【优秀毕业论文】城市轨道车辆自动塞拉门系统研究.pdf

南京理工大学 硕士学位论文 城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 姓名：陈超 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及自动化 指导教师：施祖康 20031201 摘要 y 5 7 1 8 8 6 本文以城市轨道车辆皂动塞拉门系统为研究对象，围绕该门系统的国产化所涉 及的相关理论和技术展开较深入的研究。论文取得了以下几方面的成果： 1 依据门系统技术要求，提出城市轨道车辆自动塞拉门系统各组成部分( 机 构、门扇和控制系统) 的解决方案，完成了自动塞拉门系统的研发、设计工作。 2 在对现有门系统锁闭装置深入研究和大量先行性试验的基础上，首次独创 推出了单向自锁式无源机械锁闭装置。 3 采用有限元分析法对门板的刚度进行理论计算，确保了塞拉门系统的安全 性、可靠性和实用性。 4 建立基于数字信号处理器( d s p ) 的高性能全数字闭环控制系统，并提出了 无刷直流电机的控制策略。 5 参照国际、国内和行业标准及试验方法，制订相关试验和检测程序，建立 了一整套自动塞拉门系统的试验和检测体系。 关键词塞拉门系统；机构：门扇；锁闭装置；刚度；控制；试验 a b s t r a c t a i m sa tt h ea u t o m a t i cs l i d i n gp l u gd o o rs y s t e mf o ru r b a nt r a n s i tv e h i c l e ，t h i st h e s i s ，w i t h i t sa c h i e v e m e n t sl i s t e db e l o w , m a k e sa q u i t ed e e pr e s e a r c h i n t ot h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y i n v o l v e dw i t ht h el o c a l i z a t i o no f t h es u b j e c td o o rs y s t e m 1s o l u t i o n st oe a c hc o m p o n e n to fa u t o m a t i cs l i d i n gp l u gd o o rs y s t e mf o ru r b a n t r a n s i tv e h i c l ei n c l u d i n go p e r a t o r , d o o rl e a fa n dc o n t r o ls y s t e mc o m eu pi na c c o r d a n c e w i mt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fd o o rs y s t e m a n ds u b s e q u e n t l yt h er & da n dd e s i g no f a u t o m a t i cs l i d i n g p l u g d o o r s y s t e m h a sb e e nf i n i s h e d 2 ap i o n e e rd e s i g n m e c h a n i c a ll o c k i n gd e v i c ef r e eo f p o w e r s u p p l y c h a r a c t e r i z e d b yu n i d i r e c t i o n a la n ds e l f - l o c k i n gf u n c t i o ni sa d o p t e df o rt h ef i r s tt i m eb a s e do nd e e p r e s e a r c ha sw e l la sc o n s i d e r a b l et r i a lo nt h el o c k i n gd e v i c eo f e x i s t i n gd o o rs y s t e m 3 ，f e aa n a l y s i si su s e df o rt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h er i g i d i t yo fd o o rl e a fs o t h a tt h es a f e t y , r e l i a b i l i t ya n d a v a i l a b i l i t yo fs l i d i n gp l u gd o o rs y s t e ma r ee n s u r e d 4 h i g h p e r f o r m a n c ea n dc o m p l e t e l yd i g l l a lc o n t r ls y s t e mi n c l o s e dl o o pi se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dac o n t r o l s t