城市轨道交通站台屏蔽门最大动能及其测试方法的商榷

夏美霞 邓协和 孙 斌 陈春元 张 韬

(上海市质量监督检验技术研究院,200072,上海∥第一作者,高级工程师)

城市轨道交通站台屏蔽门系统的滑动门是乘客频繁进出车厢的通道,乘客难免会与其发生接触或碰撞。为防止人员因撞击而受到伤害,对“每扇滑动门的最大动能限值”以及“每扇滑动门关门的最后100 mm行程的最大动能限值”作出明确的规定(分别为不大于10 J、1 J),是很有必要的。

CJ/T 236—2006《城市轨道交通站台屏蔽门》附录B(资料性附录)中对屏蔽门的动能测试方法作了相应的补充。

我院有关人员对“每扇滑动门的最大动能”和“每扇滑动门关门的最后100 mm行程最大动能”的测试方法作了专题研究。研究结果否定了CJ/T 236—2006附录B所推荐的相应测试方法。现将专题研究情况及其研究结果介绍如下。

1 CJ/T 236—2006的有关规定

关于城市轨道交通站台屏蔽门的滑动门最大动能要求及其测试,CJ/T 236—2006作了以下主要规定:

1)每扇滑动门最大动能不超过10 J;

2)滑动门的动能试验装置见图1;

3)试验方法:①分别将动能试验装置放置于滑动门关门行程的1/2处和滑动门关门行程的最后100 mm处;②执行滑动门关门操作,记录动能试验装置的弹簧压缩量;③重复上述操作3次,并记录弹簧的压缩量;④通过E=1/2K x2计算滑动门的动能(式中:E为动能,K为弹簧弹性系数,x为弹簧压缩量)。

图1 滑动门的动能试验装置

2 对CJ/T 236—2006上述有关规定的理解

2.1 对每扇滑动门最大动能限值的理解

“每扇滑动门最大动能不超过10 J”这一规定,与类似设备的有关标准的规定是一致的。例如,GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中对电梯层门、轿门的动能亦规定“应不大于 10 J”。GB 7588—2003等同采用欧洲标准委员会(CEN)的标准EN—81—1《电梯制造与安装安全规范》。

城市轨道交通站台屏蔽门的滑动门,其功能、运行特点等与电梯层门、轿门具有可比性,因此借鉴GB 7588—2003的规定“每扇滑动门最大动能不超过10 J”是合理的。

2.2 对试验装置放置位置的理解

CJ/T 236—2006规定:“将动能试验装置放置于活动门关门行程的1/2处”(笔者注:活动门、滑动门其术语宜统一,应统一为滑动门)。滑动门关门运行有“加速—匀速—减速”三个阶段。最大动能与最大运行速度相对应,而最大运行速度基本出现在匀速运行阶段。滑动门在关门行程的1/2处正处于匀速运行阶段,因而在该处放置试验装置进行测试是合理的。

2.3 CJ/T 236—2006所提供测试方法的原理依据

CJ/T 236—2006附录B所介绍的测试方法是基于能量守恒。即:认为在试验过程中,如果摩擦损耗忽略不计,则滑动门的动能全部转化为动能试验装置的弹簧形变势能(弹性力场中的势能)。可以从一般意义上来这样理解CJ/T 236—2006所提供试验方法的原理依据。但这一原理依据的应用是有条件的,应结合具体情况予以实施。恰恰在这一非常基本而又非常重要的环节上,CJ/T 236—2006似乎有所疏漏,其提供的测试方法值得商榷。

3 几点商榷

CJ/T 236—2006所描述的站台屏蔽门最大动能测试方法并不严密,或者说并不正确。以下提出笔者的一些看法。

3.1 滑动门两种运行状态的差异

3.1.1 滑动门在电机驱动下压缩弹簧

CJ/T 236—2006规定,动能测试时“执行滑动门关门操作,记录动能试验装置的压缩弹簧量”(见CJ/T 223—2006附录 B.6.2.2)。

滑动门是动力操作的自动门。上述规定意味着在接触、压缩弹簧的瞬间,滑动门仍在电机的驱动下(通过传动装置)运行,在试验过程中滑动门的动力不切断。在此运行状态时,滑动门的受力分析如图2所示。

图2中:

Q——滑动门所受的重力,Q=mg(其中m为滑动门的质量,包括与滑动门刚性连接的机械零件的质量);

N——站台面对屏蔽门的反作用力;

F(x)——滑动门驱动力;

P——滑动门所受的来自压缩弹簧的运行阻力,P=K x(其中K为弹簧弹性系数,x为弹簧压缩量);

f——滑动门的摩擦阻力。

滑动门运动的动力学方程式为:

图2 滑动门受力分析简图(动力不切断)

3.1.2 滑动门以惯性运动压缩弹簧

即在滑动门接触、压缩弹簧的瞬间,切断其动力,使其以惯性运动,压缩弹簧。在此运行状态时,滑动门的受力分析如图3所示。

图3 滑动门受力分析简图(以惯性运动)

