强载荷作用下地铁屏蔽门结构设计及有限元分析

韩晓兰，王城飞

（西安石油大学机械工程学院，西安 710065）

0 引言

速度快、运输效率高的地铁使我国的交通问题得到有效缓解，推动了经济的持续发展。目前，我国的16座城市大力发展城市轨道交通，这不仅解决了老百姓的出行难的问题，还降低了交通出行成本。地铁屏蔽门的出现以及发展为地铁站台人们的出行带来了安全保障，越来越得到人们的肯定。

地铁屏蔽门系统已经越来越成为地铁建设中的不可或缺的重要部分，并且也越来越成为地铁轨道运输中的列车全自动运行实现的重要基础，地下铁道乘客的安全性以及乘车舒适度也越来越被重视。与此同时地铁轨道交通运输的效率以及运行能力也需进一步提高，地下铁道轨行区的运行速度也在逐渐被提升。地下铁道轨行区运行速度增加，迫使地铁轨行区活塞风压对站台屏蔽门荷载作用也越来越被提高，地铁站台屏蔽门自身的结构强度受到了越来越大的挑战。

轨道交通运营实践表明地铁站台屏蔽门的开关门性能和自身结构强度受到轨行区隧道活塞风压的显著作用，地铁车辆在轨行区隧道内运行状况相比于活塞运行又有所不同，地铁车辆前方的气流一部分沿地铁车辆与轨行区隧道之间的环形空间产生回流，又有一部分被推动向前，这主要是因为空间之内的黏性作用和气流会对轨行区隧道内壁之间和地铁车辆表面会有摩擦作用，从而会使地铁车辆挤出的气流不同于在开放大空间中的形式能够及时散开。所以在地铁车辆运行时正前方气流受到挤压时会形成特定的压力变化进程，从而造成空气动力学效应，空气动力学效应会因为行车速度加快而加剧。在地铁车辆的运行过程中，通常车头部位的压力偏高，通常为正压，一般车尾位置压力偏低，为负压，车身中间部位压力介于二者之间，且会从车头部位向车尾部位逐渐递减，会随着地铁车辆的运行方向从前到后出现压力梯度。

屏蔽门系统的整体强度设计通常根据隧道内的最大风压值设计，但是近年来地铁客运量极速增加，在考虑经济性的同时，提高发车频率、发车密度无疑是增加线路运力的不二选择。但地铁屏蔽门的受压会随着发车频率、发车密度的提高而增加，当达到一定程度时，隧道风压会急剧增加，给屏蔽门的安全性能带来极大考验［1］。

目前，在国内没有屏蔽门的地铁线上，时常会发生一些安全事故。近年来，地铁客运量以及客运时间显著提高，安全事故隐患也随之提高。在地铁站台安装屏蔽门可以同时满足降低地铁运行能源损耗，减少维护保养成本支出，保证乘客安全乘坐地铁等目标需求。现在屏蔽门系统在轨道交通建设中体现越来越重要的作用，各个屏蔽门厂家、设计单位以及各高等院校都在研究，并发表了许多文章，铁道第二勘察设计院的向骏在对屏蔽门的防夹设计、控制设计等方面进行设计。中南大学、广州市地下铁道设计研究院的杨伟超等［2］在对地铁活塞风作用下屏蔽门的气动特性进行探讨。华南理工大学的陈海辉［3］提出了一种地铁屏蔽门的机械设计方案，阐述主要部件的构造和作用、研究屏蔽门承受的外荷载，提出工况组合及校核内容，采用板单元、梁单元组合假设来简化力学模型。南京理工大学的尹盼春［4］完成了屏蔽门的硬件电路设计，其中的控制系统包含电源、驱动、控制等模块。华南理工大学岑永明［5］借鉴上海地铁10号线地铁工作经验在他的机电拖动系统设计方案中设计了屏蔽门的绝缘系统。南京理工大学雷菊珍［6］分析计算主要承载部件的强度和刚度，对屏蔽门系统进行有限元分析。

本文根据太原地铁工程需求设计门体、门机等系统在内的机械结构。并基于ANSYS软件模拟极限载荷下地铁屏蔽门门体结构的强度、刚度及稳定性。最后在实验室进行风荷载（风压荷载）与线荷载（人群挤压荷载）的模拟，验证门体结构的可靠性以及稳定性［7-8］。

1 地铁屏蔽门系统的有限元分析

1.1 地铁屏蔽门系统结构的有限元建模

对地铁屏蔽门进行结构分析，包括滑动门、固定门、应急门（各宽986.5 mm、2 607 mm、1 303.5 mm）。立柱选材：70 mm×70 mm×4.0 mm，采用Q235B制造；门机梁选材：7 200 mm，6063-T5制造；门体（滑动门、固定门、应急门）钢通型材选用304 L不锈钢；固定门、应急门玻璃为10 mm厚的钢化玻璃，滑动门玻璃为8 mm厚的钢化玻璃。

本文基于ANSYS软件，首先建立地铁门体的几何模型；其次，分析4种情况下地铁门屏蔽系统的位移量及强度。屏蔽门结构采用底部固定约束，本文分析采用位移型约束，即约束结构3个方向的平动自由度；结构两侧约束X方向自由度结构顶部约束Z方向自由度。主要目的在于分析整个结构在4种情况下，门体结构的应力分布和位移云图。4种情况包括：风荷载为900 N∕㎡、风荷载为-900 N∕㎡，线荷载为-1 000 N∕m、线荷载-1 000 N∕m与风荷载-900 N∕㎡的联合作用。