r a t e g yw i t h t h ea p p l i c a t i o no f b r u s h l e s sd cm o t o ri sp u tf o r w a r d 5 t e s ta n di n s p e c t i o np r o c e d u r e sa r ed r a w n u pi nr e f e r e n c et oi n t e r n a t i o n a l ， d o m e s t i ca n di n d u s t r i a ls t a n d a r d sa n dt e s tm e t h o d s ，w h i c ha l lc o n t r i b u t et ot h ef i n a l e s t a b l i s h m e n to fac o m p l e t es e to ft e s ta n di n s p e c t i o ns y s t e mf o ra u t o m a t i cs l i d i n gp l u g d o o rs y s t e m k e yw o r d s ：s l i d i n gp l u gd o o rs y s t e m ；o p e r a t o r ；d o o rl e a f ；l o c k i n gd e v i c e ；r i g i d i t y ； c o n t r o l ；t e s t 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 1 1引言 1 绪论 “塞拉门”一词来源于英文“s l i d i n gp l u gd o o r ”，形象说明了车门的运动轨 迹为平移与塞动( 垂直于平移方向) 的合成。塞拉门的发展与高速列车的发展息息 相关；高速列车的运行速度普遍在2 0 0 k m h 以上，甚至可以达到3 5 0 k m h 。当车辆 以如此的高速在轨道上行驶时，空气动力学效应将会对车辆产生显著的影响，尤其 是车辆进出隧道、隧道中会车时产生的空气压力波，将影响车门结构、旅客的舒适 性、运行安全。例如：以1 8 7 k m h 速度运行的t g v 列车与以1 9 0 k m h 速度运行的 r t g 列车在隧道交会时，压力波幅值达到7 9 0 0 p a 。在这么高的压力条件下，普通 折页门和平移门无法保证其密封性和锁闭安全性；而寨拉门的出现，解决了高压力 条件下车门的密封和锁闭安全等问题，满足了高速、准高速列车的要求。 与普通折页门和平移门相比，塞拉门具有以下优点： 1 提高车辆内部空间的利用率。塞拉门一般向车体外部开启摆出，开启时， 门扇不占用车体内部空间。 2 密封性能好。塞拉门的门扇周边具有一圈密封胶条，门关闭时，密封胶条 压缩并与门框周边贴合，可以补偿车门在压力作用下的变形量，提高了车门的密封 性能。例如：德国的i c e 高速列车，在塞拉门、排水管等处于关闭状态时，车内压 力从4 0 0 0 p a 降到1 0 0 0 p a 的时间不小于5 0 秒“1 。 3 具有良好的隔热、隔音性能。塞拉门的密封性能好，而良好的密封性能是 车门具有良好隔热、隔音性能的前提，塞拉门的使用有利于改善车门的隔热、降噪 性能，提高列车的舒适性，满足日益发展的铁路运输的要求。 4 提高了车辆的运行安全性。塞拉门具有一套安全、可靠的锁闭系统，既能 保证在列车运动过程中车门被可靠地锁闭，又能保证在车辆出现紧急情况时车门被 有效地打开。同时塞拉门的外摆开启有利于车辆在出现紧急情况时人员的疏散，增 加了车辆的安全性。 5 塞拉门锁闭时，门扇与车辆外表面成一个平面，这不仅使车辆美观，而且 列车高速行使时车门也不会发出噪音，同时也便于自动清洗装置对车辆的清洗。 1 2 国内外塞拉门发展概述 凭借其自身的优势和特点，塞拉门首先在铁路车辆上得到了广泛应用。例如： 德国的i e c ，法国的t g v ，日本的新干线列车，西班牙、意大利高速列车和瑞典的 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 $ 2 0 0 0 等都使用塞拉门。通过三十年的飞速发展，塞拉门的品种不断壮大，并已形 成系列，目前已可满足不同车辆的要求。根据驱动方式的不同，塞拉门可分为手动 塞拉门、气动塞拉门和电动塞拉门；根据控制方式的不同，可分为手控塞拉门、气 控塞拉门和电控塞拉门；根据门扇的数量，可分为单页塞拉门和双页塞拉门；根据 门扇形状的不问，可将塞拉门分为平门、折门和弯门。目前，国外主要的塞拉门系 统供应商有奥地利i f e 公司、法国f a i v e l e y 公司和德国的b o d e 公司。 我国在“八五”期间成功建设了广深准高速铁路并研制了最高运营速度为 1 6 0 k m h 的准高速机车车辆。其中，机车车辆的车门为气动塞拉门，最初为全套 引进的奥地利i f e 公司产品。1 9 9 6 年康尼公司开始进行国产化铁路客车电控气动塞 拉门的研发；1 9 9 7 年康尼公司成功研制出国内第一套客车电控气动塞拉门系统，并 于同年通过部级鉴定。由铁道部和机械工业部有关部门领导和专家组成的鉴定委员 会认为：“该产品属国内首创，填补了国内铁路客车行业的空白，其性能达到了国际 同类产品水平。”