地铁列车活塞风压导致的站台屏蔽门开关故障分析及改进措施

韩二文

(西安市地下铁道有限责任公司运营分公司， 710016，西安//高级工程师)

随着西安地铁线路成网，2号线客流陡然上升。为了提高列车运力，缩短行车间隔势在必行，但缩短行车间隔引起隧道活塞风压增大，从而对站台屏蔽门的开关产生不利影响。 西安地铁2号线自2015年7月份增加上线列车后，行车间隔逐步缩短，但也导致站台屏蔽门系统故障频发。

1 列车活塞风压对站台屏蔽门开关的影响

列车在隧道中的行驶与活塞运动相类似。隧道中列车前方的空气一部分被推向前方，另一部分沿列车与隧道之间的圆筒形空间生成回流。回流与隧道壁面及列车表面产生摩擦，使得回流空气不能及时散开。列车前方被压缩的空气产生特定的压力变化, 引起空气动力学效应，并伴随行车速度的提高而加剧。加大行车密度后，当后续列车靠近时，由于活塞运动的效果，使被压缩的空气其压力进一步加大，产生很大的隧道风压。

地铁车站站台屏蔽门承受外荷载主要有风压、人群荷载、冲击荷载及地震荷载。其中，风压主要由列车活塞效应和车站空调系统造成。站台屏蔽门所受的阻力可以简化为：门机运动时的摩擦力f1；风压对门扇叠加的阻力f2；门体加速运行时的惯性力f3。

西安地铁2号线车站站台屏蔽门单扇滑动门质量为70 kg。门体挂板滚轮组件沿导轨运行，取滚轮滚动轴承摩擦系数为0.02，可算出f1=27.44 N。

f2跟门体关闭的面积有关，设单扇活动门门体尺寸为0.9 m×2.1 m。由于打开部分的站台屏蔽门面积并不受风压影响，因此风压的压力与门的开度有关。假设：轨道侧与站台侧的风压p=200 Pa(风速按18 m/s计算)；w为滑动门宽度；s为滑动门开度；h为滑动门高度；μ为导靴摩擦系数。取w=1.8 m、h=2.1 m、s=0～1.8 m、μ=0.3，则由f2=[ph(w-s)/2]μ，可以粗略推算出门体各开度时，f2波动范围大致为0～113.4 N，取f2=28.0 N(加速段)。

开门过程中，站台屏蔽门运行曲线大致分为加速段、匀速段和减速段，其门体最大速度不大于0.5 m/s。关门过程中，站台屏蔽门运行曲线大致分为加速段、高速段、减速段和低速段。在行程至最后100 mm前，门体速度不大于0.5 m/s；最后100 mm行程，门体速度不大于0.15 m/s。根据对速度曲线的分析计算，门体加速段的加速度不大于1 m/s2；在门体减速段，电机对门体施加反向作用力，电机输出功率减小，该段对于计算电机最大功率参考意义不大。因此，可以算出在门体最大加速阶段，f3=140 N。站台屏蔽门开、关门速度曲线见图1和图2。

图1 站台屏蔽门开门速度曲线

图2 站台屏蔽门关门速度曲线

故门体所需要的最大推力为：F=f1+f2+f3=27 N+28 N+140 N=195 N。f1可以通过检修时的机械调整而减少(导靴改造和门机中修都是为了减少这部分摩擦力，但总体上这部分阻力占的比重较小，对故障的改善不明显)。f2是引起延时关门、二次关门及关门遇障的主要原因，但由于区间结构、隧道风系统及行车组织等客观因素造成区间活塞风和串风等情况，使得该部分阻力不可控。f3是门体加速运行时所需的推力，因门重和门速是确定的，故该推力不变。

2 故障处理方法

通过测试发现，西安地铁2号线车站站台屏蔽门系统的关门推力比门体所需要的最大推力小30%左右。为了最大限度地提高现有站台屏蔽门系统的开、关门力，曾尝试修改现有系统门控单元(DCU)软件参数、改变驱动电机减速机减速比，以及改用从动轮双电机驱动，但均未达到理想的效果。最终，通过替换现有系统的门头DCU控制板，调整DCU控制参数及修改关门速度，得以很好地解决了西安地铁2号线站台屏蔽门关门最后阶段推力不足的问题，降低了站台屏蔽门故障率。

