廣州地鐵2 號線屏蔽門系統(tǒng)的選擇

1、廣州地鐵2 號線屏蔽門系統(tǒng)的選擇             摘要地鐵屏蔽門系統(tǒng)是一個典型的機電一體化產(chǎn)站務人員出入站臺公共區(qū)與非公共區(qū)的通道,緊急品,它在廣州地鐵2 號線的應用在國內(nèi)的地鐵中尚屬首次。情況下也可用作乘客疏散通道。根據(jù)屏蔽門系統(tǒng)是帶載運營的特點,對其材質(zhì)選擇、控制系統(tǒng)、執(zhí)行電機等在設計、選擇及應用全封閉式屏蔽門系統(tǒng)時應著重關(guān)注的幾個關(guān)鍵技術(shù)作了闡述。關(guān)鍵詞屏蔽門系統(tǒng),平均無故障次數(shù),故障率,門控單元,無刷直流電機     地

2、鐵屏蔽門系統(tǒng)屬于車站設備系統(tǒng)之一。它在廣州地鐵設置的主要目的是:將車站站臺公共區(qū)與軌行區(qū)隔離,簡化環(huán)控系統(tǒng),降低車站空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗;減少列車運行噪音及活塞風對車站站臺候車乘客的影響,為乘客提供一個更加舒適、安全的候車環(huán)境;防止人員跌落軌道產(chǎn)生意外事故, 為以后地鐵車輛的無人駕駛創(chuàng)造條件。屏蔽門系統(tǒng)作為一個機電緊密結(jié)合的產(chǎn)品,又工作在地鐵這個特殊的工作環(huán)境中,所以在選用屏蔽門產(chǎn)品時, 要從其功能、周圍環(huán)境對其的影響、重要零部件及子系統(tǒng)的性能上進行詳細斟酌,力求選出一個高可靠性、技術(shù)先進的屏蔽門系統(tǒng)。1 屏蔽門系統(tǒng)的整體功能1. 1 屏蔽門功能門的組成   

3、60;  屏蔽門功能門一般應由固定門、滑動門、應急門及端門組成?；瑒娱T在數(shù)量及位置上的設置應與車輛門一一對應。在兩對滑動門之間的屏蔽結(jié)構(gòu)由固定門組成。固定門是不能打開的。應急門是當列車進站的停車誤差超過了設計時所考慮的停車誤差而列車又剛好不能再進行位置調(diào)整時的疏散通道(其中包括列車未完全進站或未完全出站發(fā)生的意外情況) 。端門設置在站臺兩端,與靠站臺而設的屏蔽門垂直接壤,并與它們一起與設備房外墻構(gòu)成一個全封閉的屏蔽系統(tǒng)。1. 2 屏蔽門系統(tǒng)的氣密性      屏蔽門系統(tǒng)應采取密封措施以防止在屏蔽門兩邊有壓差的情況下氣流交換量過大,以提

4、高系統(tǒng)的整體性能。在任何兩個功能門之間、門體與頂箱及門檻之間、滑動門上端滑靴兩側(cè)與頂箱面板結(jié)合處、門體與結(jié)構(gòu)的接口等,都必須考慮靜態(tài)或動態(tài)密封方式進行密封。屏蔽門系統(tǒng)的氣密性可以直接反映出整個系統(tǒng)在制造、安裝及功能上達到的水平。      正常情況下,無論屏蔽門兩側(cè)壓力差有多大, 都不能出現(xiàn)能明顯感覺到的氣流束。廣州地鐵2 號線選用的屏蔽門氣密性標準,則要求安裝完成后的屏蔽門各條間隙不透光。香港新機場線則有具體的數(shù)字標準:在屏蔽門兩邊壓差在300 Pa 的情況下,系統(tǒng)不動作的屏蔽區(qū)域每小時每平方米面積上泄露量不超過2. 74 立方米;而經(jīng)常動作