滑动门运动的动力学方程式为:

式(1)、(2)均为二阶微分方程,但其解显然是不同的。式(2)应该是正确的。

式(2)所对应的试验方法是本来意义上的能量转化与能量守恒,即滑动门固有的动能转化为弹簧的形变势能(假如摩擦损耗忽略不计)。

而式(1)所对应的运行状态,由于动力不切断,所以滑动门的动能中叠加有电动机的输出能量;这部分能量也贡献于压缩弹簧,使其形变,储存势能。这显然是不合理的。

由力学理论可知,动能是表征物体机械运动的量,与质量和速度有关,是机械运动形式转化为其它运动形式的度量。在保守力场中,遵循机械能守恒。所谓保守力场,即在该力场中,力所作的功与路径无关。而在式(1)所对应的运行状态,电动机产生的驱动力F(x)作功是与其作用的路径有关的,因此机械能不守恒,基于机械能守恒的计算公式在此不适用。

从能量守恒的角度看,如果不计摩擦损耗,则式(1)所对应的运行状态有如下的关系式:

式中:

由图1可知，9种试验材料各传感器间存在明显差异，数值各有不同，其中，W1W传感器在此试验中最为敏感，其次是W2W传感器和W5S传感器，明显差别于其他传感器，而其余传感器数值差别不大。

Ed——驱动电机的输出功;

Ec——门机传动机构的动能;

Eh——滑动门的动能;

Et——弹簧测试装置的形变势能。

在这一运行状态中,认为滑动门的动能等于动能试验装置内弹簧的形变势能。这是对能量守恒与能量转化定律的误用。驱动电机接受电能,对外输出机械能,不仅使传动装置和滑动门运行,而且当滑动门运行至接触动能试验装置时,输出的机械能还用于克服弹簧阻力、压缩弹簧、储存势能。显然,滑动门的动能、动能试验装置的势能都来自于电机,试验装置内弹簧的形变势能(Et)并不单由滑动门的动能(Eh)转换而来。因此,这一试验方法的原理是有错误的。

而式(2)所对应的运行状态,Eh=Et是成立的,故其试验方法的原理是正确的。

然而,式(2)所对应的运行状态在操作上却有具体的困难:因地铁站台屏蔽门结构上的原因,切断动力后滑动门难以与传动机构解脱,所以在检测操作时并不能实施使门扇以惯性运动。

3.2 测试结果受动能试验装置特性的明显影响

CJ/T 236—2006所提供的方法,其不正确之处还在于测试结果受动能试验装置特性(弹簧弹性系数K)的明显影响,现分析如下。

现假定利用K值不同的两套动能试验装置,分别对同一扇滑动门作动能测试。两套动能试验装置对同一滑动门的阻止关门力相同,即P=K 1 x1=K 2 x2。(P已在制造安装时事先被设定,故对一扇被确定的供测定的滑动门来说,P是一个定值。测试时,滑动门作关门运行并压缩弹簧,当弹簧提供的阻力达到阻止关门力P时,滑动门重新开启。)利用第一套动能试验装置的测试结果为=2=P/2,利用第二套动能试验装置的测试结果为=/2=Px2/2。因为 K1≠K2,所以 x1≠x2,从而 E1≠。

两者的测试结果明显不同(即所得试验结果会随试验装置的特性而异),这显然是不合理的。这一不合理现象恰恰说明了所采用的试验方法在科学性上是值得质疑的。

鉴于弹簧弹性系数K不同会对试验结果造成影响,所以GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》对弹性系数作了规定:“弹簧常数为25 N/mm”。这并不能解决试验方法本身的正确性问题,但却起到了统一试验尺度的作用,避开了弹性系数K不同所造成的弊端。

4 以测定运行速度和质量的方法计算滑动门最大动能

如上所述,CJ/T 236—2006附录B所提出的试验方法不甚合理,而切断动力,使滑动门在接触弹簧的瞬间以惯性运动又难以具体实施,因而有必要另行探索寻求新的试验方法。可以利用测定滑动门运行速度和质量的方法计算其最大动能。

经过分析研究和实践摸索,现提出利用测定滑动门的质量及测定其运行速度或记录其运行速度曲线,并利用公式E=mv2/2计算滑动门最大动能的试验方法。式中:m为一扇滑动门的质量;v为滑动门关门时的最大运行速度。速度曲线测定5次,取其算术平均值(与 CJ/T 236—2006附录 B.3.3“速度曲线测试至少进行5次”的要求相呼应)。现将这一试验方法的操作步骤简述如下。

4.1 滑动门运行速度的测定

4.1.1 计量器具与仪器设备

1)水平仪;

2)位移、速度、加速度综合测试仪(或其它等效的速度测试仪器或装置)。

4.1.2 操作步骤

1)测定时所使用的计量器具与仪器设备(例如水平仪,位移、速度、加速度综合测试仪等)均应经计量检定,合格有效;

2)按使用说明书的要求安装调整好上述器具和仪器,速度传感器沿滑动门运行方向调整水平;

