屏蔽門(mén)機(jī)械體系的結(jié)構(gòu)特性
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0前言
地鐵站臺(tái)屏蔽門(mén)系統(tǒng)安裝于地鐵沿線車站站臺(tái)邊緣，由于它能提高運(yùn)營(yíng)安全系數(shù)、改善乘客候車環(huán)境、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本[1]，故該系統(tǒng)在地鐵站臺(tái)中得到廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和安全性是評(píng)價(jià)屏蔽門(mén)系統(tǒng)工程優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，但屏蔽門(mén)技術(shù)長(zhǎng)期被英國(guó)Westinghouse、法國(guó)Faiveley、日本Nabco、瑞士KABA等[2]幾家公司壟斷，國(guó)內(nèi)對(duì)此類屏蔽門(mén)進(jìn)行的相關(guān)研究較少。在建的寧波軌道交通1號(hào)線一期工程基于對(duì)乘客安全、節(jié)能和車站環(huán)境的考慮采用了屏蔽門(mén)系統(tǒng)。由于軌道交通的特殊性，業(yè)主對(duì)屏蔽門(mén)機(jī)械系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性有較高要求。目前屏蔽門(mén)機(jī)械設(shè)計(jì)主要分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、剛度分析等，以滿足屏蔽門(mén)的特殊要求。
1屏蔽門(mén)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1屏蔽門(mén)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
屏蔽門(mén)系統(tǒng)在地鐵站臺(tái)上的布置示意圖如圖1所示，主要由標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)門(mén)單元、標(biāo)準(zhǔn)固定門(mén)單元、應(yīng)急門(mén)單元、非標(biāo)滑動(dòng)門(mén)單元、非標(biāo)固定門(mén)單元及端門(mén)單元組成(圖中未畫(huà)出)。正常停車狀態(tài)下，列車門(mén)單元與屏蔽門(mén)系統(tǒng)中的滑動(dòng)門(mén)單元一一對(duì)齊，非正常停車狀態(tài)下，至少有一個(gè)列車門(mén)單元可以與屏蔽門(mén)系統(tǒng)中的某一滑動(dòng)門(mén)單元對(duì)齊，保證旅客可以順利下車。圖2所示為一個(gè)用于有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)屏蔽門(mén)樣機(jī)單元，主要包括兩扇標(biāo)準(zhǔn)滑動(dòng)門(mén)（ASD）、兩扇應(yīng)急門(mén)（EED）、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)固定門(mén)（FIX）、門(mén)機(jī)梁?jiǎn)卧?、承重結(jié)構(gòu)以及上部防沉降伸縮裝置等。其中，門(mén)體主要由不銹鋼門(mén)框及鋼化玻璃組成，用于隔離站臺(tái)與軌道。門(mén)機(jī)梁?jiǎn)卧ㄤX型材門(mén)機(jī)梁及各種控制驅(qū)動(dòng)單元(DCU、電機(jī)、皮帶、掛輪組件等)，用于控制滑動(dòng)門(mén)的開(kāi)閉動(dòng)作。承重結(jié)構(gòu)主要由門(mén)檻、底座及立柱等部件組成，在屏蔽門(mén)系統(tǒng)中起到骨架的作用，用于支撐整個(gè)屏蔽門(mén)系統(tǒng)及承受各種載荷，屏蔽門(mén)系統(tǒng)通過(guò)底座與站臺(tái)地板連接。上部防沉降伸縮裝置用于連接屏蔽門(mén)系統(tǒng)與站臺(tái)天花板，可以有效地吸收站臺(tái)沉降。
1.2屏蔽門(mén)有限元分析模型