2.1 修改DCU软件参数

采用示波器对西安地铁2号线站台屏蔽门关门曲线进行检测时发现，站台屏蔽门的直流有刷电机(型号GR63×55,额定电压48 V，额定电流2.5 A，额定转速3 200 r/min，额定功率94.1 W)在关门过程高速段的峰值电压仅为额定电压的70%左右(约33 V)，在关门过程低速段，峰值电压仅为额定电压的40%左右(约20 V)。

实际上现有电机额定功率并未安全发挥，仍有可调整空间。为此，在设备软件中修改关门速度曲线，使关门时间缩短至3.2 s，关门速度加快，关门推力增大。在调整DCU参数后的测试中，仍出现整侧门体中个别门体关门延时、门体超速报警及DCU死机等问题，且高峰期运行时该侧出现多个门体关门延时和无法关闭情况，故障率比测试前还高。这说明原设备厂关门曲线已优化得非常好，没有调整空间。如果将关门速度加大，实际关门时会触碰到红色保护区域而造成门体超速死机；如果将关门速度减小，又造成受风压影响的故障数增多。

2.2 改变驱动电机减速机减速比和霍尔反馈信号

西安地铁2号线站台屏蔽门门机系统主动轮采用直流有刷电机和10∶1蜗轮蜗杆减速机，减速机前端安装驱动皮带轮。如将减速机的减速比增大，则减速机的输出力矩也会线性增加，从而增加关门推力。但增加减速比后，若要保持原关门速度，则开关门电机转速需要提高，电机总行程需要加长。

将减速机换成15∶1减速机，在不考虑电机转速的情况下，电机力矩将增1.27倍。该电机额定转速为3 000 r/min，现场开关门最高转速约为2 000 r/min，所以转速仍有余量。但由于位置环反馈采集的是电机霍尔信号，改变减速比后，开关门总行程将变为原来(1 900 mm)的2/3，故需要对霍尔信号进行2/3分频处理。处理后的开关门总行程将保持不变。

霍尔转换板试验发现，开门时会给出超速报告。其原因是由于改变了电机霍尔脉冲反馈导致电机欠速，造成与原速曲线不一致；DCU为维持速度稳定，给电机加电压，又导致超速，致使系统失稳。

2.3 改为从动轮双电机驱动

在门机系统从动轮上增加1台独立的伺服电机系统。该电机在关门时介入，使从动轮电机在力矩控制模式下输出恒力矩，帮助门机系统克服摩擦阻力。直连加装400 W电机后，现场安装测试表明门体正常开关。从具体测试波形看，加装的从动轮电机已使原门机系统电机出力矩减少(电压波形下降)，可以帮助门机克服部分风压阻力。

经过测试发现，门体加装400 W电机后，门体测试曲线与样机不同。将电机介入时间从200 ms改为20 ms后，门体运行均正常，无故障记录。但行车间隔高峰期由原来的4 min调整为3 min 42 s后，加装400 W电机后门体关门出现延时故障，高峰期出现多起二次关门故障。

2.4 更换DCU门控单元

通过调研发现，昆明地铁站台屏蔽门系统和西安地铁相似，且曾实施过DCU整体替换方案来改造克服关门力不足的缺陷。西安地铁公司随后对2号线站台屏蔽门DCU进行替换改造，相当于更换了电机驱动设置，即速度、力矩、时间等参数可以自行重新设置。通过测试发现，故障率大幅下降(见图3)，且系统稳定。

