尚文濤 盧屹東 邢善鵬 王淑敬

(中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，100048,北京//第一作者,工程師)

隨著我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的迅速發(fā)展，地鐵隧道下穿河流、湖泊的規(guī)劃設(shè)計(jì)屢見(jiàn)不鮮?？紤]到城市軌道交通兼顧人防及地下隧道防水災(zāi)的特殊要求，具備防淹、抗毀、密閉三重功能的防淹機(jī)械設(shè)備，可以迅速消減突發(fā)水患對(duì)隧道及地下車(chē)站的災(zāi)難損失。因此,防淹門(mén)的設(shè)計(jì)在城市軌道交通工程的建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。落閘式防淹門(mén)快速下降時(shí)，鋼絲繩對(duì)卷筒的負(fù)載力矩由轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩變?yōu)榫硗蔡峁﹦?dòng)力的超越負(fù)載力矩，在實(shí)際應(yīng)用中既要滿足快速落閘的需求，又不會(huì)對(duì)軌道產(chǎn)生沖擊破壞。因此,對(duì)落閘式防淹門(mén)啟閉裝置的調(diào)速性能研究顯得尤為重要。文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果繪制了調(diào)速器的調(diào)速特性曲線，分析表明調(diào)速器的工作穩(wěn)定性與調(diào)速率的關(guān)系隨著轉(zhuǎn)速變化而不同；文獻(xiàn)[2]研究了機(jī)械離心式轉(zhuǎn)速敏感元件的遲滯特性，結(jié)果表明摩擦力和彈簧剛度差是影響遲滯性的重要因素；文獻(xiàn)[3]建立了單軌吊機(jī)車(chē)離心釋放器的動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同初始角位移對(duì)滑動(dòng)軸伸出位移的影響。

本文提出了地鐵隧道落閘式防淹門(mén)啟閉裝置的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，耦合建立了調(diào)速器的重力加速模型、離心力模型及摩擦力矩制動(dòng)模型，對(duì)防淹門(mén)的快速落閘調(diào)速性能進(jìn)行了仿真，為調(diào)速器的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和研究方法。

1 落閘式防淹門(mén)啟閉裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

地鐵隧道落閘式防淹門(mén)依靠啟閉裝置可實(shí)現(xiàn)閘門(mén)體的升降。既有工程中防淹門(mén)的啟閉裝置一般分為卷?yè)P(yáng)式和電動(dòng)葫蘆式兩類。電動(dòng)葫蘆式啟閉裝置安裝在頂板上，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)需要滿足車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的限界要求，受起升極限位置制約，設(shè)備機(jī)房?jī)艨找筝^高；緊急狀態(tài)時(shí)手動(dòng)關(guān)閉較為困難，維護(hù)成本亦較高；兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的中間傳動(dòng)軸較長(zhǎng)，設(shè)備容易振動(dòng)且對(duì)傳動(dòng)軸的疲勞壽命要求嚴(yán)格。卷?yè)P(yáng)式啟閉裝置可以節(jié)省機(jī)房?jī)舾?，設(shè)計(jì)采用單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)，有利于解決雙吊點(diǎn)同步振動(dòng)、維修不便等問(wèn)題，在隧道空間內(nèi)安裝更為實(shí)用。

目前，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)大多選用QPQ型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)備布置相對(duì)復(fù)雜但不緊湊，同時(shí)在起重質(zhì)量較大的閘門(mén)時(shí)，啟閉速度較低，往往難以滿足孔口高度較大的閘門(mén)快速閉門(mén)的時(shí)間要求。SL 41—2011《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定了閘門(mén)快速關(guān)閉孔口時(shí)接近底部門(mén)檻的速度不大于5 m/min，同時(shí)該規(guī)范要求電動(dòng)開(kāi)門(mén)時(shí)間和關(guān)門(mén)時(shí)間均不應(yīng)大于1.5 min[4]。因此，需要加裝調(diào)速器作為限速裝置，并采用非標(biāo)設(shè)計(jì)的卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終本文采用雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式、雙聯(lián)動(dòng)滑輪組、單層纏繞雙卷筒和開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的組合結(jié)構(gòu)型式[5]，如圖1所示。卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)在地鐵車(chē)站內(nèi)的布置方案如圖2所示。優(yōu)化后的方案幾乎不增加設(shè)備造價(jià)，占據(jù)空間較小，大幅降低了土建成本、設(shè)備安裝和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，且具有調(diào)速功能的防淹門(mén)關(guān)閉時(shí)對(duì)地鐵軌道和道床起到一定的緩沖保護(hù)。優(yōu)化后的防淹門(mén)啟閉裝置具有節(jié)約投資和安全可靠的特點(diǎn)，在今后的地鐵工程中應(yīng)用將更為廣泛，所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益更加突出。

