地铁屏蔽门电机功率需求计算①
2014-12-24黄育良
黄育良
摘 要：地铁屏蔽门作为站台侧和轨道侧的气密性隔断工具。因此其正常运行状况下，必然会受到轨道侧和站台侧风压压差的影响。目前，部分城市的屏蔽门系统出现因为风压过大而出现遇障停止，然后二次关门的情况，导致运营延误。屏蔽门电机功率选取是否恰当，这个问题受到越来越多业主的关注。该文将根据实际工程经验数据，分析计算屏蔽门电机在风压情况下的功率需求。
关键词：屏蔽门 风压 电机 荷载
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0068-02
1 背景说明
1.1 现状说明
我国城市轨道交通项目的建设正处于飞速发展时期，在新建线路及旧有线路的改造工程中，站台屏蔽门的应用日趋广泛。地铁站台屏蔽门安装在站台边缘，将站台轨道区与候车区隔离（同时区间隧道与车站也完全隔离）。由于屏蔽门将隧道和站台区域隔离，因此，门体会承受隧道和站台压差带来的压力。在屏蔽门运动过程中，除了考虑自身正常的摩擦阻力，还需要考虑风压带来的额外阻力。其电机荷载会因为风压而增大。一般各车站的风压状况是不一致的，即便同一车站，在不同季节因为风机开启大小不同，风压状况也不一致。即便是同一车站的同一时间段内，风机开启功率相同，因为列车运行状况不同，风压也会有很大的差异。将风压影响准确纳入屏蔽门电机功率考虑，是屏蔽门行业的难题。
1.2 屏蔽门风压荷载数据分析
屏蔽门系统设置于地铁站台边缘，在列车到达和出发时可自动开启和关闭。其功能门部分一般由固定门、滑动门、应急门及端门组成。屏蔽门承受外荷载主要有：（1）风压;（2）人群荷载;（3）冲击荷载;（4）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，一般根据工程经验估计[1]，也有通过数值模拟分析确定。但不同工况下实际风压究竟多大，目前未见有相关文献介绍。[2]因此，该论文基于目前的实际工程风压要求概况为基础计算。
不同地铁线路要求的屏蔽门风压不同，下图是各地不同地铁线路对屏蔽门风压荷载的统计数据：
通过上述统计可以看出，目前屏蔽门最大风压荷载要求为2000 Pa。除了深圳三期工程外，其余大部分线路的风压要求均在1500 Pa以下。本文后面的计算中，将采用2000 Pa作为屏蔽门风压的假设值。
1.3 屏蔽门运动曲线分析
典型的屏蔽门运动曲线如图2所示。
开门过程中，屏蔽门运行曲线大致分为加速段，匀速段和减速段。其最大速度不大于0.5 m/s。
关门过程中，屏蔽门运行曲线大致分为加速段，匀速段，减速段，低速段。在最大行程至最后100 mm这段行程中，最大速度不大于0.5 m/s，最后100 mm行程速度不大于0.15 m/s。
1.4 电机特性参数
目前行业内广泛应用的屏蔽门系统通常采用的直流无刷主电机参数如图4所示。
电机型号采用BG65×75（110 V）额定扭矩为0.4 Nm，额定转速为3200 rpm。
减速箱参数如下：
电机的减速箱采用型号为SG80K （1∶15），减速比为1∶15，效率为0.55。
2 功率需求计算
2.1 风压影响分析
风压对门体的影响跟门体关闭的面积有关。假设单扇活动门门体面积为1 m×2.15 m。而由于打开部分的屏蔽门面积并不受风压影响。因此，风压的压力与开度有关。
F为屏蔽门受到风压荷载力（N）;
p为轨道侧与站台侧间风压（Pa）;
w为屏蔽门活动门宽度（m）;
s为屏蔽门活动门开度（m）;
h为屏蔽门活动门高度（m）。
其中w=2 m，h=2.15 m，s=0～2 m。p=2000 Pa。
公式可以转化为：
则可以得知开度越大门体受风压影响越小。把风压荷载转化为对门的阻力。
f为屏蔽门因为风压荷载而增加的阻力（N）;
F为屏蔽门受到风压荷载力（N）;
μ为摩擦系数;
2.2 速度曲线影响分析
由门体运动曲线可知，门体在开门过程中加速段，运动速度为0～Vmax;在匀速段，可以认为门机的速度为Vmax;减速段为Vmax～0。
