地铁出入口防淹门设计

2021-07-31李虎张康刘浩杨传良

机械 2021年7期

李虎，张康，刘浩，杨传良

（1.济南轨道交通集团有限公司，山东济南250000；2.青岛泰科轨道车辆科技有限公司，山东青岛266000）

地铁是现代化城市交通系统的重要组成部分。我国南方大部分地区及北方小部分地区的夏季气候受热带和亚热带气团控制，降水集中且发生时间较短，往往在4～5 h内产生洪峰，留予地铁防洪准备的时间少，导致地铁站出现水淹危害。地铁防洪作为确保地铁安全运营的措施，应作为地铁设计、建设、运营管理的重点之一[1-4]。地铁出入口是车站防淹的重点和难点，在运营阶段虽然有天气预警，但为了方便乘客，往往不能提前封堵车站的出入口，险情来临之际，出入口的封堵量比较大、封堵措施便捷度不高，极易造成水淹出入口。地铁出入口防淹门是防止地铁站水淹的有效措施。该系统由机械系统和控制系统两部分组成，在不影响地铁出入口美观的同时兼具可靠度高、反应速度快、成本低廉、操作简单、安装检修方便等优点。目前，在我国上海、广州、武汉等城市的地铁工程中，设置防淹门系统的应用实例较多[3]。

1 地铁出入口防淹门设计

1.1 机械系统设计

防淹门机械部分主要由闸门、液压启闭设备、锁定装置及密封系统等部件组成。

常见防淹门的闸门结构形式可分为平开式和垂直式两种[5-6]。平开式闸门分为一扇门（一字门）和两扇门（人字门）两种结构，闸门启闭采用液压传动系统或螺杆传动绕门轴旋转的形式，其优点是结构简单、不受地铁站台高度限制，缺点是工程造价高、门体重、密封性差。垂直式闸门（又叫升降式闸门）门体为单扇，采用液压传动系统控制门体升降，其优点是结构较简单可靠、工程造价低、密封性好，缺点是闸门上方需要较大空间。

基于防淹门成本及密封性能等需求，并为了解决垂直式防淹门对空间的适应性问题，本文设计了一种地铁出入口垂直式防淹门，其机械系统如图1所示。由图1知，该防淹门基体置于地面以下，避免了传统防淹门占用地铁站台上部空间的问题。闸门外壳结构采用SUS304不锈钢，内部框架结构采用Q235钢，Q235钢框架表面进行磷化镀锌处理，防止液体锈蚀。闸门与防淹门地面设施之间采用密封胶条密封，防止防淹门门框内部渗水。

图1 防淹门机械系统

液压启闭装置具有具有反应快、功率重量比小、精度高、抗干扰能力强等特点[7]。液压启闭设备为液压油缸、电机、活塞杆、电磁阀及电控元件组成的电液私服系统，该系统电机额定功率为2.2 kW，液压泵系统流量13 L/min，额定压力80 bar。电机输出机械能通过液压泵转化成液压油的压力能，液压油经过液压管道、液压阀进入液压缸，通过液压缸活塞杆的伸缩驱动闸门启闭、锁定、松开等动作。防淹门液压启闭系统配置了三个液压油缸，升降油缸作用于活塞杆上的力可控制闸门在闸门导轨范围内运动，两个锁紧油缸分别控制防淹门的横向和纵向锁紧及松开动作。

1.2 控制系统设计

防淹门控制系统由水位监视系统、主控制箱、控制手柄、触摸屏、可编程控制器（PLC）以及传感器等元件组成。PLC是防淹门动作控制的核心技术，该技术以其可靠性、灵活性在工业控制领域得到了越来越广泛的应用[8]。

地铁防淹门的监视系统负责地铁出入口水淹险情的预警工作，该系统由中央监视系统、站台控制室和地铁出入口现场三级监视系统组成。地铁中央监视系统、站台控制室与地铁站出入口的水位探测器相连，水位探测器发现地铁出入口存在进水风险时，将信号同时传输至三级监视系统的报警装置，实现中央、车站和现场对地铁水淹风险的同步监视，如图2所示。中央监视系统、站台控制室可实时显示水位、门体状态（启门、闭门）等信息，并监测防淹门系统的运行状况。