注:1——左卷筒；2——調(diào)速器；3——齒輪箱；4——制動(dòng)輪；5——制動(dòng)器；6——電動(dòng)機(jī)；7——手搖裝置；8——鏈輪;9——鏈條；10——右卷筒；11——左小齒輪；12——聯(lián)軸器；13——同步軸；14——右小齒輪；15——機(jī)架

b) 右視圖

2 快速落閘調(diào)速性能分析

圖3為L(zhǎng)T-200型雙錐形機(jī)械離心式調(diào)速器示意圖。當(dāng)防淹門(mén)執(zhí)行關(guān)閉指令時(shí)，通過(guò)直流電源打開(kāi)制動(dòng)器抱閘，閘門(mén)門(mén)體在重力作用下，克服啟閉機(jī)的阻力加速下落。當(dāng)轉(zhuǎn)軸的速度達(dá)到離心式調(diào)速器的初始速度時(shí)，配重片的離心力克服彈簧的阻力，在角形杠桿的作用下帶動(dòng)裝有導(dǎo)向鍵的滑動(dòng)軸平移，與滑動(dòng)軸相連的摩擦盤(pán)與固定支座上的錐形制動(dòng)盤(pán)通過(guò)摩擦力矩來(lái)降低軸的轉(zhuǎn)速，當(dāng)摩擦力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩平衡時(shí)實(shí)現(xiàn)限速。

2.1 機(jī)械離心式調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型

圖4為角形杠桿受力分析圖。圖4中，假設(shè)配重片的質(zhì)心位于點(diǎn)A，忽略銷軸處的摩擦力,此時(shí)沿軸線方向的水平拉(壓)力Fz為：

注：1——轉(zhuǎn)動(dòng)軸；2——左摩擦盤(pán)；3——錐形制動(dòng)盤(pán)；4——右摩擦盤(pán)；5——角形杠桿；6——調(diào)節(jié)彈簧；7——配重片；8——鎖緊螺母

(1)

式中：

Z——角形杠桿的數(shù)量；

m——配重片在質(zhì)心A處的質(zhì)量；

n——杠桿的轉(zhuǎn)速；

θ——杠桿的旋轉(zhuǎn)角度,θ≈180y/πb，y為軸向位移；

a，b——角形杠桿的力臂長(zhǎng)度；

α，β——初始力臂與轉(zhuǎn)軸法線的夾角；

R——角形杠桿的旋轉(zhuǎn)半徑。

雙錐形制動(dòng)盤(pán)摩擦面結(jié)合所需的軸向壓力Fz與摩擦力矩Tc之間的計(jì)算關(guān)系如下[6]：

(2)

式中：

γ——錐面傾斜角；

μ——摩擦系數(shù)，μ=tanγ；

Ds——摩擦面的平均直徑。

注：F1為配重片在質(zhì)心A處所受的作用力

2.2 機(jī)械離心式調(diào)速器的仿真模型

通過(guò)AMESim仿真平臺(tái)建立防淹門(mén)啟閉裝置的離心力模型、閘門(mén)重力加速模型及制動(dòng)摩擦力矩模型，如圖5所示。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：a=85 mm，b=42.5 mm，R=74 mm，Ds=185 mm，α=91.5°，β=0°，γ=23°，m=1.3 kg，K(調(diào)節(jié)彈簧的剛度)=1.5×105N/m。