图3 DCU改造前后站台屏蔽门故障统计

3 DCU门控单元更换方案

DCU门控单元更换的基本原则是：利用原系统布线，同时保留DCU的对外连接方式；应预防系统改造过程中可能出现的错误，以降低运营风险。其技术参数要求和大体方案如下：

(1) 每扇关门力≤150 N (在门关至行程的1/3后测量)；

(2) 关门时，滑动门(每扇)最后行程(100 mm)范围内的动能 ≤1 J；

(3) 每扇滑动门关门时最大动能≤10 J；

(4) 每扇滑动门的最大速度≤0.6 m/s；

(5) 滑动门开启时间为2.5～3.5 s，滑动门关闭时间为3～4.0 s，且均可根据现场实际情况进行调整；

(6) 站台屏蔽门接受命令到滑动门动作时间 ≤0.15 s(包括解锁时间)，门已关闭信号从DCU反馈到站台屏蔽门的时间≤0.15 s；

(7) 可实现与信号系统的联动功能，具备对单个门的“隔离、自动、手动”控制功能，具有障碍物探测功能。

3.1 电源方案

原站台屏蔽门单元供电采用三相AC 380 V转三相AC 36 V，变压器为DCU提供驱动电源(见图4)。

图4 原站台屏蔽门变压器接线图

三相AC 36 V为DCU提供驱动电源。DCU内部将三相AC 36 V整流成DC 48 V，用于控制门头灯、电磁阀、电机等外部设备，同时为门机电磁锁、行程开关，以及应急门及端门行程开关等部件提供电源。变压器通过安装板安装在门机梁内。

改造后的DCU采用直流供电方式，原站台屏蔽门单元三相AC 36 V电源无法满足供电要求。考虑到DCU外部设备采用DC 48 V供电，因此需要对门单元供电方案进行改造。为满足供电要求，同时为降低改造风险和减少现场施工工作量，采用三相AC 380 V转DC 48 V降压模块替换原站台屏蔽门门头的三相AC 380 V转三相AC 36 V变压器，为门单元提供驱动电源。

电源采用导轨式安装方式，同时为导轨电源配置安装板并固定在门机梁内，如图5所示。

图5 改造后的电源安装示意图

将三相AC 380 V接至门头电源输入端，同时将门头DC 48 V电源输出端接至门机空气开关一端，并保留空气开关另一端至DCU线缆及连接器的连接(见图6)。目前，该电源方案已在样机及现场通过了实际验证。验证结果表明该电源方案可以保证站台屏蔽门的正常使用。

a) 改造前门头变压器

b) 改造后门头电源模块图6 改造前后的站台屏蔽门电源实景图

3.2 DCU改造方案

风压导致站台屏蔽门无法可靠关闭的核心原因是风压过大，造成门控单元进入障碍物模式(甚至死机)，而原DCU相关参数又无法调整，故无法满足实际使用需求。为此，改造方案是采用DCU新产品对等替换原有产品，同时在参数调整上开放，然后通过调整参数来满足实际使用需求。

改造后新的DCU采用与原DCU类似的安装方式，即采用DCU加底板组合的安装方式，并在机械接口、通信接口及电气接口方面与原DCU接口保持一致，以期降低现场改造风险及施工工作量。

新的DCU内部采用分板方式布置，主要包括核心控制板、接口板、电源板及通信板。采用分板方式布置可以降低后期的维修成本，同时蜂鸣器采用可拆卸方式以便维修。新的DCU内部框图见图7。

为解决原DCU 参数无法调整问题，新的DCU 将核心参数对外开放，即可根据实际使用需求进行相关参数调整。

图7 新的DCU内部框图

4 结语

站台屏蔽门DCU改造后，提升了滑动门关门力，提高了关门最后1/3行程的关门速度，由此成功解决了因风压增大导致关门力不够的问题。西安地铁2号线全线站台屏蔽门设备故障数较改造前下降48.6%，设备稳定运行，确保了地铁行车安全。

站台屏蔽门在轨道交通运输中有着很重要的地位，既有保护乘客安全的作用，也有节约能源的作用。然而随着低碳生活越来越被人们接受，地铁客流有了很大的增加，高密度行车是应对大客流的有效办法，同时高密度行车导致站台屏蔽门发生的问题也越来越多。对站台屏蔽门进行深入研究，不断地总结故障处理和技术改进经验，才能让站台屏蔽门更好地服务轨道交通运输，提高运营安全性。