在随后的几年中，康尼公司以自身的专利技术成果和技术集成为基 础不断研制、开发适应市场需求的新产品，并迅速产业化和实现规模生产。 随着城市轨道交通的迅速发展，城轨车辆( 地铁、轻轨、电车) 的速度不断提 高，对车辆的密封性、安全性和舒适性的要求也越来越高，国际著名的车辆制造商 和车门供应商逐渐使用塞拉门系统代替移门系统，例如：法国阿尔斯通公司的“都 市”系列地铁，德国西门子公司和加拿大庞巴迪公司德高档地铁都已使用了塞拉门 系统。同时塞拉门系统的技术和性能不断提高，自动门系统已代替手动门系统，电 动门系统正在代替气动门系统。由于城市轨道车辆自动塞拉门系统在机械、电动、 控制和制造工艺等方面具有高技术集成的技术特征，而且城轨车辆自动塞拉门系统 的可靠性、安全性、实用性和维修性要求较铁路车辆自动塞拉门系统的要求高得多， 以前国内地铁、轻轨自动门系统一直被奥地利i f e 、法国f a i v e l e y 等国外门系统公 司所垄断。因此，开发研制适合我国国情的城市轨道车辆塞拉门系统，特别是电动 塞拉1 7 系统，参与国内、国际市场竞争，有利于促进国产自动门产业的技术进步， 保护、促进和发展我国民族工业。 1 3 城市轨道交通发展和门系统市场需求 随着我国改革开放的深化，国民经济的高速、稳定发展，城市化进度日益加快。 为解决我国各大城市目益严重的城市交通拥挤状况，改善城市环境，减少空气污染， 提高人民生活质量，国家建设部已明确指出百万人口以上的大城市，重点发展城市 快速轨道交通( 地铁与轻轨) 系统。根据统计，目前全国百万人口以上的大城市有 3 2 个，所以说：城市快速轨道交通的发展是新世纪里拉动中国经济增长，扩大内 需的重要组成部分，也是全面提高国内工业水平的良机，机不可失，时不再来。 2 硕士论文 城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 1 9 9 9 年2 月国务院下发国办发( 1 9 9 9 ) 2 0 号文件，鼓励各地筹建轨道交通，解 决曰益严重的城市交通拥挤和空气污染问题。明确城市轨道交通是拉动经济增长的 重要项目：对轨道交通项目优先安排国外优惠贷款和国内银行贷款；审批可行性研 究报告，主要审查地铁设备车辆国产化率和筹资方案。 1 9 9 9 年5 月国家计委宏观经济研究所主持召开的中国城市交通发展战略研讨会 上指出：城市客运交通结构要调整和优化，引导促使个体交通的客流向公共交通转 移，地面交通客流向轨道交通转移，是解决我国城市交通问题的根本出路。 目前国g l u t ；京、上海、广州、深圳、南京、武汉、重庆、长春、大连、青岛、 西安、合肥、成都、宁波、杭州、天津、沈阳、哈尔滨、兰州、佛山、长沙、福州、 厦门、乌鲁木齐、昆明、济南、扬州、无锡、鞍山、石家庄等3 0 个城市正积极修建 和筹建地铁和轻轨。全国已规划的城市轨道交通线路多达九十多条，总里程约 2 2 0 0 k m ，其中，约5 2 0 k m 已做了可行性研究。现在我国正在建设或已投入运营的 新建城市轨道交通路线包括：北京地铁复八线，上海地铁一号线、二号线、三号线， 上海莘闵线，广州一号线、二号线，深圳地铁一期，南京地铁南北线等，即将开工 和正在规划的城市轨道交通项目更多，总路线长度达4 3 0 多公里，建设投资估计约 1 , 4 0 0 亿人民币1 1 。 在轨道交通的基本建设投资中( 以地铁为例) ，一般分为土建和车辆、机电设备 两大块，土建约占总投资的5 5 ，车辆、机电设备占总投资约4 5 。其中车辆的投 资约占设备投资的5 0 ，约占总投资的2 0 。 根据有关部门统计，我国正在建设、将要建设的地铁和轻轨项目初期车辆需求 量见表】1 。 表1 1我国正在建设、将要建设的地铁和轻轨项目初期车辆需求量。“ 项目名称初期车辆数项目名称初期车辆数 上海地铁3 号线( 一期) 1 6 8上海地铁3 号线( 二期)1 6 8 广州地铁2 号线 1 5 6广州地铁2 号线1 5 6 广g i 、i 地铁3 号线2 0 0深圳地铁1 号线 1 1 4 北京地铁八通线9 6北京地铁1 3 号线 1 5 8 北京地铁4 号线1 5 6北京地铁5 号线 1 5 6 南京地铁1 号线( 南北线) 1 2 0武汉地铁1 号线4 8 长春轻轨1 号线2 0重庆轻轨1 号线8 8 大连轻轨1 号线 4 8上海莘阂线( 一期)1 5 2 上海洋浦轻轨线1 5 6上海莘闵线( 二期)1 4 8 3 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 项目名称初期车辆数项目名称初期车辆数 天津地铁1 号线延伸 1 5 0天津滨海轻轨线9 6 初期车辆需求量综计： 2 2 5 4 以上只是地铁、轻轨线路运行所需要的初期车辆数目，到运营的近期( + 1 0 年) 、 远期( + 2 5 年) 对车辆的需求还要加大。 国家计委对城市轨道车辆国产化十分重视，要求其国产化率达到7 0 ，也就 是其国产化部分占整车造价要达7 成比例，因此说研制开发新型城市轨道交通车辆 具有十分广阔的市场前景及可观的经济效益。 城市轨道车辆自动门系统。是车辆上的一种重要装备，每节车厢要用1 0 套。据 有关资料统计2 0 0 3 年全国城轨车辆需求量约1 0 0 0 辆左右，按每辆车1 0 套自动门系 统，每套门系统2 8 万元计算，仅此一项产值就达2 8 亿元：到2 0 1 0 年，全国主要 城市的地铁、轻轨项目就需要5 0 0 0 辆左右的运营车辆，按每辆车1 0 套自动门系统， 每套门系统2 _ 8 万元计算，共需要5 0 0 0 0 套自动门系统，自动门系统的产值可达1 4 亿元。 