图2 防淹门监视系统组成

防淹门设置站台控制室和地铁出入口现场二级控制系统，地铁站台控制室和地铁出入口均可实现防淹门启闭控制。防淹门控制系统如图3所示，可知，当地铁出入口存在水淹风险时，站台控制中心可通过触摸屏直接向防淹门主控制箱内的PLC发送启闭信号，实现防淹门的启闭功能。地铁出入口现场可通过控制手柄启闭防淹门。

图3 防淹门控制系统结构框图

主控制箱发出上升信号时，油泵锁紧油缸卸载，升降油缸启动，升降阀组控制闸门上升，位移传感器检测闸门的位置，闸门上升到设定位置后停止上升。主控制箱发出锁紧信号时，油泵锁紧油缸启动，横向压紧阀组、竖向压紧阀组执行压紧动作，压紧力传感器到达预设压紧力时，油泵锁紧油缸关闭，防淹门系统上升动作完成。反之，主控制箱收到下降信号时，液压启闭系统控制闸门松开及下降，下降到设定位置后锁定闸门，完成防淹门下降动作。此外，防淹门系统设置了极限位置传感器，位置传感器置于防淹门闸门导轨内部，可根据实际需要固定位置传感器的位置，当位置传感器探测到闸门处于极限位置时，限位报警装置启动。

控制手柄和触摸屏的功能基本相似，均可以实现防淹门的升降及锁定控制。区别是控制手柄有自动、手动两种模式，两种模式通过转换旋钮切换，而触摸屏仅能实现自动控制。控制手柄的手动模式仅用于防淹门PLC控制系统单体调试过程。防淹门使用过程中，控制手柄、触摸屏处于自动模式，需要开启或关闭防淹门时，直接点击上升或下降开关，防淹门实现自动启闭。控制手柄设有紧急制动开关，触摸屏设有紧急制动按钮，紧急状态下可随时停止防淹门的任意动作。

防淹门安装时，预先对PLC控制系统进行编程，编程内容包括防淹门的急停、上升、下降、锁定、限位等程序。防淹门PLC控制系统主要包括单体调试和综合联调两种工作模式，单体调试时需使用控制手柄的手动模式，综合联调可通过控制手柄或触摸屏的自动模式完成。单体调试模式主要用于检修和调试，综合联调模式是在系统平时运行时使用。PLC的工作原理的程序框图如图4所示。

图4 防淹门PLC原理程序框图

单体调试时，通过控制手柄切换至手动模式。控制手柄控制液压油泵的启动、停止动作，此时地铁站台控制室防淹门控制系统触摸屏处于锁定状态。防淹门升降单体调试过程为：控制手柄发出上升信号，液压升降油缸驱动闸门上升，到达预定位置后停止，反之，控制手柄发出下降信号，液压系统卸载，到达预定位置后停止。防淹门系统中闸门的横向及纵向锁紧单体调试原理相同，防淹门锁紧单体调试过程为：控制手柄发出锁紧压紧信号，液压系统驱动锁定装置，到达设定压力后停止，反之，控制手柄发出锁紧松开信号，液压系统卸载，到达设定压力后停止。

综合联调时，通过控制手柄切换至自动模式。控制手柄或者触摸屏点击上升按钮，PLC控制程序检测横向锁紧和竖向锁紧是否松开到位，如果松到位则执行闸门上升动作，如果锁紧装置未松开，先将锁紧装置松开到位，再执行闸门上升动作。闸门上升过程中松开控制手柄按钮或到达闸门上限位置，系统自动停止执行闸门上升动作，启动横向锁紧和竖向锁紧，到达压力设定值后锁紧停止。控制手柄或触摸屏点击下降按钮，PLC控制程序检测横向锁紧和竖向锁紧是否松开到位，如果松开到位则执行闸门下降动作，如果锁紧装置未松开，先将锁紧装置松开到位，再执行闸门下降动作，闸门下降高度满足锁紧条件时，启动横向锁紧和竖向锁紧，到达压力设定值后锁紧停止。