5、的屏蔽區(qū)域每小時每米長度上的泄露量不超過3. 4 立方米 。1. 3 屏蔽門系統(tǒng)動作的故障率      屏蔽門布置在站臺邊緣,是乘客上、下列車時必須動作的設備;并且屏蔽門系統(tǒng)動作次數(shù)比較頻繁,每年運行365 天,每天連續(xù)動作20 小時,高峰期每2 分鐘開或關(guān)1 次。地鐵最大特點是準時、快捷。屏蔽門系統(tǒng)的安裝不能影響地鐵的運營計劃或延遲列車在車站的發(fā)車時間。所以屏蔽門系統(tǒng)的可靠性是最至關(guān)重要的。      系統(tǒng)的故障率通常用平均無故障次數(shù)( n (MCBF) 來衡量( n (MCBF) = 系統(tǒng)所

6、有門單元動作總次數(shù)/ 故障次數(shù)) 。n (MCBF) 是反映系統(tǒng)綜合性能的重要指標,它的大小與整個系統(tǒng)的設計及制造都有很大關(guān)系。像控制系統(tǒng)的信道傳輸質(zhì)量、誤碼率及機械系統(tǒng)的設計及加工水平等。由于屏蔽門系統(tǒng)與列車的運營有緊密的聯(lián)系, n (MCBF) 在可能的情況下要盡量地大。廣州地鐵2 號線首期工程16 個車站、34 側(cè)站臺安裝有屏蔽門,每側(cè)站臺30 個單元, n (MCBF) 定為60 萬次。在運營正常的情況下,大約每天全線的所有屏蔽門會有一次故障,運營部門基本上是可以接受的。香港地鐵舊線改造工程共74 側(cè)站臺,每側(cè)站臺38 套屏蔽門單元, n (MCBF) 為30 萬次,從系統(tǒng)的角度來講,

7、其精度及要求要稍高于廣州地鐵2 號線。2 屏蔽門系統(tǒng)的帶載運營      屏蔽門的運營環(huán)境為地下車站。其所承受荷載主要有三個來源:車站及隧道內(nèi)設有地鐵環(huán)控系統(tǒng)所必須的各種風機類負載,因此會造成在屏蔽門的站臺側(cè)與軌道側(cè)存在靜態(tài)壓差;列車進入及離開車站時由于列車速度所產(chǎn)生的氣流局部壓縮及局部真空而造成的活塞風對屏蔽門的風壓負載,特別要考慮到列車在有些情況下高速過站所引起的更大負載;候車乘客或意外人群對門體的沖擊力及擠壓力等。所以,當屏蔽門從被完全安裝完畢后開始運營的一刻開始,就一直處在帶負載運營狀態(tài)。系統(tǒng)的梁柱結(jié)構(gòu)(包括門框、立柱、玻璃、門機梁、頂

8、箱面板及門檻) 上都承受著大小不同的負載。根據(jù)廣州地鐵2 號線地下車站環(huán)控設備設置情況再結(jié)合土建結(jié)構(gòu)的實際情況,列車過站速度以70 km/ h 考慮,作為設計人員或業(yè)主,其各種負載類型及大小的考慮情況大致如表1 所示。表1 屏蔽門的各種負載情況所以,一個真正適合在地鐵環(huán)境應用的屏蔽門系統(tǒng),首先應滿足地鐵環(huán)境中荷載的要求。在表1 所示的四類負載作用下,屏蔽門單元的結(jié)構(gòu)框架及門體在強度及剛度上均必須達到一定的要求;玻璃與門框的粘結(jié)強度應足夠;門體、頂箱面板、立柱在內(nèi)所有構(gòu)件上的每一點的彈性變形及殘余變形均應滿足所規(guī)定的撓度要求及殘余變形要求。對整個系統(tǒng)而言,受載后屏蔽門結(jié)構(gòu)軌道側(cè)上任何一點都要保證

9、與列車動態(tài)包絡線之間的安全距離; 另外,在結(jié)構(gòu)處于受載狀況下,驅(qū)動系統(tǒng)及門體上各部件的變形必須保證滑動門的順利打開,不能因結(jié)構(gòu)受載而影響滑動門的打開速度及改變滑動開門力的大小。對于不同的列車運營速度、不同的環(huán)控模式及不同的隧道結(jié)構(gòu)形式,所產(chǎn)生的各類負載就有區(qū)別。例如香港新機場線性質(zhì)為快線,運營最高速度達100 km/ h 以上,所以其各類負載較廣州地鐵2 號線大。3 屏蔽門材質(zhì)的選擇      屏蔽門直接面對乘客,是地鐵車站占用面積最大、最醒目的設備,因此,對屏蔽門外表的裝飾及制造工藝應有嚴格的要求。屏蔽門材料通常采用鋁合金擠壓型材外加表面處理