1 4 本文的选题意义及主要研究内容 1 4 1 本文的选题意义 本论文围绕南京康尼机电新技术公司城市轨道车辆自动门系统国产化项目和武 汉轻轨一号线乘客室电动塞拉门项目。项目的目标是：贯彻国务院办公厅转发国 家计委关于城市轨道交通设备国产化实施意见的通知( 国发办 1 9 9 9 1 2 0 号) 和国 家计委关于印发城市轨道交通设备国产化实施方案的通知( 急计预测1 9 9 9 1 4 2 8 号) 的文件精神，以及“城市轨道交通项目无论采用何种建设资金，其全部轨道车 辆和机电设备的平均国产化率要确保不低于7 0 ”的要求，参照国外先进技术，瞄 准国际先进水平，在高起点、自主创新的目标指导下，融合本公司原有的多项专利 技术，开发研制具有自主知识产权的城市轨道车辆自动( 电动) 塞拉门系统，达到 国内领先、国际先进的水平，替代进口，填补国内空白。本人作为自动门系统国产 化项目和武汉轻轨一号线乘客室电动塞拉门项目的技术主管，有幸参与了这两个项 目的整个实施过程。 1 4 2 本文的主要研究内容 结合上述两个项目的工作要求完成城市轨道车辆自动塞拉门系统的设计和 产品化工作，本论文的主要研究内容如下： 1 自动塞拉门系统在城市轨道车辆上的总体布局及其结构参数研究。 2 塞拉门的门扇、承载导向装置、锁闭装置、密封装置结构形式和在城市轨道 4 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 车辆上的适应性研究。 3 塞拉门的锁闭装置和门扇钢度的优化研究。 4 全数字闭环控制策略的研究。 5 塞拉门试验研究。 5 硕士论文 城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 2 总体方案设计 2 1 总体方案选择的指导思想和原则。 城市轨道车辆自动塞拉门系统总体方案选择选择的指导思想和原则： 1 与时俱进，充分利用现代科技的成果； 2 坚持自主知识产权，突破国外门系统制造商的技术垄断，形成自己的特色， 掌握门系统的核心和关键技术。 3 高起点、高可靠性，瞄准国际先进水平，同时考虑我国城轨车辆的使用国情。 在深入学习、分析、研究有关资料和广泛的国内外考察基础上，我们确定了总 体方案。城市轨道车辆自动塞拉门系统由门扇、机构和控制系统组成；门扇包括门 板、玻璃、胶条和其它零件等：机构包括驱动、传动、承载、导向、锁闭、操作等； 控制系统包括电子门控器( e d c u ) 、执行器件、检测器件等”“1 。 门系统驱动源、传动装置和控制方式的方案确定具体如下： 2 。2 驱动源 为了解决气动门系统可靠性、实用性、舒适性和环境适用性差和使用有刷直流 电机的电动门系统可靠性和使用寿命不高的问题，并充分利用现代科技成果，我们 门系统的驱动源采用电动，使用无刷直流电机( b l d c m ) 。 门系统的驱动源采用电动，而不采用气动，原因有三点“： 1 电动门系统的可靠性、实用t 眭和环境适用性较气动门系统高； 2 电动门系统的机构空间尺寸较小，有利于节约城市轨道车辆的空间； 3 电动门系统运动时的噪音较气动门系统小，有利于提高车辆的舒适性。 电机的类型选择了无刷直流电机( b l d c m ) ，而不是有刷直流电机，原因有两 占 1 3 1 无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠，维护方便等一系列优 点，又具备有刷直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点； 2 随着电子技术的飞速发展，已经为无刷直流电机的应用奠定了坚实的基础。 2 3 传动装置 为了克服许多现有城轨自动门系统传动装置存在的环境适应性差，可靠性不高， 车辆运行时门系统的维护工作量大等缺点，门系统的传动装置采用丝杆螺母副，使 用滑动式丝杆螺母副。滑动式丝杆螺母副传动具有一系列滚动式丝杆螺母副传动和 6 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 齿形带传动无法比拟的优点( 见表2 1 ) 。 表21滑动式丝杆螺母副传动、滚动式丝杆螺母副传动和齿形带传动的比较5 项目滑动式丝杆螺母副滚动式丝杆螺母副齿形带 使用寿命长( 取决于维易磨损，易断裂，使用 使用寿命使用寿命长 护保养的情况)寿命短 无须润滑油，丝杆上仅 润滑需经常加油润滑无须润滑 需有微量脂膜，无积脂 齿形带容易拉长，必须 调节无须调节无须调节 定期调节 环境 表面极少有吸附灰尘 表面有吸附大量灰尘 的油或脂，适应车辆运 的油脂，需要经常清 表面无吸附灰尘的油 适应性洁，不适应车辆运行的 或脂，适应车辆运行的 行的环境条件环境条件 环境条件 外形尺寸结构紧凑，外形尺寸小结构紧凑，外形尺寸小附加装置较多，体积大 抗挤压齿形带抗拉强度较差， 能力 强度高，抗挤压能力大强度高，抗挤压能力大 抗挤压能力小 对障碍的传动刚性好，对障碍的传动刚性好，对障碍的齿形带是柔性的，对障 反应性反应快反应快碍的反应慢 阻力 稳定易变化稳定 稳定性 2 4 控制方案 现有城轨自动门系统的控制系统由于开发较早，基本都是模拟系统，已经远落 后于现代微电子技术的发展水平。