3)开启位移、速度、加速度综合测试仪,执行滑动门关门操作,测试并记录其速度曲线(需要时还可测试、记录位移曲线和加速度曲线),测试、记录需重复进行5次;

4)计算5次测得值的速度算术平均值,精度取小数后两位,单位为m/s。

位移、速度、加速度综合测试仪见图4。测得的滑动门速度曲线如图5所示。

图4 位移、速度、加速度综合测试仪

图5 滑动门关门的速度曲线

4.2 滑动门质量的测定

4.2.1 计量器具

电子秤:量程为0～100 kg,分辨率为0.01 kg。

4.2.2 操作步骤

1)测试前,电子秤应经计量检定,合格有效;

2)按使用说明书的要求安装调整好电子秤,将滑动门轻放于电子秤,测定其质量(单位kg),精度取小数后两位。

4.3 滑动门最大动能的计算

按动能公式 E=mv2/2计算滑动门的最大动能,计算结果取整数或取小数后一位,单位J。

4.4 技术分析

1)滑动门是平动刚体,所以其动能E=mv2/2。此方法从屏蔽门运行最大动能的本质上提出了屏蔽门运行最大动能的测试方法,其原理无疑是正确的。

2)该试验方法中涉及到屏蔽门质量 m和屏蔽门运行速度v的测定,完全可使用相应的计量器具和仪器以确保满足测量精度的要求。而弹簧试验装置尚没有成熟的定型产品,其精度较低(电梯行业使用过此类试验装置的企业都有这方面的反映)。

3)采用此试验方法可全程观察与记录滑动门的运行状况,有利于分析、判定屏蔽门在开关门过程中的运行质量,能为提高产品质量提供有效信息。

4)在测试“滑动门的最大动能”的同时,也同步完成了CJ/T 236—2006所要求的“滑动门速度曲线”的测试。

5)此试验方法也适用于“每扇滑动门关门行程的最后100 mm处最大动能的检测”。CJ/T 236—2006规定:“每扇滑动门关门的最后100 mm行程最大动能不超过1 J”,同样采用附录B中B.6所描述的方法来进行测试,其原理显然也是不正确的。本文论述的测试方法同样适用于“每扇滑动门关门的最后100 mm行程最大动能不超过1 J”的检测,需要注意的是,应准确测得关门行程的最后100 mm处所对应的滑动门的运行速度。该运行速度可采用以下两种方法来确定:①通过速度曲线的有关面积计算可以确定关门的最后100 mm行程所对应的滑动门运行速度,从而利用动能计算公式方便地计算出其对应的动能。②不仅测定速度曲线,同时也测定位移曲线(滑动门关门位移曲线如图6所示),然后在位移曲线上确定关门的最后行程100 mm处()所对应的时间,再在速度曲线上找到t1所对应的滑动门运行速度v1;通过动能计算公式E=m/2即可测得对应的最大动能。

图6 滑动门关门的位移曲线

5 滑动门最大动能测试的两种方法实测比较

笔者对同一扇滑动门按两种方法进行了实测比较。按测定滑动门运行速度和质量的方法,测得值为:m=68.50 kg,v=0.50 m/s。计算结果为:滑动门最大动能E=mv2/2=8.6 J。

按动能试验装置测定滑动门最大动能的方法,采用的测试仪器为门力测试仪(即动能试验装置中的弹簧装置)。经检定,其实际弹性系数K=24.5 N/mm(仪器铭牌标称参数为K=25 N/mm)。图7所示为测得的特性曲线。自动记录数据表明,其测得值:阻止关门力P为93 N,E为0.18 J。利用公式E=K x2/2,计得E=0.18 J。这与自动记录动能数据相吻合。

图7 阻止关门力特性曲线

利用动能试验装置的测试方法,其测试结果与通过测定滑动门的质量、运行速度来计算其动能的测试方法的测试结果相差悬殊。其错误在于,利用动能试验装置的测试方法误用了能量守恒与转换定律,将所得到的结果误认为是滑动门的动能。实际上,该方法所得的结果数据仅仅是弹簧因受到滑动门的压缩而储存的势能,而这一势能是由驱动电机提供的。如上所述,滑动门、动能试验装置之间事实上并不存在等量的能量转换关系。

6 结语

1)CJ/T 236—2006所描述的利用动能试验装置测试每扇滑动门最大动能的方法,在原理上存在瑕疵,试验方法的科学性是值得商榷的。

2)利用测定滑动门的质量及运行速度或记录其运行速度曲线,并利用公式E=mv2/2计算滑动门最大动能的试验方法,符合平动刚体动能测定的本质含义,原理正确,有较高的测试精度,而且又具有能同步测定滑动门的速度曲线,了解滑动门在关门全过程中的运行性能,是可以推广应用的。

[1]GB 7588—2003电梯制造与安装安全规范[S].

[2]史信芳,陈影,毛宗源.电梯技术[M].北京:电子工业出版社,1989.

[3]哈尔滨工业大学理论力学编写组.理论力学[M].北京:高等教育出版社,2003.