1.2 有限元结果分析

4种情况下所获得的地铁屏蔽门系统的位移云图和强度如下。

（1）工况一

在风荷载900 N∕m2的作用下，位移云图如图1～3所示。可以看出，该结构的最大位移为13.434 mm，发生在地铁屏蔽门结构的固定门玻璃形心。最大位移较小，因此，在此荷载条件下不影响结构稳定运行，且门框与玻璃的最大位移分别为5.402 3 mm、13.434 mm。

图1 屏蔽门整体位移云图

图2 屏蔽门框架位移云图

图3 屏蔽门玻璃位移云图

图4所示为地铁屏蔽门系统的等效应力分布（Equivalent Stress）云图。通过查看结构应力云图可以看出，结构最大应力在结构贴合处为156.77 MPa，在其他位置，大部分区域应力分布为蓝色和绿色，说明应力均比较小，可以在此载荷条件下结构稳定运行。

图4 屏蔽门整体应力云图

（2）工况二

在风荷载-900 N∕m2的作用下，位移云图如5～7所示。图中表明：最大位移在地铁屏蔽门的固定门玻璃形心为14.003。最大位移较小，因此，在此荷载条件下不影响结构稳定运行，且门框与玻璃的最大位移分别为5.627 6 mm、14.003 mm。

图5 屏蔽门整体位移云图

图6 屏蔽门框架位移云图

图7 屏蔽门玻璃位移云图

在风荷载-900 N∕m2的作用下，地铁屏蔽门系统的应力云图如图8所示。可以看出，结构最大应力在结构贴合处为141.9 MPa，在其他位置，大部分区域应力分布为蓝色和绿色，说明应力均比较小，可以在此载荷条件下结构稳定运行。

图8 屏蔽门整体应力云图

（3）工况三

在线荷载-1 000 kN∕m的作用下，位移云图如图9～11所示，图中可以看出，该结构的最大位移为6.794 5 mm，发生在地铁屏蔽门结构的左应急门玻璃形心。最大位移较小，因此，在此荷载条件下不影响结构稳定运行，且门框与玻璃的最大位移分别为4.145 6 mm、6.794 5 mm。

图9 屏蔽门整体位移云图

图10 屏蔽门框架位移云图

图11 屏蔽门玻璃位移云图

在线荷载-1 000 kN∕m的作用下，地铁屏蔽门系统的应力云图如图12所示。结构最大应力在结构贴合处为188.95 MPa，在其他位置，大部分区域应力分布为蓝色和绿色，说明应力均比较小，可以在此载荷条件下结构稳定运行。

图12 屏蔽门整体应力云图

（4）工况四

在线荷载-1 000 N∕m与风荷载-900 N∕m2的联合作用下，位移云图如图13～15所示。图中可以看出，该结构的最大位移为15.004 mm，发生在地铁屏蔽门结构的固定门玻璃形心。最大位移较小，因此，在此荷载条件下不影响结构稳定运行，且门框与玻璃的最大位移分别为10.797 mm、15.004 mm。

图13 屏蔽门整体位移云图

图14 屏蔽门框架位移云图

图15 屏蔽门玻璃位移云图

在线荷载-1 000 kN∕m的作用下，地铁屏蔽门系统的应力云图如图16所示。在应力云图中表明，结构最大应力在结构贴合处为256.54 MPa，在其他位置，大部分区域应力分布为蓝色和绿色，说明应力均比较小，可以在此载荷条件下结构稳定运行。

图16 屏蔽门整体应力云图

2 实验验证

针对上面4种情况，对地铁屏蔽系统样机的结构测试。在该样机上选取9个点，分别测量了9个点的位移量，分别是：（1）左滑动门左竖料框上端；（2）左滑动门左竖料框中点；（3）左滑动门左竖料框下端；（4）左滑动门右竖料框上端；（5）左滑动门右竖料框中点；（6）左滑动门右竖料框下端；（7）左应急门玻璃形心；（8）右滑动门玻璃形心；（9）固定门玻璃形心。

如表1～2所示，通过对比4种工况下有限元分析与实验结果数据对比位移偏差接近，整个检测过程由第三方出具检测报告，达到工程设计指标要求。如图17所示。

表1 门框有限元与实验验证最大位移量对比

表2 玻璃有限元与实验验证最大位移量对比

3 结束语

本文依托某市地铁二号线工程，针对屏蔽门系统的结构，并根据某市地铁二号线屏蔽门项目所要求的设计参数和技术指标，对4种极限工况下地铁屏蔽门系统进行有限元分析与强度校核及结构测试实验验证。当风荷载为900 N∕m2、风荷载为-900 N∕m2。线荷载-1 000 N∕m与风荷载-900 N∕m2的联合作用3种工况下，屏蔽门结构的最大位移主要发生在地铁屏蔽门结构的固定门玻璃形心。当线荷载为-1 000 kN∕m时屏蔽门结构的最大位移主要发生在左应急门玻璃形心。4种工况载荷下，门框的最大位移均发生在左滑动门右塑料框中点。通过对比有限元分析以及实验结果，本次设计符合强度、刚度及稳定性的要求。

图17 测点结构性能