在高起点、高可靠性的思想指导下，我们的控制 方案选择基于数字信号处理器( d s p ) 的全数字化p w m 控制。 d s p 作为p w m 系统中的一个环节，同时选择适合于微处理器控制的各种伺服 元件和接口电路，组成一个数字伺服系统。应用软件程序，实现数字比较、数字调 节运算( 数字滤波) ，数字脉宽调制，以及一些控制回路所需的附加功能“。 p w m 系统的数字化控制具有一系列模拟系统无法比拟的优点( 见表2 2 ) 。 表2 2 模拟控制和数字控制的比较。 项目 模拟控制数字控制 对电流变化的稳定性 优越 对温度变化的稳定性 优越 7 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 对时效变化的稳定性优越 控制的连续性优越 精度优越 处理速度优越 容易集成化优越 价格优越 容易制造 优越 通用性 优越 容易实现优越 由比较结果可知，除控制的连续性和处理速度两项外，在其它方面，数字控制 都比模拟控制优越。随着微电子技术的发展，上述两点不足之处正在得到克服。特 别是适合于函数发生、快速傅里叶变换( f f t ) 、数字滤波、相关检测以及伺服控制 的d s p 的出现，使全数字化的p w m 伺服系统成为可能“。 综上，城市轨道车辆自动门系统总体方案原理图如图2 ，i 所示，塞拉门系统总 体方案图见图2 2 。 图2 1总体方案原理图 8 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 笔 ” 9 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 总体方案组成如表2 3 所示。 表2 3 总体方案组成 驱动传动装置无刷直流电机驱动滑动式丝杆螺母副 承载导向装置x 、y 两维承载运动副 机构 锁闭装置 ( 1 6 ) 操作装置内、外操作装置( 1 2 、0 6 ) 城 其它零部件垫片、紧固件等 市 轨 铝合金复合结构，由一个由铝型材焊接而 道 门板成的框架，内、外侧铝合金蒙板和中间填 生 充的铝蜂窝组成。 辆 自 门扇 玻璃双层中空玻璃 动 ( 0 5 ) 门 密封胶条材料使用三元乙丙( e p d m ) 橡胶 系 统 其它零部件 开关组件( 1 4 ) 、摆臂组件( 0 8 、1 0 ) 、 垫片和紧固件等 基于数字信号处理器( d s p ) 的全数字化 电子门控器( e d c u ) p w m 控制 控制部件 ( 在机构中) 执行器件 检测器件 连接架组件( 0 1 ) 、上密封压条( 1 7 ) 、门槛( 0 9 ) 、侧密封 附属零部件 压条( 0 4 、1 5 ) 、垫片和紧固件等 1 0 硕士论文 城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 3机械部分 3 1 机械系统的总体方案 3 1 1概述 城市轨道车辆自动塞拉门系统机械部分由门扇和机构组成：门扇包括门板、玻 璃、胶条和其它零件等；机构包括驱动传动装置、承载导向装置、锁闭装置、操作 装置等。 3 ，1 ，2塞拉门机械系统总体方案的具体组成如表3 1 1 所示。 表3 1 1塞拉门机械系统总体方案的具体组成 无刷直流电机驱动滑动式丝杆螺母副，螺母座设计有 驱动传动装置 自适应装置。 x 、y 两维承载运动副，包括底架、携门架、支架、 承载导向装置挂架、长导柱、短导柱和安装支架等零部件。导向装 置由上导轨、下导轨和下滚轮导向部件组成 机构 具有自主知识产权的新颖主锁锁闭装置，自身结构实 塞锁闭装置现门系统的锁闭，无须任何附加的动力源和控制装置， 拉直接连接在电机轴和丝杆之间。 门 操作装置包括内、外操作装置。 机 械 其它零部件包括安装支架、压轮组件、门到位开关组件等。 部 门板 铝合金复合结构，由一个由铝型材焊接而成的框架， 分 内、外侧铝合金蒙板和中间填充的铝蜂窝组成。 高性能双层中空镀膜玻璃，4 m m 外片钢化玻璃+ 9 m m 玻璃中空+ 5 m m 内片钢化l o w e 玻璃结构，中间的腔体 门扇 内填充氩气。 材料使用三元乙丙( e p d m ) 橡胶，满足标准n ff 1 6 1 0 1 密封胶条 ( 类别a 1 ) 要求或标准t b t 2 4 0 2 要求。 其它零部件包括隔离锁、挡销、压轮槽等。 3 1 3塞拉门机械系统的运动说明如下。： 整个门系统的运动由电机驱动。电机通过锁闭装置与丝杆螺母副连接；丝杆上 的螺母通过铰链与携门架相连。为了提供门扇的摆动和平移运动，门扇与携门架相 连：同时，携门架在纵向长导柱上滑动。长导柱连接在3 个挂架上，每端各一个， 中间再放一个。这3 个挂架在短导柱上运动，同时短导柱安装在承载支架上。携门 架和挂架内安装有直线轴承，以确保机构运动平稳。 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 门扇在摆动和平移运动过程中的控制，由导向滚轮和上下导轨组成的系统完成。 门扇从完全关闭状态开始运动，电机带动丝杆螺母副，引起携门架、长导柱、 挂架、下滚轮导向部件中的转臂动作，并最终使得门扇在导向系统的引导下向外做 摆出运动。 在达到完全摆出状态后，导向系统控制门扇的直线平移，使门扇平行于车辆侧 面运动。在平移过程中，携门架使门扇沿着长导柱自由滑动，直到门扇达到完全打 开状态。 