韓二文

(西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司， 710016，西安//高級工程師)

隨著西安地鐵線路成網，2號線客流陡然上升。為了提高列車運力，縮短行車間隔勢在必行，但縮短行車間隔引起隧道活塞風壓增大，從而對站臺屏蔽門的開關產生不利影響。 西安地鐵2號線自2015年7月份增加上線列車后，行車間隔逐步縮短，但也導致站臺屏蔽門系統故障頻發(fā)。

1 列車活塞風壓對站臺屏蔽門開關的影響

列車在隧道中的行駛與活塞運動相類似。隧道中列車前方的空氣一部分被推向前方，另一部分沿列車與隧道之間的圓筒形空間生成回流?；亓髋c隧道壁面及列車表面產生摩擦，使得回流空氣不能及時散開。列車前方被壓縮的空氣產生特定的壓力變化, 引起空氣動力學效應，并伴隨行車速度的提高而加劇。加大行車密度后，當后續(xù)列車靠近時，由于活塞運動的效果，使被壓縮的空氣其壓力進一步加大，產生很大的隧道風壓。

地鐵車站站臺屏蔽門承受外荷載主要有風壓、人群荷載、沖擊荷載及地震荷載。其中，風壓主要由列車活塞效應和車站空調系統造成。站臺屏蔽門所受的阻力可以簡化為：門機運動時的摩擦力f1；風壓對門扇疊加的阻力f2；門體加速運行時的慣性力f3。

西安地鐵2號線車站站臺屏蔽門單扇滑動門質量為70 kg。門體掛板滾輪組件沿導軌運行，取滾輪滾動軸承摩擦系數為0.02，可算出f1=27.44 N。

f2跟門體關閉的面積有關，設單扇活動門門體尺寸為0.9 m×2.1 m。由于打開部分的站臺屏蔽門面積并不受風壓影響，因此風壓的壓力與門的開度有關。假設：軌道側與站臺側的風壓p=200 Pa(風速按18 m/s計算)；w為滑動門寬度；s為滑動門開度；h為滑動門高度；μ為導靴摩擦系數。取w=1.8 m、h=2.1 m、s=0～1.8 m、μ=0.3，則由f2=[ph(w-s)/2]μ，可以粗略推算出門體各開度時，f2波動范圍大致為0～113.4 N，取f2=28.0 N(加速段)。

開門過程中，站臺屏蔽門運行曲線大致分為加速段、勻速段和減速段，其門體最大速度不大于0.5 m/s。關門過程中，站臺屏蔽門運行曲線大致分為加速段、高速段、減速段和低速段。在行程至最后100 mm前，門體速度不大于0.5 m/s；最后100 mm行程，門體速度不大于0.15 m/s。根據對速度曲線的分析計算，門體加速段的加速度不大于1 m/s2；在門體減速段，電機對門體施加反向作用力，電機輸出功率減小，該段對于計算電機最大功率參考意義不大。因此，可以算出在門體最大加速階段，f3=140 N。站臺屏蔽門開、關門速度曲線見圖1和圖2。

圖1 站臺屏蔽門開門速度曲線

圖2 站臺屏蔽門關門速度曲線

故門體所需要的最大推力為：F=f1+f2+f3=27 N+28 N+140 N=195 N。f1可以通過檢修時的機械調整而減少(導靴改造和門機中修都是為了減少這部分摩擦力，但總體上這部分阻力占的比重較小，對故障的改善不明顯)。f2是引起延時關門、二次關門及關門遇障的主要原因，但由于區(qū)間結構、隧道風系統及行車組織等客觀因素造成區(qū)間活塞風和串風等情況，使得該部分阻力不可控。f3是門體加速運行時所需的推力，因門重和門速是確定的，故該推力不變。

2 故障處理方法

通過測試發(fā)現，西安地鐵2號線車站站臺屏蔽門系統的關門推力比門體所需要的最大推力小30%左右。為了最大限度地提高現有站臺屏蔽門系統的開、關門力，曾嘗試修改現有系統門控單元(DCU)軟件參數、改變驅動電機減速機減速比，以及改用從動輪雙電機驅動，但均未達到理想的效果。最終，通過替換現有系統的門頭DCU控制板，調整DCU控制參數及修改關門速度，得以很好地解決了西安地鐵2號線站臺屏蔽門關門最后階段推力不足的問題，降低了站臺屏蔽門故障率。

