广州地铁2 号线屏蔽门系统的选择

　　摘　要　地铁屏蔽门系统是一个典型的机电一体化产站务人员出入站台公共区与非公共区的通道,紧急品,它在广州地铁2 号线的应用在国内的地铁中尚属首次。情况下也可用作乘客疏散通道。根据屏蔽门系统是带载运营的特点,对其材质选择、控制系统、执行电机等在设计、选择及应用全封闭式屏蔽门系统时应着重关注的几个关键技术作了阐述。
关键词　屏蔽门系统,平均无故障次数,故障率,门控单元,无刷直流电机

地铁屏蔽门系统属于车站设备系统之一。它在广州地铁设置的主要目的是:将车站站台公共区与轨行区隔离,简化环控系统,降低车站空调系统的运行能耗;减少列车运行噪音及活塞风对车站站台候车乘客的影响,为乘客提供一个更加舒适、安全的候车环境;防止人员跌落轨道产生意外事故, 为以后地铁车辆的无人驾驶创造条件。屏蔽门系统作为一个机电紧密结合的产品,又工作在地铁这个特殊的工作环境中,所以在选用屏蔽门产品时, 要从其功能、周围环境对其的影响、重要零部件及子系统的性能上进行详细斟酌,力求选出一个高可靠性、技术先进的屏蔽门系统。
1 　屏蔽门系统的整体功能
1. 1 　屏蔽门功能门的组成
屏蔽门功能门一般应由固定门、滑动门、应急门及端门组成。滑动门在数量及位置上的设置应与车辆门一一对应。在两对滑动门之间的屏蔽结构由固定门组成。固定门是不能打开的。应急门是当列车进站的停车误差超过了设计时所考虑的停车误差而列车又刚好不能再进行位置调整时的疏散通道(其中包括列车未完全进站或未完全出站发生的意外情况) 。端门设置在站台两端,与靠站台而设的屏蔽门垂直接壤,并与它们一起与设备房外墙构成一个全封闭的屏蔽系统。

1. 2 　屏蔽门系统的气密性
屏蔽门系统应采取密封措施以防止在屏蔽门两边有压差的情况下气流交换量过大,以提高系统的整体性能。在任何两个功能门之间、门体与顶箱及门槛之间、滑动门上端滑靴两侧与顶箱面板结合处、门体与结构的接口等,都必须考虑静态或动态密封方式进行密封。屏蔽门系统的气密性可以直接反映出整个系统在制造、安装及功能上达到的水平。
正常情况下,无论屏蔽门两侧压力差有多大, 都不能出现能明显感觉到的气流束。广州地铁2 号线选用的屏蔽门气密性标准,则要求安装完成后的屏蔽门各条间隙不透光。香港新机场线则有具体的数字标准:在屏蔽门两边压差在300 Pa 的情况下,系统不动作的屏蔽区域每小时每平方米面积上泄露量不超过2. 74 立方米;而经常动作的屏蔽区域每小时每米长度上的泄露量不超过3. 4 立方米 。
1. 3 　屏蔽门系统动作的故障率
屏蔽门布置在站台边缘,是乘客上、下列车时必须动作的设备;并且屏蔽门系统动作次数比较频繁,每年运行365 天,每天连续动作20 小时,高峰期每2 分钟开或关1 次。地铁最大特点是准时、快捷。屏蔽门系统的安装不能影响地铁的运营计划或延迟列车在车站的发车时间。所以屏蔽门系统的可靠性是最至关重要的。
系统的故障率通常用平均无故障次数( n (MCBF)) 来衡量( n (MCBF) = 系统所有门单元动作总次数/ 故障次数) 。n (MCBF) 是反映系统综合性能的重要指标,它的大小与整个系统的设计及制造都有很大关系。像控制系统的信道传输质量、误码率及机械系统的设计及加工水平等。由于屏蔽门系统与列车的运营有紧密的联系, n (MCBF) 在可能的情况下要尽量地大。广州地铁2 号线首期工程16 个车站、34 侧站台安装有屏蔽门,每侧站台30 个单元, n (MCBF) 定为60 万次。在运营正常的情况下,大约每天全线的所有屏蔽门会有一次故障,运营部门基本上是可以接受的。香港地铁旧线改造工程共74 侧站台,每侧站台38 套屏蔽门单元, n (MCBF) 为30 万次,从系统的角度来讲,其精度及要求要稍高于广州地铁2 号线。
2 　屏蔽门系统的带载运营
屏蔽门的运营环境为地下车站。其所承受荷载主要有三个来源:车站及隧道内设有地铁环控系统所必须的各种风机类负载,因此会造成在屏蔽门的站台侧与轨道侧存在静态压差;列车进入及离开车站时由于列车速度所产生的气流局部压缩及局部真空而造成的活塞风对屏蔽门的风压负载,特别要考虑到列车在有些情况下高速过站所引起的更大负载;候车乘客或意外人群对门体的冲击力及挤压力等。所以,当屏蔽门从被完全安装完毕后开始运营的一刻开始,就一直处在带负载运营状态。系统的梁柱结构(包括门框、立柱、玻璃、门机梁、顶箱面板及门槛) 上都承受着大小不同的负载。根据广州地铁2 号线地下车站环控设备设置情况再结合土建结构的实际情况,列车过站速度以70 km/ h 考虑,作为设计人员或业主,其各种负载类型及大小的考虑情况大致如表1 所示。
表1 　屏蔽门的各种负载情况