门体在关门过程中加速段，运动速度为0～Vmax;在匀速段，可以认为门机的速度为Vmax;减速段为Vmax～Vmax100 mm。低速段速度为Vmax100 mm。
而根据1.3分析，Vmax可以假设等于0.5 m/s，Vmax100 mm可假设等于0.15 m/s。
此外，门机在加减速过程中，电机驱动力会受到加速度的影响。根据对速度曲线的分析计算，门机加速段的加速度不大于0.9 m/s2，门机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。
根据经验，单扇活动门重量一般为65～80 kg，我们将以80 kg为假设值。则两扇门按160 kg计算。
2.3 电机功率计算
根据能量守恒定律，电机输出功率应当等于维持门体运动瞬间所需功率。因此，电机输出功率可以用如下公式计算：
P为电机输出功率;
f为门机瞬间驱动力（包括风压叠加阻力，正常阻力及加速力）;
v为门机瞬间速度。
其中：
;
f1为正常门机阻力;
f2为风压叠加阻力;endprint
f3为加速力。
门机在开门阶段，风压得到排泄，因此，风压力在整个过程中是逐渐减少。因此，门体在打开过程中，其受风压影响作用小于关门作用。而根据实际运营经验，一般门机只会在关门情况下受到风压影响产生二次关门的遇障情况，与理论假设吻合。因此，对于电机最大输出功率的计算，我们只需考虑关门过程即可。
根据关门过程的运动特性：
根据门机重量及阻尼系数可推算出门机阻力为f1=54.936 N。
2.3.1 加速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度不会小于800 mm，根据屏蔽门所用材料，查得摩擦系数为0.035。因此，加速段最大风压阻力为：f2=75.25 N。
加速度按0.9 m/s2计算，门机加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。
门机速度取0.5 m/s：
P=fv≈137.1 W
2.3.2 匀速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度不会小于200 mm。因此，加速段最大风压阻力为：f2=240.8 N。
门机加速力f3=0 N
f=54.936 N+240.8 N=295.736 N
P=fv≈147.9 W
门机速度取0.5 m/s
2.3.3 减速段
由于减速段电机作用力与门机运动方向相反，因此，此段电机的输出功率必然小于匀速段或减速段功率。
2.3.4 低速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度最小为0 mm。因此，加速段最大风压阻力为;f2=301 N。
门机加速力f3=0 N
f=54.936 N+301 N=355.936 N
门机速度取0.15 m/s
P=fv≈53.4 W
综上所述，电机最大需求输出功率为147.9 W。
3 结语
由于电机的最大输出功率为250 W，减速箱效率为0.55，因此，电机整机（带减速箱）最大输出功率为137.5 W。根据理论计算电机最大输出功率需要147.9 W。
由于文中的计算方式为极限最大值叠加方式，实际工程中功率会比理论计算小。可虑到余量叠加，减速箱效率不变情况下，建议电机功率额定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能够比较可靠的保障门体在2000 Pa风压情况下的可靠运行。如果采用效率更高的减速箱，也能增大电机整机的输出功率。
参考文献
[1] 陈海辉.地铁屏蔽门的机械设计及力学模型[J].华南理工大学学报：自然科学版，2004（4）：74.
[2] 吴培浩，杨仕超，马扬，等.地铁屏蔽门风压实测研究[J].城市轨道交通研究，2007（6）.
[3] 刘承东.屏蔽门系统在地铁中的应用[J].城市轨道交通研究，2000（1）.