2.1 修改DCU軟件參數

采用示波器對西安地鐵2號線站臺屏蔽門關門曲線進行檢測時發(fā)現，站臺屏蔽門的直流有刷電機(型號GR63×55,額定電壓48 V，額定電流2.5 A，額定轉速3 200 r/min，額定功率94.1 W)在關門過程高速段的峰值電壓僅為額定電壓的70%左右(約33 V)，在關門過程低速段，峰值電壓僅為額定電壓的40%左右(約20 V)。

實際上現有電機額定功率并未安全發(fā)揮，仍有可調整空間。為此，在設備軟件中修改關門速度曲線，使關門時間縮短至3.2 s，關門速度加快，關門推力增大。在調整DCU參數后的測試中，仍出現整側門體中個別門體關門延時、門體超速報警及DCU死機等問題，且高峰期運行時該側出現多個門體關門延時和無法關閉情況，故障率比測試前還高。這說明原設備廠關門曲線已優(yōu)化得非常好，沒有調整空間。如果將關門速度加大，實際關門時會觸碰到紅色保護區(qū)域而造成門體超速死機；如果將關門速度減小，又造成受風壓影響的故障數增多。

2.2 改變驅動電機減速機減速比和霍爾反饋信號

西安地鐵2號線站臺屏蔽門門機系統主動輪采用直流有刷電機和10∶1蝸輪蝸桿減速機，減速機前端安裝驅動皮帶輪。如將減速機的減速比增大，則減速機的輸出力矩也會線性增加，從而增加關門推力。但增加減速比后，若要保持原關門速度，則開關門電機轉速需要提高，電機總行程需要加長。

將減速機換成15∶1減速機，在不考慮電機轉速的情況下，電機力矩將增1.27倍。該電機額定轉速為3 000 r/min，現場開關門最高轉速約為2 000 r/min，所以轉速仍有余量。但由于位置環(huán)反饋采集的是電機霍爾信號，改變減速比后，開關門總行程將變?yōu)樵瓉?1 900 mm)的2/3，故需要對霍爾信號進行2/3分頻處理。處理后的開關門總行程將保持不變。

霍爾轉換板試驗發(fā)現，開門時會給出超速報告。其原因是由于改變了電機霍爾脈沖反饋導致電機欠速，造成與原速曲線不一致；DCU為維持速度穩(wěn)定，給電機加電壓，又導致超速，致使系統失穩(wěn)。

2.3 改為從動輪雙電機驅動

在門機系統從動輪上增加1臺獨立的伺服電機系統。該電機在關門時介入，使從動輪電機在力矩控制模式下輸出恒力矩，幫助門機系統克服摩擦阻力。直連加裝400 W電機后，現場安裝測試表明門體正常開關。從具體測試波形看，加裝的從動輪電機已使原門機系統電機出力矩減少(電壓波形下降)，可以幫助門機克服部分風壓阻力。

經過測試發(fā)現，門體加裝400 W電機后，門體測試曲線與樣機不同。將電機介入時間從200 ms改為20 ms后，門體運行均正常，無故障記錄。但行車間隔高峰期由原來的4 min調整為3 min 42 s后，加裝400 W電機后門體關門出現延時故障，高峰期出現多起二次關門故障。

2.4 更換DCU門控單元

通過調研發(fā)現，昆明地鐵站臺屏蔽門系統和西安地鐵相似，且曾實施過DCU整體替換方案來改造克服關門力不足的缺陷。西安地鐵公司隨后對2號線站臺屏蔽門DCU進行替換改造，相當于更換了電機驅動設置，即速度、力矩、時間等參數可以自行重新設置。通過測試發(fā)現，故障率大幅下降(見圖3)，且系統穩(wěn)定。