　　所以,一个真正适合在地铁环境应用的屏蔽门系统,首先应满足地铁环境中荷载的要求。在表1 所示的四类负载作用下,屏蔽门单元的结构框架及门体在强度及刚度上均必须达到一定的要求;玻璃与门框的粘结强度应足够;门体、顶箱面板、立柱在内所有构件上的每一点的弹性变形及残余变形均应满足所规定的挠度要求及残余变形要求。对整个系统而言,受载后屏蔽门结构轨道侧上任何一点都要保证与列车动态包络线之间的安全距离; 另外,在结构处于受载状况下,驱动系统及门体上各部件的变形必须保证滑动门的顺利打开,不能因结构受载而影响滑动门的打开速度及改变滑动开门力的大小。对于不同的列车运营速度、不同的环控模式及不同的隧道结构形式,所产生的各类负载就有区别。例如香港新机场线性质为快线,运营最高速度达100 km/ h 以上,所以其各类负载较广州地铁2 号线大。

3 　屏蔽门材质的选择
屏蔽门直接面对乘客,是地铁车站占用面积最大、最醒目的设备,因此,对屏蔽门外表的装饰及制造工艺应有严格的要求。屏蔽门材料通常采用铝合金挤压型材外加表面处理或直接使用不锈钢钣金属件。
对于铝合金型材,一般采用可热处理的强化型的变形铝合金,具有密度小、强度高、导电性能良好等特点。其中用于挤压为各种规格型材的型号主要是LD31(即6063 合金) 。LD31 具有中等强度, 有良好的塑性和优良的可焊性、抗蚀性,无应力腐蚀裂倾向,可阳极氧化,适合作建筑装饰型材及各种需要良好耐蚀性要求的结构件。如果用LD31 制造屏蔽门门体,则要先对其进行阳极氧化处理, 然后对其表面进行氟碳喷涂或静电喷涂等防腐措施。它的最大优点是可以根据不同需要来选择所需喷涂的颜色,但也需采用严格的喷涂工艺来保证喷涂的质量及寿命。
采用不锈钢材料制作屏蔽门门体,一般采用奥氏体系列不锈钢(如304L 、316 等材料) 。奥氏体不锈钢的韧性、塑性及工艺性能相对于其它类型不锈钢来说都比较好,且硬度适中,焊接性能较强,表面抗污力强;但在焊接中可能会出现晶间腐蚀,所以要采用较好的焊接工艺来预防或减少晶间腐蚀及应力腐蚀。其中的304L , 国内牌号为00Cr18Ni10 , 抗晶间腐蚀及应力腐蚀性能优越,焊后可不进行热处理,且其室温机械性能,无论硬度、强度或其它各项机械性能指标均优于LD31 。所以,采用刷纹不锈钢就一次解决了美观与防腐的问题。
4 　屏蔽门的控制系统
屏蔽门控制系统所采用的网络在其拓扑结构上应是总线型的局域网。其中PSC(中央接口盘, 也称主控机) 、PSA (远方操作报警盘) 以及每个DCU(门控器) 都是挂接在总线上的一个网络结点。其总线结构及网络协议应采用公开、规范的通用形式,以便于完成与EMCS(机电设备监控系统) 系统之间的接口。总线型结构的网络可以保证网络上任何一个结点发生故障都不会影响整个网络其它结点的正常运行,并可以通过网络对屏蔽门进行全程控制、运行参数修改、声光报警等功能。屏蔽门控制系统在一些重要的节点及命令上也要采用硬线传输,充分利用其高可靠性及抗干扰性能, 保证整个控制系统的可靠性。像PSC 与信号系统、PSC 与PSL (站台端头控制盒) 之间,以及屏蔽门的开门、关门命令的发送及反馈,均要采用硬线传输。
控制系统至少应该实现系统级、站台级、手动三级控制。其中手动控制优先级最高,系统级最低。其控制?？橐话闳缦?
