常运动关门，所以首先对站台门传动系统阻力进行分析、计算。

1.1    传动系统结构模型

站台门系统每道标准滑动门配置一套传动装置，传动方式一般有丝杠螺母副和皮带传动两种[2]，本文以国内最常用的皮带传动为例进行介绍。皮带传动系统主要由电机/减速机、皮带、悬挂装置、导轨、导靴、导槽等组成，一道滑动门由两扇门体组成，每扇门通过顶部悬挂装置与皮带刚性连接，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，电机带动皮带运行，正常情况下，导靴处在导槽中间，两边留有间隙，两者不接触。电机由DCU进行智能控制，滑动门开门运动曲线包括启动—匀加速—匀速—匀减速—停止等5个阶段。

1.2    传动系统阻力计算

传动系统阻力计算所用到的参数包括各传动部件的摩擦系数、传动比、传动效率、皮带轮直径、门体重量/规格、皮带张紧力等等。下面结合工程经验，按国内常规站台门的传动系统参数代入计算，动态风压最大值按±400 Pa考虑（实际工程以空调专业提资为准）。

1.2.1    加速启动时最大运行阻力计算

根据站台门滑动门动作工况，其在开关门瞬间的运行阻力是最大的，此时电机须克服传动系统各部件之间固有的摩擦阻力及启动瞬间按一定加速度的驱动力总和。电机启动时最大阻力按式（1）计算：

Fmax=Fm+FG                   （1）

式中，Fmax为电机启动时需要克服的最大阻力（N）;Fm为电机启动时需要克服的最大摩擦阻力（N）;FG为电机按一定加速度启动时所需要的驱动力（N）。

（1）静摩擦力Fm计算。

由于隧道活塞风压载荷是均布载荷，根据门体结构，可假设风压引起的门楣毛刷对门体的支撑力、导靴与门槛导槽、滚轮与导轨3组支撑力相同，滑动门开关门瞬间的摩擦运行阻力包括：

1）门扇重量引起的滚轮与导轨之间的滚动摩擦力F1=80.36 N;

2）风压作用下引起的导轮与导轨侧面发生接触产生的滑动摩擦阻力F2=86 N（无风压时，该值为0）;

3）风压作用下导靴与导槽之间发生接触形成的滑动摩擦阻力F3=114.67 N（无风压时，该值为0）;

4）风压作用下门楣毛刷对门体悬挂装置接触形成的滑动摩擦阻力F4=86 N（无风压时，该值为0）;

5）皮带与齿轮之间的摩擦力F5=4.5 N。

则Fm=F1+F2+F3+F4+F5=371.53 N。

（2）启动加速瞬间所需要的驱动力FG。

电机启动加速按式（2）计算：

FG=2ma                                （2）

式中，m为单趟门重量，取82 kg;a为开关最大加速度（根据开关门时间及动能要求，计算结果最大加速度为1.1 m/s2）。

则FG=180.4 N。

（3）开关门瞬间最大运行总阻力。

开关门瞬间电机需要克服的最大阻力为551.93 N。

1.2.2    匀速运行阻力计算

站台门匀速运行阶段，不需要考虑加速度及张紧力，F匀速=

Fm-F5=367.03 N。

2    站台门电机扭矩、功率选型计算

根据传动原理及相关公式，可计算出电机的启动扭矩为1.38 Nm，电机的额定扭矩为0.92 Nm，电机的额定功率为194.75 W。

综上所述，在400 Pa动态风压作用下，按常规站台门系统参数计算，站台门电机选型的启动扭矩不应小于1.38 Nm，额定扭矩不应小于0.92 Nm，电机额定功率不应小于194.75 W。

3    站台门DCU软件设计

除了机械传动系统对站台门开关门有直接影响外，站台门DCU软件设计也是影响站台门开关的另一个重要因素。站台门每个门单元均设置DCU，用于控制每个滑动门单元的动作，安装在门体上部的顶箱内，DCU本身就是一个控制单元，其安装的软件可实现对电机速度、电流、正反转等的控制。

图1是典型的站台门关门速度曲线图，从图1可以看出，整个关门过程为加速—匀速—减速—匀速—减速，关门故障集中体现在低速匀速区，该区域DCU软件设计主要取决于规范中的滑动门功能要求（不大于10 J及最后行程1 J）及阻止滑动门关闭的力不应大于150 N，该行程段是DCU软件设计的重点及难点。

为确保阻止关门力满足不大于150 N规范要求，站台门系统DCU软件须对电机的输出力（限制电流）进行人为限制，目前各站台门厂家一般通过软件限制电机的输入电流来实现。该电流限制阈值应满足以下两个条件：

（1）电机的设定输出力（限制电流）F=滑动门传动系统运行阻力F总+150 N（阻止关门力）;

