遮蔽門機械體系的結構特性論文
地鐵站臺遮蔽門系統安裝於地鐵沿線車站站臺邊緣，由於它能提高運營安全係數、改善乘客候車環境、節約運營成本[1]，故該系統在地鐵站臺中得到廣泛應用。其結構設計的可靠性和安全性是評價遮蔽門系統工程優劣的重要指標之一，但遮蔽門技術長期被英國Westinghouse、法國Faiveley、日本Nabco、瑞士KABA等[2]幾家公司壟斷，國內對此類遮蔽門進行的相關研究較少。在建的寧波軌道交通1號線一期工程基於對乘客安全、節能和車站環境的考慮採用了遮蔽門系統。由於軌道交通的特殊性，業主對遮蔽門機械系統的安全性、可靠性及經濟性有較高要求。目前遮蔽門機械設計主要分為結構設計和強度、剛度分析等，以滿足遮蔽門的特殊要求。
1遮蔽門機械系統結構
1.1遮蔽門機械系統結構
遮蔽門系統在地鐵站臺上的佈置示意圖如圖1所示，主要由標準滑動門單元、標準固定門單元、應急門單元、非標滑動門單元、非標固定門單元及端門單元組成(圖中未畫出)。正常停車狀態下，列車門單元與遮蔽門系統中的滑動門單元一一對齊，非正常停車狀態下，至少有一個列車門單元可以與遮蔽門系統中的某一滑動門單元對齊，保證旅客可以順利下車。圖2所示為一個用於有限元分析的標準遮蔽門樣機單元，主要包括兩扇標準滑動門（ASD）、兩扇應急門（EED）、1個標準固定門（FIX）、門機梁單元、承重結構以及上部防沉降伸縮裝置等。其中，門體主要由不鏽鋼門框及鋼化玻璃組成，用於隔離站臺與軌道。門機梁單元包括鋁型材門機梁及各種控制驅動單元(DCU、電機、皮帶、掛輪元件等)，用於控制滑動門的開閉動作。承重結構主要由門檻、底座及立柱等部件組成，在遮蔽門系統中起到骨架的作用，用於支撐整個遮蔽門系統及承受各種載荷，遮蔽門系統透過底座與站臺地板連線。上部防沉降伸縮裝置用於連線遮蔽門系統與站臺天花板，可以有效地吸收站臺沉降。
1.2遮蔽門有限元分析模型
遮蔽門的實際模型相當複雜，在不影響計算精度的前提下，有限元分析時需要對機械結構系統進行簡化處理，將不受載的零件簡化，如密封橡膠和防護板等，將螺栓簡化為連線約束等。遮蔽門的有限元分析模型如圖3所示。遮蔽門的有限元模型中，門框、橫樑、底座和玻璃等所有結構都採用solid實體單元（各零件的詳細材料引數見表1），並採用六面體單元進行sweep網格劃分，對不同尺寸零件的網格大小進行控制，玻璃等尺寸較大的零件採用的網格尺寸相對較大，底座等採用的網格尺寸小。零件相互接觸處採用固連方式處理，並根據實際對各零件的材料引數進行相應設定。
1.3遮蔽門邊界條件及載荷設定
根據實際情況在遮蔽門系統結構有限元模型中施加的邊界條件主要為固定約束，分為底座約束和頂部支撐約束，門框、立柱、橫樑和支撐之間採用固連方式相互連線。遮蔽門承受外載荷主要有風壓、人群擠壓載荷、衝擊載荷和地震載荷等[3]。該分析中4種載荷型別被考慮，衝擊載荷按工況分為4類，人群擠壓載荷看作節點力，風壓看作作用於玻璃板上的均勻壓力，地震載荷看作加速度。4種載荷的詳細引數如表2所示。實際使用過程中，遮蔽門所承受的載荷可以分為3種工況。表3為3種工況下4種載荷的作用情況。工況2和工況3中，擠壓和衝擊2種載荷只存在1種；工況1中4種載荷同時存在，以分析遮蔽門在極限工況下的狀態。其中按照作用位置，衝擊載荷又分別分析了4種不同的條件：作用位置分別在固定門中心（載荷工況1a）、固定門立柱中心（載荷工況1b）、滑動門柱中心（載荷工況1c）和同時在固定門中心、固定門立柱中心和滑動門柱中心（載荷工況1d）。
2遮蔽門有限元分析結果
2.1遮蔽門模態分析結果