[4] 孙增田.广州地铁屏蔽门系统的方案比选[J].地铁与轻轨，2002（6）：28.endprint
f3为加速力。
门机在开门阶段，风压得到排泄，因此，风压力在整个过程中是逐渐减少。因此，门体在打开过程中，其受风压影响作用小于关门作用。而根据实际运营经验，一般门机只会在关门情况下受到风压影响产生二次关门的遇障情况，与理论假设吻合。因此，对于电机最大输出功率的计算，我们只需考虑关门过程即可。
根据关门过程的运动特性：
根据门机重量及阻尼系数可推算出门机阻力为f1=54.936 N。
2.3.1 加速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度不会小于800 mm，根据屏蔽门所用材料，查得摩擦系数为0.035。因此，加速段最大风压阻力为：f2=75.25 N。
加速度按0.9 m/s2计算，门机加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。
门机速度取0.5 m/s：
P=fv≈137.1 W
2.3.2 匀速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度不会小于200 mm。因此，加速段最大风压阻力为：f2=240.8 N。
门机加速力f3=0 N
f=54.936 N+240.8 N=295.736 N
P=fv≈147.9 W
门机速度取0.5 m/s
2.3.3 减速段
由于减速段电机作用力与门机运动方向相反，因此，此段电机的输出功率必然小于匀速段或减速段功率。
2.3.4 低速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度最小为0 mm。因此，加速段最大风压阻力为;f2=301 N。
门机加速力f3=0 N
f=54.936 N+301 N=355.936 N
门机速度取0.15 m/s
P=fv≈53.4 W
综上所述，电机最大需求输出功率为147.9 W。
3 结语
由于电机的最大输出功率为250 W，减速箱效率为0.55，因此，电机整机（带减速箱）最大输出功率为137.5 W。根据理论计算电机最大输出功率需要147.9 W。
由于文中的计算方式为极限最大值叠加方式，实际工程中功率会比理论计算小。可虑到余量叠加，减速箱效率不变情况下，建议电机功率额定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能够比较可靠的保障门体在2000 Pa风压情况下的可靠运行。如果采用效率更高的减速箱，也能增大电机整机的输出功率。
参考文献
[1] 陈海辉.地铁屏蔽门的机械设计及力学模型[J].华南理工大学学报：自然科学版，2004（4）：74.
[2] 吴培浩，杨仕超，马扬，等.地铁屏蔽门风压实测研究[J].城市轨道交通研究，2007（6）.
[3] 刘承东.屏蔽门系统在地铁中的应用[J].城市轨道交通研究，2000（1）.
[4] 孙增田.广州地铁屏蔽门系统的方案比选[J].地铁与轻轨，2002（6）：28.endprint
f3为加速力。
门机在开门阶段，风压得到排泄，因此，风压力在整个过程中是逐渐减少。因此，门体在打开过程中，其受风压影响作用小于关门作用。而根据实际运营经验，一般门机只会在关门情况下受到风压影响产生二次关门的遇障情况，与理论假设吻合。因此，对于电机最大输出功率的计算，我们只需考虑关门过程即可。
根据关门过程的运动特性：
根据门机重量及阻尼系数可推算出门机阻力为f1=54.936 N。
2.3.1 加速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度不会小于800 mm，根据屏蔽门所用材料，查得摩擦系数为0.035。因此，加速段最大风压阻力为：f2=75.25 N。
加速度按0.9 m/s2计算，门机加速力 f3=144 Nf=54.936 N+75.25 N+144 N=274.186 N。
门机速度取0.5 m/s：
P=fv≈137.1 W
2.3.2 匀速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度不会小于200 mm。因此，加速段最大风压阻力为：f2=240.8 N。
门机加速力f3=0 N
f=54.936 N+240.8 N=295.736 N
P=fv≈147.9 W
门机速度取0.5 m/s
2.3.3 减速段
由于减速段电机作用力与门机运动方向相反，因此，此段电机的输出功率必然小于匀速段或减速段功率。
2.3.4 低速段
根据速度曲线数据分析，加速段屏蔽门的开度最小为0 mm。因此，加速段最大风压阻力为;f2=301 N。
门机加速力f3=0 N
f=54.936 N+301 N=355.936 N
门机速度取0.15 m/s
P=fv≈53.4 W
综上所述，电机最大需求输出功率为147.9 W。
3 结语
由于电机的最大输出功率为250 W，减速箱效率为0.55，因此，电机整机（带减速箱）最大输出功率为137.5 W。根据理论计算电机最大输出功率需要147.9 W。
由于文中的计算方式为极限最大值叠加方式，实际工程中功率会比理论计算小。可虑到余量叠加，减速箱效率不变情况下，建议电机功率额定采用不小于150 W，最大功率采用不小于300 W，能够比较可靠的保障门体在2000 Pa风压情况下的可靠运行。如果采用效率更高的减速箱，也能增大电机整机的输出功率。
参考文献
[1] 陈海辉.地铁屏蔽门的机械设计及力学模型[J].华南理工大学学报：自然科学版，2004（4）：74.
[2] 吴培浩，杨仕超，马扬，等.地铁屏蔽门风压实测研究[J].城市轨道交通研究，2007（6）.
[3] 刘承东.屏蔽门系统在地铁中的应用[J].城市轨道交通研究，2000（1）.
[4] 孙增田.广州地铁屏蔽门系统的方案比选[J].地铁与轻轨，2002（6）：28.endprint