10、或直接使用不銹鋼鈑金屬件。      對于鋁合金型材,一般采用可熱處理的強化型的變形鋁合金,具有密度小、強度高、導電性能良好等特點。其中用于擠壓為各種規(guī)格型材的型號主要是LD31(即6063 合金) 。LD31 具有中等強度, 有良好的塑性和優(yōu)良的可焊性、抗蝕性,無應力腐蝕裂傾向,可陽極氧化,適合作建筑裝飾型材及各種需要良好耐蝕性要求的結(jié)構(gòu)件。如果用LD31 制造屏蔽門門體,則要先對其進行陽極氧化處理, 然后對其表面進行氟碳噴涂或靜電噴涂等防腐措施。它的最大優(yōu)點是可以根據(jù)不同需要來選擇所需噴涂的顏色,但也需采用嚴格的噴涂工藝來保證噴涂的質(zhì)量及壽

11、命。      采用不銹鋼材料制作屏蔽門門體,一般采用奧氏體系列不銹鋼(如304L 、316 等材料) 。奧氏體不銹鋼的韌性、塑性及工藝性能相對于其它類型不銹鋼來說都比較好,且硬度適中,焊接性能較強,表面抗污力強;但在焊接中可能會出現(xiàn)晶間腐蝕,所以要采用較好的焊接工藝來預防或減少晶間腐蝕及應力腐蝕。其中的304L , 國內(nèi)牌號為00Cr18Ni10 , 抗晶間腐蝕及應力腐蝕性能優(yōu)越,焊后可不進行熱處理,且其室溫機械性能,無論硬度、強度或其它各項機械性能指標均優(yōu)于LD31 。所以,采用刷紋不銹鋼就一次解決了美觀與防腐的問題。4 屏蔽門的控制系統(tǒng)&

12、#160;     屏蔽門控制系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡在其拓撲結(jié)構(gòu)上應是總線型的局域網(wǎng)。其中PSC(中央接口盤, 也稱主控機) 、PSA (遠方操作報警盤) 以及每個DCU(門控器) 都是掛接在總線上的一個網(wǎng)絡結(jié)點。其總線結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡協(xié)議應采用公開、規(guī)范的通用形式,以便于完成與EMCS(機電設備監(jiān)控系統(tǒng)) 系統(tǒng)之間的接口。總線型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡可以保證網(wǎng)絡上任何一個結(jié)點發(fā)生故障都不會影響整個網(wǎng)絡其它結(jié)點的正常運行,并可以通過網(wǎng)絡對屏蔽門進行全程控制、運行參數(shù)修改、聲光報警等功能。屏蔽門控制系統(tǒng)在一些重要的節(jié)點及命令上也要采用硬線傳輸,充分利用其高可靠性及抗干擾性能, 保

13、證整個控制系統(tǒng)的可靠性。像PSC 與信號系統(tǒng)、PSC 與PSL (站臺端頭控制盒) 之間,以及屏蔽門的開門、關(guān)門命令的發(fā)送及反饋,均要采用硬線傳輸。      控制系統(tǒng)至少應該實現(xiàn)系統(tǒng)級、站臺級、手動三級控制。其中手動控制優(yōu)先級最高,系統(tǒng)級最低。其控制模塊一般如下:       當列車進入車站?？吭谠试S誤差范圍內(nèi)的停車位置時,信號系統(tǒng)會發(fā)出一個“ 開門”命令;此開門命令會經(jīng)過PSC 送到每個應該打開的屏蔽門單元的DCU 上, 從而控制電機驅(qū)動門體做開門動作。當所有ASD(滑動門)/ EED(應急