1 2 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 3 , 2 机构设计 3 2 1概述 城市轨道车辆自动塞拉门的机构是在康尼公司已有的干线铁路门系统成熟的技 术基础上，消化、吸收国外先进门系统的技术，同时通过自我创新发展而来的。整 个机构包括驱动传动装置、承载导向装置、锁闭装置、操作装置等。图3 2 ，1 为自动 塞拉门机构的结构示图，图3 2 2 为塞拉门机构零部件爆炸图。 e d c u 图3 2 1塞拉门机构结构示图 1 3 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 图3 2 2 塞拉门机构零部件爆炸图 1 4 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 表3 2 1 塞拉门机构零部件爆炸图主要零件列表 位置号部件号说明件t - j备注 lm sl3 0 d w 一2 3 2 0 0 0 “r 平衡轮组件 2 4m s l 3 0 d w 一2 3 3 0 0 0 门到位开关组件 1 7m s l 3 0 d w 一2 3 0 3 0 l 底架 1 8m s l 3 0 d w 一2 3 0 5 0 1 u r 上滑道 2 2 0m s l 3 0 d 、 l 2 3 1 6 0 1 固定支座 l 2 2m s l 3 0 d w 2 3 0 3 0 6 短导柱 3 2 3m s l 3 0 d w 一2 3 0 3 0 2 大支架 3 2 4m s l 3 0 d 1 2 3 1 0 0 1l r 螺母组件 2 2 5m s13 0 d w 一2 3 0 3 0 9 坦克链大支架 2 2 6m s l 3 0 d w - 2 3 1 3 0 1 丝杆 l 3 0m s l 3 0 d w 一2 3 1 3 0 2 丝杆支架 1 3 1m y l 4 0 d p i 2 3 1 7 0 2 中间支撑 l 3 6m s l 3 0 d w 2 3 0 3 0 3 中挂架 1 3 7m s l 3 0 d w 一2 3 1 6 0 2 轴承支座 1 3 8m s l 3 0 d w 一2 3 0 6 0 1 l 电机支座 1 3 9m sl3 0 d w 一2 3 5 0 0 0 锁闭装置 l 4 0 m s l 3 0 d 、m 2 3 0 6 0 2 门控器安装板 1 4 1 电机 1 4 2m k 6 0 0 3 9 2 0 0 0 e d c u 1 4 7m sl3 0 d 、 ，_ 2 3 2 0 0 0 l r 携门架组件 2 4 8m s1 3 0 d w 2 3 0 3 0 5 长导柱 l 5 0m s 13 0 d w 二2 3 0 3 0 4 边挂架 2 5 2t k 3 0 u u 直线轴承 3 5 3m sl3 0 d 、矶2 3 0 3 0 8 传动架 2 6 3m s l 3 0 d w 一2 3 1 6 0 2 支撑支座 1 硕士论文 3 ，2 2塞拉门机构的承载导向装置 塞拉门机构承载装置包括底架、 们构成x 、y 两维承载运动副。 城市轨道车辆自动塞拉门系统研声 携门架、支架、挂架、长导柱和短导柱等，它 底架是承载装置中的重要零件，直接关系到机构的安装是否方便，门系统的重 量是否超重，及机构中其它零部件的形状和布局。在设计过程中，我们对不同的方 案进行研究、分析，最终在钢制焊接结构、铝制框架结构和钢板折弯结构等结构形 式中选定钢板折弯结构。钢板折弯的底架具有很高的开放性，便于整个机构的布局、 安装、调试和日后维修；同时，其自身重量较轻，有利于门系统重量的控制。另外， 钢板折弯的底架可以根据具体的车体接口要求进行更改，有利于机构中其它零部件 的通用。 为了使门系统具有更高的安装适应性，研制中，我们在携门架组件中增添可调 节装置。详见图3 2 3 塞拉门携门架组件零部爆炸示意图。 2 1 图3 2 3 塞拉门携门架组件零部爆炸示意图 对照图3 2 3 ，携门架组件主要由携门架( 2 1 ) 和滑简( 0 4 ) 组成。对于携门架 和滑筒连接，设计有转套( 0 5 ) 和偏心轴( 0 9 ) 组合成的调节装置；通过旋转偏心 轴，可改变门扇与车体外侧面的角度，调节门扇与车体外侧面之间的平行度，使门 1 6 硕士论文 城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 系统具有更高的安装适应性“。 为控制塞拉门门扇的摆动和平移运动，需要一个导向系统。该导向系统由上导 轨、下导轨和下滚轮导向部件组成。由于城市轨道车辆的特点，门系统的下导轨一 般无法安装在车体上，所以，我们将下导轨固定在门扇内表面的下部，同时增加安 装在车体上的下滚轮导向装置与之配合。 3 2 3驱动、传动装置 3 2 3 1 概述 自动( 电动) 塞拉门的驱动、传动装置为电机驱动滑动式丝杆螺母副。 3 2 3 2 驱动装置无刷直流电机 无刷直流电机的型号选择遵循以下要求“： 1 无过热危险： 2 极高的环境适应能力； 3 门系统停止工作时( 如遇到障碍) ，可提供最大的电流； 3 _ 2 - 3 _ 3 传动装置滑动式丝杆螺母副 目前，门系统的传动装置大体分为三种形式绳链传动、齿形带传动和丝杆 螺母副传动。通过调查、分析和研究，并结合门系统技术的发展方向和国际上先进 门系统的使用情况，我们选用丝杆螺母副传动装置。 但是，对于一般的丝杆螺母副，特别是滚珠丝杆螺母副精度高，柔性差，使用 环境要求严格，不适合在轨道车辆上使用。