屏蔽門(mén)的實(shí)際模型相當(dāng)復(fù)雜，在不影響計(jì)算精度的前提下，有限元分析時(shí)需要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將不受載的零件簡(jiǎn)化，如密封橡膠和防護(hù)板等，將螺栓簡(jiǎn)化為連接約束等。屏蔽門(mén)的有限元分析模型如圖3所示。屏蔽門(mén)的有限元模型中，門(mén)框、橫梁、底座和玻璃等所有結(jié)構(gòu)都采用solid實(shí)體單元（各零件的詳細(xì)材料參數(shù)見(jiàn)表1），并采用六面體單元進(jìn)行sweep網(wǎng)格劃分，對(duì)不同尺寸零件的網(wǎng)格大小進(jìn)行控制，玻璃等尺寸較大的零件采用的網(wǎng)格尺寸相對(duì)較大，底座等采用的網(wǎng)格尺寸小。零件相互接觸處采用固連方式處理，并根據(jù)實(shí)際對(duì)各零件的材料參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。
1.3屏蔽門(mén)邊界條件及載荷設(shè)置
根據(jù)實(shí)際情況在屏蔽門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(mén)框、立柱、橫梁和支撐之間采用固連方式相互連接。屏蔽門(mén)承受外載荷主要有風(fēng)壓、人群擠壓載荷、沖擊載荷和地震載荷等[3]。該分析中4種載荷類型被考慮，沖擊載荷按工況分為4類，人群擠壓載荷看作節(jié)點(diǎn)力，風(fēng)壓看作作用于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(xì)參數(shù)如表2所示。實(shí)際使用過(guò)程中，屏蔽門(mén)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，擠壓和沖擊2種載荷只存在1種；工況1中4種載荷同時(shí)存在，以分析屏蔽門(mén)在極限工況下的狀態(tài)。其中按照作用位置，沖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(mén)中心（載荷工況1a）、固定門(mén)立柱中心（載荷工況1b）、滑動(dòng)門(mén)柱中心（載荷工況1c）和同時(shí)在固定門(mén)中心、固定門(mén)立柱中心和滑動(dòng)門(mén)柱中心（載荷工況1d）。
2屏蔽門(mén)有限元分析結(jié)果
2.1屏蔽門(mén)模態(tài)分析結(jié)果
在模態(tài)分析中，低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的影響較大，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析時(shí)通常取頻率較小的模態(tài)，但在本文中結(jié)構(gòu)的固有頻率較低，而且數(shù)值相差較小，所以提取屏蔽門(mén)的前30階模態(tài)。由有限元分析得屏蔽門(mén)系統(tǒng)的前30階固有頻率，如表4所示。由表4可以看出屏蔽門(mén)系統(tǒng)的前30階固有頻率在13.1~105Hz之間，隨著階數(shù)增大，固有頻率從小到大分布，在數(shù)值很接近的固有頻率下，會(huì)出現(xiàn)振型和頻率相接近但相位不同的情況。現(xiàn)提取幾階典型振型，對(duì)屏蔽門(mén)的振動(dòng)特性進(jìn)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(shí)屏蔽門(mén)的振型。由有限元模態(tài)分析可得屏蔽門(mén)的各階模態(tài)特性，其中在頻率為13.1~105Hz之間，屏蔽門(mén)的振型大多為各門(mén)體、立柱和橫梁的各種變形形態(tài)?，F(xiàn)提取其中比較典型的幾階振型，如圖4所示。頻率為13.1Hz時(shí)，固定門(mén)在水平z方向產(chǎn)生變形，中心位置的變形最大；頻率為42.7Hz時(shí)，兩扇滑動(dòng)門(mén)各自沿中心線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，滑動(dòng)門(mén)邊緣處變形最大；頻率為65.5Hz時(shí)，立柱沿水平x方向產(chǎn)生變形，立柱中心處變形最大；頻率為67.2Hz時(shí)，應(yīng)急門(mén)沿水平z方向產(chǎn)生變形，門(mén)的中心及邊緣處的變形最大，且方向相反；頻率為89.5Hz時(shí)，應(yīng)急門(mén)底部橫梁產(chǎn)生“s”形變形；頻率為99.6Hz時(shí)，整個(gè)屏蔽門(mén)發(fā)生整體變形，各個(gè)零件在此頻率下同時(shí)產(chǎn)生較大變形。