圖5 機(jī)械離心式調(diào)速器計(jì)算模型

2.3 仿真結(jié)果分析

從閘門(mén)降落速度和位移曲線(見(jiàn)圖6)可知，閘門(mén)下降過(guò)程大致可分為3個(gè)階段：

(1)在0～0.03 s內(nèi),閘門(mén)自由下落。

(2)受錐形摩擦盤(pán)的阻尼作用，下落加速度階躍性減小，最后摩擦力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相互制衡，下降速度波動(dòng)幅度逐漸變小。

(3)當(dāng)閘門(mén)降落時(shí)間為0.3 s時(shí)，下落速度逐漸穩(wěn)定在0.08 m/s；閘門(mén)在5 s內(nèi)降落位移達(dá)到0.033 m，整個(gè)下落動(dòng)作用時(shí)約63.3 s(以FYM-J3845型防淹門(mén)、閘門(mén)降落總高度為4.7 m計(jì)算)，滿足規(guī)范要求；卷筒轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)與閘門(mén)降落趨勢(shì)一致，最終穩(wěn)定在3.85 r/min。

圖6 閘門(mén)降落速度和位移變化曲線

圖7為K對(duì)閘門(mén)平衡速度的影響曲線。由圖7可知,當(dāng)增大K時(shí)，閘門(mén)開(kāi)始達(dá)到平衡速度的時(shí)間會(huì)縮短，但由初始狀態(tài)進(jìn)入平衡速度時(shí)的波動(dòng)較大，平衡速度略有增加。相反地，當(dāng)減小K時(shí)，閘門(mén)會(huì)延長(zhǎng)平衡時(shí)間，由初始狀態(tài)進(jìn)入平衡速度時(shí)的波動(dòng)變小，最終的平衡速度會(huì)略有減小。

圖7 K對(duì)閘門(mén)平衡速度的影響曲線

由此可見(jiàn)，當(dāng)K增大時(shí)，角形杠桿克服彈簧阻力實(shí)現(xiàn)軸向平移的軸向壓力會(huì)增大，此時(shí)需要較大的離心力來(lái)維持平衡;同時(shí),在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),卷筒的轉(zhuǎn)速會(huì)提高，閘門(mén)下降的平衡速度隨之增大。

圖8模擬了調(diào)速器不同配重片質(zhì)量對(duì)軸向位移的影響曲線。由圖8可知，閘門(mén)開(kāi)始下降時(shí)軸向位移線性急劇增大，此時(shí)配重片的質(zhì)量對(duì)力矩平衡時(shí)的軸向位移影響不大，但離合摩擦階段達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間差別較大。具體表現(xiàn)為：配重片質(zhì)量越小，相應(yīng)地在離合摩擦階段的軸向位移變化幅度亦較小，因此達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間越短。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)優(yōu)化為雙聯(lián)動(dòng)滑輪組、單層纏繞雙卷筒、單電機(jī)同步集中驅(qū)動(dòng)、開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的組合結(jié)構(gòu)型式。應(yīng)用該啟閉裝置的落閘式防淹門(mén)可以較好地滿足地鐵隧道區(qū)間防淹的工程需求。

(2) 加裝機(jī)械離心式調(diào)速器可以平衡防淹門(mén)落

圖8 調(diào)速器不同配重片質(zhì)量對(duì)軸向位移的影響曲線

閘產(chǎn)生的超越負(fù)載力矩，有效地解決防淹門(mén)快速落閘的時(shí)間限制和速度問(wèn)題。耦合建立的調(diào)速器重力加速模型、離心力模型及摩擦力矩模型仿真為調(diào)速器的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和研究方法。

(3) 調(diào)速器的仿真研究表明,K對(duì)平衡速度和平衡時(shí)間影響較大，當(dāng)增大K時(shí)，閘門(mén)達(dá)到平衡的速度會(huì)增大，平衡時(shí)間會(huì)縮短；配重片的質(zhì)量對(duì)軸向位移影響不大，但影響摩擦力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩達(dá)到平衡的時(shí)間，配重片質(zhì)量越小，達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間越短。