圖3 DCU改造前后站臺屏蔽門故障統計

3 DCU門控單元更換方案

DCU門控單元更換的基本原則是：利用原系統布線，同時保留DCU的對外連接方式；應預防系統改造過程中可能出現的錯誤，以降低運營風險。其技術參數要求和大體方案如下：

(1) 每扇關門力≤150 N (在門關至行程的1/3后測量)；

(2) 關門時，滑動門(每扇)最后行程(100 mm)范圍內的動能 ≤1 J；

(3) 每扇滑動門關門時最大動能≤10 J；

(4) 每扇滑動門的最大速度≤0.6 m/s；

(5) 滑動門開啟時間為2.5～3.5 s，滑動門關閉時間為3～4.0 s，且均可根據現場實際情況進行調整；

(6) 站臺屏蔽門接受命令到滑動門動作時間 ≤0.15 s(包括解鎖時間)，門已關閉信號從DCU反饋到站臺屏蔽門的時間≤0.15 s；

(7) 可實現與信號系統的聯動功能，具備對單個門的“隔離、自動、手動”控制功能，具有障礙物探測功能。

3.1 電源方案

原站臺屏蔽門單元供電采用三相AC 380 V轉三相AC 36 V，變壓器為DCU提供驅動電源(見圖4)。

圖4 原站臺屏蔽門變壓器接線圖

三相AC 36 V為DCU提供驅動電源。DCU內部將三相AC 36 V整流成DC 48 V，用于控制門頭燈、電磁閥、電機等外部設備，同時為門機電磁鎖、行程開關，以及應急門及端門行程開關等部件提供電源。變壓器通過安裝板安裝在門機梁內。

改造后的DCU采用直流供電方式，原站臺屏蔽門單元三相AC 36 V電源無法滿足供電要求?？紤]到DCU外部設備采用DC 48 V供電，因此需要對門單元供電方案進行改造。為滿足供電要求，同時為降低改造風險和減少現場施工工作量，采用三相AC 380 V轉DC 48 V降壓模塊替換原站臺屏蔽門門頭的三相AC 380 V轉三相AC 36 V變壓器，為門單元提供驅動電源。

電源采用導軌式安裝方式，同時為導軌電源配置安裝板并固定在門機梁內，如圖5所示。

圖5 改造后的電源安裝示意圖

將三相AC 380 V接至門頭電源輸入端，同時將門頭DC 48 V電源輸出端接至門機空氣開關一端，并保留空氣開關另一端至DCU線纜及連接器的連接(見圖6)。目前，該電源方案已在樣機及現場通過了實際驗證。驗證結果表明該電源方案可以保證站臺屏蔽門的正常使用。

a) 改造前門頭變壓器

b) 改造后門頭電源模塊圖6 改造前后的站臺屏蔽門電源實景圖

3.2 DCU改造方案

風壓導致站臺屏蔽門無法可靠關閉的核心原因是風壓過大，造成門控單元進入障礙物模式(甚至死機)，而原DCU相關參數又無法調整，故無法滿足實際使用需求。為此，改造方案是采用DCU新產品對等替換原有產品，同時在參數調整上開放，然后通過調整參數來滿足實際使用需求。

改造后新的DCU采用與原DCU類似的安裝方式，即采用DCU加底板組合的安裝方式，并在機械接口、通信接口及電氣接口方面與原DCU接口保持一致，以期降低現場改造風險及施工工作量。

新的DCU內部采用分板方式布置，主要包括核心控制板、接口板、電源板及通信板。采用分板方式布置可以降低后期的維修成本，同時蜂鳴器采用可拆卸方式以便維修。新的DCU內部框圖見圖7。

為解決原DCU 參數無法調整問題，新的DCU 將核心參數對外開放，即可根據實際使用需求進行相關參數調整。

圖7 新的DCU內部框圖

4 結語

站臺屏蔽門DCU改造后，提升了滑動門關門力，提高了關門最后1/3行程的關門速度，由此成功解決了因風壓增大導致關門力不夠的問題。西安地鐵2號線全線站臺屏蔽門設備故障數較改造前下降48.6%，設備穩(wěn)定運行，確保了地鐵行車安全。

站臺屏蔽門在軌道交通運輸中有著很重要的地位，既有保護乘客安全的作用，也有節(jié)約能源的作用。然而隨著低碳生活越來越被人們接受，地鐵客流有了很大的增加，高密度行車是應對大客流的有效辦法，同時高密度行車導致站臺屏蔽門發(fā)生的問題也越來越多。對站臺屏蔽門進行深入研究，不斷地總結故障處理和技術改進經驗，才能讓站臺屏蔽門更好地服務軌道交通運輸，提高運營安全性。