2 仿真试验

根据防淹门的机械系统设计，闸门外壳结构采用SUS304不锈钢，内部框架结构采用Q235钢，外壳结构厚度及强度远低于内部框架结构，实际应用过程中，闸门外壳失效则防淹门系统破坏，因此，仿真计算时，简化仿真对象为SUS304不锈钢材质。对防淹门模型的结构强度进行有限元分析，主要分析在静态水压工况和动态水压工况下防淹门结构静强度是否满足要求。

2.1 有限元模型

针对防淹门设计的几何模型进行有限元分析，如图5所示。

SUS304不锈钢材料的力学性能如表1所示。由材料密度及体积求得防淹门总质量为1288 kg，通过底部与两侧的8个凸台固定。有限元模型按图5（a）所示坐标系设定方向：X、Z为轴平行于防淹门的迎水面；Y为轴垂直于防淹门的迎水面。

表1 有限元分析采用的SUS304材料属性

2.2 仿真过程

前处理软件、求解器和后处理软件分别为HYPERMESH、OPTISTRUCT及HYPERVIEW。为便于有限元分析，对原模型进行了适当简化。有限元模型采用二维壳单元，主体结构的单元平均尺寸为10 mm。假设防淹门材料均匀一致、线弹性不变，不考虑温度影响。

采用HYPERMESH对防淹门结构进行网格划分，主要采用壳单元模拟主体板壳结构，整个模型包括225628个单元、228884个节点。详细有限元结构的网格划分如图5（b）所示，模型中的焊接结构采用刚性单元模拟连接。根据防淹门运行过程中的实际情况约束防淹门安装处的所有自由度，如图5（c）所示。

图5 防淹门仿真计算过程

根据设计要求，计算两种静强度载荷工况。工况1是静态水压工况，水深1 m、宽6 m。工况2是水流速为4 m/s的动态水压工况，根据伯努力原理计算出迎水面承载8 kPa的水压。具体如表2所示。

通过有限元分析得到各工况下产品结构的应力分布，防淹门结构中使用的均为塑性材料，本次有限元结构分析中，防淹门的安全系数为2，则材料的许用应力如表3所示。

表3 SUS304材料许用强度

选取第四强度理论进行评估，有：

式中：σequivalent为等效应力（von Mises stress），MPa；iσ为三个方向的主应力，MPa。

根据结构中所使用材料的屈服强度，得：

式中：UF为结构的强度利用系数；σallowable为材料许用强度，MPa。

2.3 仿真计算结果

根据母材静强度评估准则对防淹门结构的静强度进行评估，要求UF≤1.0。

由表4、图6、图7可以看出，两种工况下，SUS304材料的最大静强度利用系数都小于标准规定的1.0，满足结构静强度的要求。

图6 工况1下SUS304防淹门仿真计算云图

图7 工况2下SUS304防淹门仿真计算云图

表4 SUS304防淹门静强度工况下母材强度结果汇总表

3 防淹门试验

防淹门系统必须通过单体调试和综合联调以验证其控制功能、监控功能的实现和整个系统的稳定性[9-10]。为了验证地铁出入口防淹门的制造质量和技术性能是否符合设计要求，设计了防淹门动作顺序试验和防淹门密封试验。

3.1 动作顺序试验

根据操作流程，对防淹门动作进行测试，如图8所示。测试内容包括：升降动作，即防淹门是否能够在规定时间内完成升降动作，往复测试10次以上，动作完成正常，无异常报警；锁紧动作，门体升降过程中，在任意位置停车后，门体自动锁紧，负载测试无松动。试验结果表明：此项目设计的防淹门启闭装置动作灵敏、无噪声、无卡顿，重复启闭稳定性优良。

图8 防淹门动作顺序试验

3.2 密封试验

为检验防淹门的防水性能，展开密封试验。将防淹门升起后锁紧，蓄水槽加注水800 mm后，进行静载水密试验，检测防淹门泄漏情况，如图9所示。试验结果表明，此项目设计的防淹门在设计水头压力下，保压30 min，漏水量小于0.25 m/min。蓄水槽加水后，进行24 h密封试验，在未考虑水体自然蒸发的情况下，24 h水位下降不超过10 mm，泄漏量小于0.011 m3/h。因此，所设计的地铁防淹门密封性能良好，可以有效避免地铁水淹风险。