在研制过程中，经过大量咨询、调查和 研究，最终选定滑动摩擦式丝杆螺母副传动装置。同时，我们对这种摩擦式丝杆螺 母副的材料、制造工艺和具体结构进行进一步地完善，使其具有使用寿命长、柔性 好、工作环境要求低和免维护的特点，以满足城市轨道车辆的技术要求。 关节轴承 图3 2 3 1自适应螺母结构示意图 螺母座设计有自适应装置，可消除由于安装和制造的公差而引起的位置变动 1 7 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 并保证在载客以后，车辆挠度的变化不影响门的运动。自适应结构具体形式见图 3 2 3 1 自适应螺母结构示意图。其核心为一个可在一定范围内转动的关节轴承 2 1 o 自适应螺母中关节轴承的使用使得整个螺母的体积较大，而且关节轴承长期使 用后会出现自身间隙不断增大的现象。因此通过渐进的完善和试验，在最终的工程 应用中，我们将关节轴承换成结构和形状简单的弹性元器件，具体结构详见图 3 2 - 3 2 。 图3 2 3 2 实际应用中自适应螺母结构爆炸图 为了提高丝杆螺母副的使用寿命并减少门系统使用过程中丝杆螺母副的维护工 作，我们在分析和试验的基础上，精心选取了丝杆和螺母的材料，并在制造过程中 进行了特殊处理。使得丝杆螺母副经一次( 出厂前) 润滑后，使用两年内免维护。 在专门设计的试验装置上经过1 5 0 万次试验考核，丝杆螺母副的设计和制造能 够满足技术要求 3 2 4锁闭装置 3 2 4 1 概述 锁闭装置常被称为主锁，其设计是整个门系统设计的个难点。主锁装置作为 门系统的重要组成部分，直接关系到整个门系统的可靠性、实用性和安全性。在调 研和分析国外现有门系统主锁装置结构和实际使用情况的基础上，我们先后提出了 三种方案( 二级锁双重锁闭装置、电机反转解锁式锁闭装置和电磁离合器锁闭装置) ： 通过试制和先行性试验，我们发现这三种方案各有优缺点( 见表3 2 4 1 ) 。 1 8 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 表3 2 4 1三种锁闭装置方案优、缺点比较 名称优点缺点 二级锁双重属于传统的主锁形式，容易一般结构复杂，零件多，易出故 锁闭装置被接受，自身锁闭可靠障，而且实际安装、调试困难 目前许多门系统采用的一种一般结构复杂，零件较多，而且 电机反转解锁式主锁形式，无须任何附加的由于解锁使用电机，造成电机浮 锁闭装置动力源和控制装置，自身锁动，不利于电机本身对门系统的 闭可靠驱动 一种较先进的主锁形式，结解锁使用电磁铁，主锁的可靠性 电磁离合器构简单，锁闭可靠，而且在受电磁铁的性能和可靠性影响 锁闭装置关门过程中门系统具有全程极大，而且电磁铁的使用增加了 锁闭能力门系统的能耗 通过大量的调查、研究、分析和比较，我们从主锁的功能和要求出发，经过四轮 研制，最终完成了具有自主知识产权的新颖主锁单向自锁式无源机械锁闭装置。 3 2 4 2 单向自锁式无源机械锁闭装置 先进的车辆自动门系统主锁要求为机械锁闭装置，安全可靠、操作方便；在正 常情况下，主锁可使电机带动门系统的传动装置实现门系统的自动开关，门系统在 关门过程中门系统具有全程锁闭能力，并且保证门系统锁闭可靠；同时，在无电的 情况下，能手动关门，在紧急情况下，能手动开门。 根据自动塞拉门系统对锁闭装置的要求，我们提出了自己的设计。图3 2 4 1 是 本锁闭装置的结构示意图；图3 2 ，4 2 是图3 2 4 t 沿i i 的剖视图；图3 2 4 3 是 本锁闭装置拨杆的结构示意图； 其中：1 是拨盘，2 是凸轮，3 是滚柱，4 是撑块，5 是外套，6 是扭簧，7 是端 齿，8 是拨杆，9 是支座组件，l o 是电机，1 1 是旋转轴，1 2 是拨块，1 3 是钢丝绳。 对照图3 2 ，4 1 和图3 2 ，4 2 ，锁闭装置的工作原理如下“：当电机l o 以一定的 角速度带动拨盘l 逆时针方向转动时，在逆时针方向上拨盘l 的拨块1 2 与凸轮2 槽 侧面之间的间隙b 就逐渐减小，而使滚柱3 ( 两个) 与外套5 的间隙a 逐渐增大， 当拨块1 2 随拨盘l 转过间隙b 时，拨块1 2 便与凸轮2 的槽侧面接触。由于滚柱3 ( 两个) 与外套5 已有足够的间隙，因此拨盘l 可以带动凸轮2 传动，而不受滚轮 的阻碍，从而完成了在逆时针方向电机1 0 对旋转轴1 1 的正传动。当电机1 0 以一定 的角速度带动拨盘1 顺时针方向转动时，在顺时针方向上拨盘1 的拨块1 2 与凸轮2 槽侧面之间的间隙b 就逐渐减小，而使滚柱3 ( 两个) 与外套5 的间隙a 逐渐消除， 随后脱离与拨盘1 上的拨块1 2 的接触，而与外套5 接触，并与拨块1 2 形成一定的 间隙， 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 图3 2 4 1锁闭装置的结构示意图 图3 2 4 2 图3 2 4 1 沿i i 的剖视图 2 0 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 图3 2 4 3 锁闭装置拨杆的结构示意图 当拨块1 2 随拨盘1 转过间隙b 时，拨块1 2 便与凸轮2 的槽侧面接触。