14、門) 打開時, DCU 會將檢測裝置檢測到的“門已打開”的狀態(tài)信息經(jīng)PSC 反饋給信號系統(tǒng)及EMCS 系統(tǒng);當列車要離開車站時,信號系統(tǒng)發(fā)出“ 關(guān)門”命令至PSC , PSC 會將關(guān)門命令發(fā)送至每個應該關(guān)閉的屏蔽門單元的DCU , 從而控制電機驅(qū)動屏蔽門開始關(guān)門。當所有屏蔽門關(guān)好以后,DCU 會將檢測裝置檢測到的“門已關(guān)閉并鎖緊”的信號反饋至信號系統(tǒng)及EMCS 系統(tǒng)。當信號系統(tǒng)收到關(guān)閉并鎖緊信號以后,才會發(fā)出開車命令。如果在整個控制過程中任何一個屏蔽門單元出現(xiàn)故障, PSC 會將DCU 及其它設備反饋給它的故障信號發(fā)送至PSA 進行聲光報警,并可將故障信息顯示在液晶顯示器上或可以通過打印機打印

15、出來,還可以通過其自身固有的串口進行故障信息的下載。      當列車、信號以及屏蔽門系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障, 導致屏蔽門無法自動打開或關(guān)閉,就要運用PSL 站臺級控制的功能,以節(jié)點發(fā)送方式使屏蔽門處于理想狀態(tài)。在每個屏蔽門單元的ASD 及EED 上, 無論在站臺側(cè)還是在軌道側(cè),均有手動裝置可將門打開。在站臺側(cè),站務人員可用專用鑰匙進行操作,使門打開;在軌道側(cè),則設有緊急把手可手動打開屏蔽門,以保證在非常時刻乘客或站務人員以最快及最方便的手段打開屏蔽門,以免發(fā)生事故。5 屏蔽門系統(tǒng)的執(zhí)行電機     

16、 屏蔽門系統(tǒng)的執(zhí)行電機屬于一種短時間周期性動作的設備。根據(jù)廣州地鐵2 號線對屏蔽門的要求,它必須在5. 5 s7. 5 s 內(nèi)完成開/ 關(guān)門一個周期,響應精度±0. 1 s 。而電機在關(guān)門階段一般就必須經(jīng)過加速、速度保持、減速、低速保持、制動五個階段。門體在整個關(guān)門行程中動能不能超過10 J , 在關(guān)門行程中的最后100 mm 不能超過1 J 。其運動速度曲線如圖1 。      在整個關(guān)門過程,電機一直處于速度不斷變化的過程中,所以要求電機要有比較好的調(diào)速性能, 而且要快速響應性好、調(diào)速精度高。一般應選用執(zhí)行類直流電機或交流變頻調(diào)速

17、電機等機械特性好的電機,并且電機應具有比較小的飛輪轉(zhuǎn)矩( GD2) 以及較小的傳動比,以減小其動態(tài)工作特性中的機械時間常數(shù),來獲得良好的跟隨特性。此外,我們還應對電機運行的過程進行分析并確定目標運行曲線。對拖動過程中電機的啟動、運行、制動過程的完成方式及其合理性進行分析,以保證有一個性能良好的門控系統(tǒng)。假設滑動門的關(guān)門時間為3 s , 滑動門開門寬度為2 m , 那么每扇門體在3 s 內(nèi)就必須完成1 000 mm 的行程。在門關(guān)閉的過程中,應嚴格控制門體速度及關(guān)門力度,避免因此夾傷乘客;還要充分考慮電機在整個行程中的啟動及制動過程。所以,我們要選定一條電機運行曲線, 使得門體的運行平穩(wěn)、快捷、

18、噪聲小、無明顯抖動; 還要保證門體夾到乘客以后,作用于乘客的夾緊力及動能足夠小,以防夾傷乘客。圖1 屏蔽門運動速度曲線圖廣州地鐵2 號線屏蔽門系統(tǒng)選用了額定電壓為110 V 的無刷直流電機。此電機呈細長形式,定子內(nèi)外徑比值小,轉(zhuǎn)動慣量低。電機采用16 位的微機脈寬調(diào)制(PWM) 閉環(huán)控制,驅(qū)動回路采用場效應晶體管( FET) 三相星形全橋驅(qū)動,可以實現(xiàn)電機的雙向四象限運行。      用戶只要根據(jù)需要在DCU中設定電機的目標運行曲線,DCU 便會在速度、轉(zhuǎn)矩、工位等各個參數(shù)上控制電機按照所設定的曲線參數(shù)進行工作?？萍荚诓粩嗟匕l(fā)展,社會文明也在不斷發(fā)展。屏蔽門系統(tǒng)將會逐漸走入中國