当列车进入车站停靠在允许误差范围内的停车位置时,信号系统会发出一个“ 开门”命令;此开门命令会经过PSC 送到每个应该打开的屏蔽门单元的DCU 上, 从而控制电机驱动门体做开门动作。当所有ASD(滑动门)/ EED(应急门) 打开时, DCU 会将检测装置检测到的“门已打开”的状态信息经PSC 反馈给信号系统及EMCS 系统;当列车要离开车站时,信号系统发出“ 关门”命令至PSC , PSC 会将关门命令发送至每个应该关闭的屏蔽门单元的DCU , 从而控制电机驱动屏蔽门开始关门。当所有屏蔽门关好以后,DCU 会将检测装置检测到的“门已关闭并锁紧”的信号反馈至信号系统及EMCS 系统。当信号系统收到关闭并锁紧信号以后,才会发出开车命令。如果在整个控制过程中任何一个屏蔽门单元出现故障, PSC 会将DCU 及其它设备反馈给它的故障信号发送至PSA 进行声光报警,并可将故障信息显示在液晶显示器上或可以通过打印机打印出来,还可以通过其自身固有的串口进行故障信息的下载。
当列车、信号以及屏蔽门系统本身出现故障, 导致屏蔽门无法自动打开或关闭,就要运用PSL 站台级控制的功能,以节点发送方式使屏蔽门处于理想状态。在每个屏蔽门单元的ASD 及EED 上, 无论在站台侧还是在轨道侧,均有手动装置可将门打开。在站台侧,站务人员可用专用钥匙进行操作,使门打开;在轨道侧,则设有紧急把手可手动打开屏蔽门,以保证在非常时刻乘客或站务人员以最快及最方便的手段打开屏蔽门,以免发生事故。
5 　屏蔽门系统的执行电机
屏蔽门系统的执行电机属于一种短时间周期性动作的设备。根据广州地铁2 号线对屏蔽门的要求,它必须在5. 5 s～7. 5 s 内完成开/ 关门一个周期,响应精度±0. 1 s 。而电机在关门阶段一般就必须经过加速、速度保持、减速、低速保持、制动五个阶段。门体在整个关门行程中动能不能超过10 J , 在关门行程中的最后100 mm 不能超过1 J 。其运动速度曲线如图1 。
在整个关门过程,电机一直处于速度不断变化的过程中,所以要求电机要有比较好的调速性能, 而且要快速响应性好、调速精度高。一般应选用执行类直流电机或交流变频调速电机等机械特性好的电机,并且电机应具有比较小的飞轮转矩( GD2) 以及较小的传动比,以减小其动态工作特性中的机械时间常数,来获得良好的跟随特性。此外,我们还应对电机运行的过程进行分析并确定目标运行曲线。对拖动过程中电机的启动、运行、制动过程的完成方式及其合理性进行分析,以保证有一个性能良好的门控系统。假设滑动门的关门时间为3 s , 滑动门开门宽度为2 m , 那么每扇门体在3 s 内就必须完成1 000 mm 的行程。在门关闭的过程中,应严格控制门体速度及关门力度,避免因此夹伤乘客;还要充分考虑电机在整个行程中的启动及制动过程。所以,我们要选定一条电机运行曲线, 使得门体的运行平稳、快捷、噪声小、无明显抖动; 还要保证门体夹到乘客以后,作用于乘客的夹紧力及动能足够小,以防夹伤乘客。

图1 　屏蔽门运动速度曲线图
　　广州地铁2 号线屏蔽门系统选用了额定电压为110 V 的无刷直流电机。此电机呈细长形式,定子内外径比值小,转动惯量低。电机采用16 位的微机脉宽调制(PWM) 闭环控制,驱动回路采用场效应晶体管( FET) 三相星形全桥驱动,可以实现电机的双向四象限运行。
用户只要根据需要在DCU中设定电机的目标运行曲线,DCU 便会在速度、转矩、工位等各个参数上控制电机按照所设定的曲线参数进行工作?？萍荚诓欢系胤⒄?社会文明也在不断发展。屏蔽门系统将会逐渐走入中国的地铁,使地铁的服务水平更上一个档次。也许在将来会出现性能更好的新材料、新技术,会出现性能更好、可靠性更高的部件,屏蔽门系统在各个系统各个部件的选取上将有更好的选择范围。我们只有对系统中每个技术细节进行更认真地研究,才能选出更适合地铁环境的屏蔽门系统。

参　考　文　献
1 　胡志辉,叶霞飞,蔡蔚. 城市轨道交通屏蔽门系统的适用性分析. 城市轨道交通研究,2002 , (3) :62
2 　钟文文,李明超. 关于屏蔽门门体型材选用的探讨. 城市轨道交通研究,2000 , (2) :20