2.2屏蔽門(mén)結(jié)構(gòu)剛度分析結(jié)果
針對(duì)不同工況，對(duì)屏蔽門(mén)的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行分析，得到不同工況下屏蔽門(mén)系統(tǒng)的變形及應(yīng)力響應(yīng)。表5為各工況下屏蔽門(mén)的剛度分析結(jié)果。由表5可知載荷工況1d時(shí)，屏蔽門(mén)的最大變形及應(yīng)力高于其他工況條件的最大變形和應(yīng)力，即對(duì)載荷工況1d是該屏蔽門(mén)最苛刻的工作條件。下面詳細(xì)分析該工況下的屏蔽門(mén)系統(tǒng)及其零部件的變形及應(yīng)力響應(yīng)。圖5為載荷工況1d下屏蔽門(mén)的整體變形及應(yīng)力分析結(jié)果。由圖5可知，該工況下屏蔽門(mén)的最大變形為10.3mm，在固定門(mén)的中心位置；最大應(yīng)力為214.8MPa，在應(yīng)急門(mén)橫梁與立柱接觸處。在立柱、支座和橫梁的其他位置，最大應(yīng)力在40~80MPa之間。圖6為工況1d下各個(gè)門(mén)體及立柱框架的變形分布圖，由圖可知，滑動(dòng)門(mén)上部的變形較大，最大變形為2.2mm，在門(mén)的中部偏上位置；應(yīng)急門(mén)的最大變形為2.1mm，兩扇門(mén)的變形表現(xiàn)明顯不對(duì)稱分布，因?yàn)檎w屏蔽門(mén)所承受的載荷不對(duì)稱；固定門(mén)的最大變形為10.3mm，處于門(mén)的中心位置，在該工況下固定門(mén)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(mén)處的立柱變形最大。底座及頂部支撐是屏蔽門(mén)與外部結(jié)構(gòu)相連接的部件，其狀態(tài)的好壞是屏蔽門(mén)能否正常工作的關(guān)鍵，因此對(duì)底座及頂部支撐的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析。圖7為工況1d下底座的變形及應(yīng)力分布圖，由圖可知，該底座的最大變形為8.2mm，在底座頂部的側(cè)邊處，最大應(yīng)力為40.8MPa，處于底座的一個(gè)立柱上。底座上表面的應(yīng)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(yīng)力分布圖，由圖可知，該頂部支撐結(jié)構(gòu)的最大變形為1.6mm，發(fā)生在頂部支撐與門(mén)體結(jié)構(gòu)部件的連接處，最大應(yīng)力為204.7MPa，處于立柱與板的連接位置，該應(yīng)力為集中應(yīng)力，可以采取有效措施予以避免。支撐結(jié)構(gòu)的其他位置處的最大應(yīng)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(jié)語(yǔ)
本文建立了城市軌道交通地鐵屏蔽門(mén)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析模型，利用有限元法分析了屏蔽門(mén)系統(tǒng)模態(tài)和結(jié)構(gòu)剛度，得到了屏蔽門(mén)系統(tǒng)的主要模態(tài)特性及變形應(yīng)力響應(yīng)，為屏蔽門(mén)系統(tǒng)的可行性及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)：①建立了屏蔽門(mén)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析的模型及方法，為后續(xù)屏蔽門(mén)的結(jié)構(gòu)分析提供參照。②通過(guò)屏蔽門(mén)系統(tǒng)的模態(tài)響應(yīng)分析，得到了屏蔽門(mén)系統(tǒng)的低階固有頻率及振型，直觀地分析了屏蔽門(mén)系統(tǒng)的振動(dòng)特性，為屏蔽門(mén)的振動(dòng)控制提供了理論基礎(chǔ)。③通過(guò)屏蔽門(mén)系統(tǒng)的剛度特性分析，得到了屏蔽門(mén)系統(tǒng)在各個(gè)工況條件下的變形及應(yīng)力響應(yīng)情況，理論上論證了系統(tǒng)的可行性，并為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。