（2）电机的设定电流阈值应小于电机额定电流。

条件（1）中，F总包括两部分力，一部分是不考虑隧道活塞风压等因素，传动系统固有的运行阻力（计为F固）;另一部分为受隧道活塞风压影响，造成的运行阻力（计为F风）。其中F固在机械传动系统、产品定型后就是固定值，F风是随机变化的，不同线路甚至同一线路的每个车站、每个门单位，每个时刻都是不同的，因此可扩展为：电机的设定输出力（限制电流）F=F固+F风+150 N（阻止关门力）。

电机的设定输出力（限制电流）既要满足滑动门在匀速区段阻止关门力≤150 N要求，又要满足在可能出现的最大隧道活塞风载情况下滑动门能正常关闭。DCU软件设计可将电机的输出力（限制电流）设置为F固+150 N（阻止关门力），则既可满足规范要求，又可满足动态风压开关门的要求，但前提是需满足最大风压下造成的阻止力F风≤150 N。另外，从电机寿命角度考虑，DCU软件设计电机的输出力（限制电流）还应小于所选电机的额定电流。

4    基于隧道动态风压的站台门解决方案

上述分析系统介绍了站台门的传动系统模型、运行阻力计算、电机功率、扭矩选型计算以及DCU软件设计的要点，那么解决站台门动态风压问题，系统设计应重点关注以下内容：

（1）明确动态风压设计输入。动态风压的大小直接影响站台门的开关门，为应对动态风压对屏蔽门开关门的影响，站台门系统的设计输入载荷应在原有疲劳风载（用于核算屏蔽门疲劳强度）和最大活塞风压（用于核算屏蔽门强度、变形量）的基础上增加动态风压最大输入值，用于核算站台门开关门过程中的运行阻力，在各阶段设计中由通风空调专业在专业提资中予以明确。

（2）合理选型电机参数。电机功率和扭矩的合理选型是保证站台门受动态风压影响时正常开关门的基本条件，如电机功率选择过小，电机额定电流小于DCU软件设计电流阈值，则无法保证电机寿命;亦或为保证电机寿命，把电流阈值调至电机额定电流，人为降低了电机输出力，此时即使风压引起的运行阻力小于150 N也不能满足开关门要求。具体工程设计时，可根据每条地铁线路站台门传动系统的相关技术参数，环控专业提供的动态风压最大值，对电机功率及扭矩进行核算[3]。

（3）DCU軟件设计要求。正确设计DCU软件也是确保站台门正常开关门的基础条件，如DCU设置的电机输出力（限制电流）过小，甚至未考虑系统固有阻力，那么就容易造成受风压影响出现关门故障的情况。正确的DCU软件设计电机的输出力（限制电流）应为F固+150 N（阻止关门力），其中系统固定阻力是一定要涵盖在内的;另外软件设计时，应在此基础上上下浮动，形成若干条电流曲线，实际应用于工程时，可根据实际需要通过DCU软件调整以选择相应合适的电流曲线。

（4）减小传动系统摩擦系数，弱化风载影响。解决站台门开关门故障最直接的办法是控制最大风载引起的系统运行阻力不大于150 N，办法是降低传动系统摩擦系数，如站台门系统驱动装置顶部导轮由原扁平型结构改为球形滚轮结构，底部导靴与导槽由原滑动摩擦改为滚轮摩擦方式，可大大减少风压引起的运行阻力，可先进行理论计算，并在样机上验证。

（5）采用智能型DCU。要根本解决在高风压情况下站台门滑动门关门不利的问题，采用智能型DCU也是可行的办法之一。智能型DCU能判别在滑动门无法关闭时障碍物的类型（乘客障碍物或风压/风速），如是风压/风速，系统可对电机输出关门力进行智能动态调整，以确保滑动门正常按时、准确关闭，并且不影响乘客，确保安全性。

5    结语

综上所述，本文对站台门受隧道活塞风压影响造成开关门故障的问题进行了系统性分析，对站台门传动系统的结构模型、传动系统计算、电机选型、软件设计等方面进行了研究，并最终提出了基于隧道动态风压的轨道交通站台门系统设计方案及解决措施，希望本文的分析可为地铁的安全运营提供可供参考的意见。

[参考文献]

[1] 杨鑫泽.广州地区地铁车站隧道活塞风的应用研究[D].广州：广州大学，2019.

[2] 梁树栋.轨道交通站台门安全控制设计的分析[J].铁路通信信号工程技术，2018，15（5）：58-61.

[3] 豆鹏亮.地铁活塞风与新型屏蔽门环控系统的数值研究[D].上海：东华大学，2013.

收稿日期：2020-04-03

作者简介：刘鑫美（1983—），男，福建龙岩人，工程师，从事地铁站台门、电扶梯、防淹门系统设计工作。