在模態分析中，低階模態對振動系統的影響較大，結構的振動特性分析時通常取頻率較小的模態，但在本文中結構的固有頻率較低，而且數值相差較小，所以提取遮蔽門的`前30階模態。由有限元分析得遮蔽門系統的前30階固有頻率，如表4所示。由表4可以看出遮蔽門系統的前30階固有頻率在13.1~105Hz之間，隨著階數增大，固有頻率從小到大分佈，在數值很接近的固有頻率下，會出現振型和頻率相接近但相位不同的情況。現提取幾階典型振型，對遮蔽門的振動特性進行分析。圖4為頻率分別為13.1、42.7、65.5、67.2、89.5和99.6Hz時遮蔽門的振型。由有限元模態分析可得遮蔽門的各階模態特性，其中在頻率為13.1~105Hz之間，遮蔽門的振型大多為各門體、立柱和橫樑的各種變形形態。現提取其中比較典型的幾階振型，如圖4所示。頻率為13.1Hz時，固定門在水平z方向產生變形，中心位置的變形最大；頻率為42.7Hz時，兩扇滑動門各自沿中心線產生扭轉變形，滑動門邊緣處變形最大；頻率為65.5Hz時，立柱沿水平x方向產生變形，立柱中心處變形最大；頻率為67.2Hz時，應急門沿水平z方向產生變形，門的中心及邊緣處的變形最大，且方向相反；頻率為89.5Hz時，應急門底部橫樑產生“s”形變形；頻率為99.6Hz時，整個遮蔽門發生整體變形，各個零件在此頻率下同時產生較大變形。
2.2遮蔽門結構剛度分析結果
針對不同工況，對遮蔽門的結構剛度進行分析，得到不同工況下遮蔽門系統的變形及應力響應。表5為各工況下遮蔽門的剛度分析結果。由表5可知載荷工況1d時，遮蔽門的最大變形及應力高於其他工況條件的最大變形和應力，即對載荷工況1d是該遮蔽門最苛刻的工作條件。下面詳細分析該工況下的遮蔽門系統及其零部件的變形及應力響應。圖5為載荷工況1d下遮蔽門的整體變形及應力分析結果。由圖5可知，該工況下遮蔽門的最大變形為10.3mm，在固定門的中心位置；最大應力為214.8MPa，在應急門橫樑與立柱接觸處。在立柱、支座和橫樑的其他位置，最大應力在40~80MPa之間。圖6為工況1d下各個門體及立柱框架的變形分佈圖，由圖可知，滑動門上部的變形較大，最大變形為2.2mm，在門的中部偏上位置；應急門的最大變形為2.1mm，兩扇門的變形表現明顯不對稱分佈，因為整體遮蔽門所承受的載荷不對稱；固定門的最大變形為10.3mm，處於門的中心位置，在該工況下固定門所承受的載荷最大，所以變形最大；立柱框架的最大變形為4.6mm，固定門處的立柱變形最大。底座及頂部支撐是遮蔽門與外部結構相連線的部件，其狀態的好壞是遮蔽門能否正常工作的關鍵，因此對底座及頂部支撐的結構響應進行分析。圖7為工況1d下底座的變形及應力分佈圖，由圖可知，該底座的最大變形為8.2mm，在底座頂部的側邊處，最大應力為40.8MPa，處於底座的一個立柱上。底座上表面的應力最大值約為30MPa左右。由此可知，底座滿足該工況條件下的使用要求。圖8為工況1d下頂部支撐的變形及應力分佈圖，由圖可知，該頂部支撐結構的最大變形為1.6mm，發生在頂部支撐與門體結構部件的連線處，最大應力為204.7MPa，處於立柱與板的連線位置，該應力為集中應力，可以採取有效措施予以避免。支撐結構的其他位置處的最大應力在60~100MPa之間，因此頂部支撐滿足該工況條件下的使用要求。
3結語
本文建立了城市軌道交通地鐵遮蔽門系統的結構分析模型，利用有限元法分析了遮蔽門系統模態和結構剛度，得到了遮蔽門系統的主要模態特性及變形應力響應，為遮蔽門系統的可行性及其最佳化設計提供了理論基礎：①建立了遮蔽門系統的結構分析的模型及方法，為後續遮蔽門的結構分析提供參照。②透過遮蔽門系統的模態響應分析，得到了遮蔽門系統的低階固有頻率及振型，直觀地分析了遮蔽門系統的振動特性，為遮蔽門的振動控制提供了理論基礎。③透過遮蔽門系統的剛度特性分析，得到了遮蔽門系統在各個工況條件下的變形及應力響應情況，理論上論證了系統的可行性，併為系統的最佳化設計及可靠性設計提供了依據。
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