由于滚柱3 ( 两个) 与凸轮2 接触的回转半径是趋于减小的，即滚柱3 ( 两个) 受摩擦力作用 被楔紧在凸轮2 和外套5 之间的狭窄处，因此拨盘l 可以带动凸轮2 传动，而不受 滚轮的阻碍，从而完成了在顺时针方向电机1 0 对旋转轴1 1 的正传动。所以电机1 0 可以通过锁闭装置带动旋转轴l l 沿顺时针方向和逆时针方向旋转，从而实现电机 1 0 驱动的开、关门运动。 当旋转轴1 l 上作用了一个反力矩m 1 时，则凸轮2 产生逆时针方向的转动倾向， 凸轮2 便将滚柱3 ( 两个) 向外推出与外套5 接触。由于接触面间产生正压力，且 使滚柱3 ( 两个) 和外套5 产生弹性变形，而阻止滚桂3 ( 两个) 的运动，即由于滚 柱3 ( 两个) 与凸轮2 和外套5 之间的摩擦力的楔紧作用，而使凸轮2 、滚柱3 和外 套5 结合为一体。若外套5 与端齿盘7 通过端齿啮合，由于端齿盘7 被支座组件9 固定住，因此外套5 被固定住，使得凸轮2 停止转动。此时，锁闭装置处于自锁状 态，从而旋转轴1 1 无法带动电机1 0 向逆时针方向转动。当旋转轴1 l 上作用了一个 反力矩m 2 时，则在顺时针方向上凸轮2 的槽侧面与拨盘1 上的拨块1 2 之间的间隙 b 就逐渐减小，而使滚柱3 ( 两个) 与外套5 的间隙a 逐渐增大，当凸轮2 转过间隙 b 时，凸轮2 的槽侧面便与拨盘l 的拨块1 2 接触。由于滚柱3 ( 两个) 与外套5 已 有足够的间隙，因此凸轮2 可以带动拨盘l 传动，而不受滚轮的阻碍，从而完成了 在顺时针方向旋转轴1 1 对电机1 0 的反传动。 对照图3 2 4 2 和图3 2 ，4 - 3 ，拨杆8 与钢丝绳1 3 的一端相连，钢丝绳1 3 的另一 端与紧急解锁装置相连，在紧急情况下，操作紧急解锁装置，钢丝绳1 3 被拉动，使 2 1 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 得拨杆8 向左动作，端齿盘7 也向左移动一定距离，这样原本啮合的端齿盘7 与外 套5 脱离啮合，外套5 不固定，这时手动开门，即在旋转轴1 1 上作用了一个反力矩 m 1 ，凸轮2 产生逆时针方向的转动倾向，因为外套5 不固定，由于摩擦力的楔紧作 用结合为一体的凸轮2 滚柱3 和外套5 可一起在支座组件9 中转动，实现旋转轴1 1 带动电机1 0 转动。 综上，将旋转轴1 1 顺时针方向转动设置为门系统关门，将旋转轴1 l 逆时针方 向转动设置为门系统开门，拨杆8 通过钢丝绳1 3 与紧急解锁装置相连，这样整套锁 闭装置具有如下功能： a ) 在正常状态下具有电机带动门系统的传动装置自动开关门功能： b 1 在无电状态下具有手动关门功能，而且门系统在关门过程中门系统具有全程 锁闭能力： c ) 在紧急情况下，操作紧急解锁装置，可实现手动开门。 整套锁闭装置具有可靠性高、安全性高、维护性好、使用寿命长和寿命周期费 用低的特点。其中： 锁闭装置结构简洁、零件数量少，直接与电机和旋转轴相连，自身结构实现门 系统的锁闭，无须任何附加的动力源和控制装置。 由于锁闭装置受力零件的强度、硬度都很高，载荷是接触应力，承载能力大， 锁闭装置在传递扭矩时，滚柱不参与工作，磨损和发热都很小，因此整个锁闭装置 体积小、重量轻、耐磨性好。 锁闭装置的自锁能力不随其它条件而变化，自锁可靠性高。 3 2 4 3 锁闭装置的楔角公式和自锁条件乜3 “1 3 2 4 3 1 楔角公式 楔角口是个几何概念。它是在滚柱与凸轮、外套三者相互接触后，从几何关系 上确定出来的一个角度。在楔紧状态下，滚柱被夹紧在凸轮圆弧与外套圆弧面之间， 滚柱与凸轮、外套相接触于a 、b 两点( 见图3 2 4 3 1 ) 。通过a 、b 点作滚柱面的 切线，此两切线的夹角，人们称之为楔角口。楔角口是自锁装置的一个很重要的几 何参数，它直接影响到自锁装置的自锁性能。 对于圆弧面凸轮滚柱自锁装置，其楔角口如图3 2 4 - 3 1 所示。图中0 点为滚柱 圆的圆心，r 为滚柱圆半径；u t 点为外套工作圆弧面的中心，蚂为外套工作圆弧面 半径；u z 点为凸轮圆弧面中心， ：为凸轮圆弧面半径。 2 2 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 图3 2 4 3 1 滚柱的受力分析 在0 2 0 0 。中，么0 2 0 0 。= 口，且知凸轮与外套的偏心距e = 瓦瓦，线段 o o ，= r ，一r $ 口0 0 2 = r ：+ r 。根据余弦定理得： e 2 = ( r l 一，) 2 + ( 尺2 + r ) 2 2 ( r 】一，) ( r 2 + r ) c o s o t 则得楔角口余弦的关系式为 ( r l 一，) 2 + ( r 2 + r ) 2 一e 2 2 ( r ，一r ) ( 尺2 + ，) 所以，楔角口公式为 口：c o s - i ! 墨! 二! ! ：i 墨z 生：二! ： 2 ( r i 一，) ( r 2 + ，) 式中： r ，外套工作圆弧面半径 ( 3 1 ) ( 3 1 ，a ) r z 凸轮圆弧工作面半径： r 滚柱圆半径： e 凸轮的偏心距： 由上式可见，滚柱楔角口与自锁装置各构件的几何尺寸量、r ：，和p 都有关。 硕士论文城市轨道车辆自动塞拉门系统研究 3 2 4 3 2 自锁条件 3 2 4 3 2 1 滚柱的受力分析 在楔紧状态下，由于凸轮受到一个楔紧力m ：的作用( 见图3 2 4 3 1 ) ，在接触 点a 、b 处，凸轮对滚柱作用一个正压力