地铁双开塞拉门系统设计

地铁双开塞拉门系统设计摘要随着我国城市轨道交通迅速发展，城市轨道车辆包括地铁、轻轨、电车等的需求量不断提高，运营速度不断加快。城市轨道车辆以快速、大量的安全输送旅客为主要目标，车门是轨道车辆中的重要组成部分，直接影响着车辆的正常运行和旅客的安全和密封。目前，城市轨道车辆中广泛应用了塞拉门结构的车门。国内的动车组多数采用单翼塞拉门，地铁采用双翼塞拉门。国内常用的自动门主要是气动门，如单翼气动塞拉门、双翼气动内藏式对开门，但是电动门作为一种新型的自动门系统，也逐渐被推广使用。过去，轨道车辆自动塞拉门系统综合了机械、电气、控制和制造工艺等方面的高新技术，国内地铁、轻轨自动门系统市场一直由奥地利 IFE、法国Faiveley 等国外公司占据。自行开发研制适合我国国情的城市轨道车辆塞拉门系统，参与国内、国际市场竞争，有利于促进国产自动门产业技术进步，保护、促进和发展我国民族工业。本 文 首 先 详 细 研 究 了 轨 道 车 辆 塞 拉 门 的 传 动 及 塞 拉 门 的 携 门 装 置 的 结 构 ，参 考 了 国 内 外 大 量 文 献 资 料 。 随 后 利 用 机 械 设 计 原 理 及 方 法 ， 对 塞 拉 门 的 结 构进 行 了 设 计 ， 采 用 塞 拉 门 齿 带 双 轴 导 杆 槽 型 凸 轮 组 合 空 间 机 构 。 该 装 置 主 要 利用 步 进 电 动 机 通 过 齿 轮 带 动 同 步 齿 形 带 ， 在 同 步 齿 形 带 上 装 有 上 下 齿 夹 ， 从 而带 动 门 板 运 动 ， 通 过 双 轴 导 杆 槽 型 凸 轮 组 合 空 间 机 构 实 现 门 的 塞 拉 和 直 线 运 动 。最 后 ， 对 所 设 计 的 塞 拉 门 承 载 装 置 进 行 了 分 析 和 计 算 。关 键 词 ： 塞 拉 门 ； 地 铁 ； 双 轴 导 杆 ；地铁双开塞拉门系统设计目录摘要 .I目录 .II摘要 .1第一章 绪论 .21.1 研究背景及意义 .21.2 国内外研究现状 .3第二章 塞拉门结构设计 .52.1 拟定总体结构方案 .52.2 门板和门窗的设计 .82.3 驱动机构的设计 .92.3 承 载装置设计 .11第 三 章 控 制 系 统 设 计 .163.1 PLC 概述 .163.2 分析塞拉门控制要求 .183.3 电气控制原理 .19总 结 .22致 谢 .23参 考 文 献 .24地铁双开塞拉门系统设计第 1 页摘要随 着 国 民 经 济 的 快 速 发 展 ， 城 市 轨 道 交 通 在 各 大 中 城 市 迅 速 发 展 ， 成 为 广 大旅 客 出 行 的 首 选 。 塞 拉 门 系 统 具 有 突 出 的 综 合 优 势 ， 因 此 在 轨 道 车 辆 中 应 用 十分 广 泛 。 随 着 列 车 运 营 速 度 的 不 断 提 高 ， 对 塞 拉 门 系 统 的 设 计 提 出 了 更 高 的 要求 ， 提 高 塞 拉 门 系 统 的 安 全 性 、 密 封 性 、 隔 热 性 能 、 隔 声 性 能 等 均 是 设 计 的 关键 。 目 前 ,国 内 塞 拉 门 的 制 造 、 安 装 、 工 艺 等 方 面 的 技 术 水 平 与 日 本 及 欧 洲 各 发达 国 家 相 比 有 一 定 的 差 距 ,相 关 的 技 术 标 准 、 技 术 规 范 不 够 完 善 ,设 计 水 平 相对 较 低 。 因 此 ,结 合 我 国 的 国 情 ,学 习 国 际 国 外 的 标 准 ,制 定 适 合 我 国 铁 路 制 造行 业 的 相 关 标 准 ;引 进 和 吸 收 国 外 先 进 技 术 ， 提 高 我 国 铁 路 客 车 产 品 的 整 体 设计 和 制 造 水 平 ,是 今 后 工 作 的 方 向 。在 欧 洲 铁 路 各 种 类 型 客 车 上 ,塞 拉 门 已 经 被 广 泛 采 用 。 近 年 来 ,随 着 客 车的 高 速 化 和 现 代 化 ,要 求 车 门 :关 门 时 车 体 外 观 平 滑 美 观 ;能 降 低 车 辆 运 行 时 受到 的 空 气 阻 力 及 其 产 生 的 噪 声 ;要 求 提 高 室 内 隔 声 性 及 气 密 性 ,以 满 足 舒 适 要求 。 为 此 ,塞 拉 门 受 到 人 们 的 高 度 重 视 。本 文 设 计 了 一 种 新 型 的 塞 拉 门 系 统 ， 采 用 了 全 新 的 传 动 方 式 及 携 门 机 构 ，使 其 总 质 量 最 轻 ， 且 能 够 满 足 运 动 承 载 能 力 ， 实 现 塞 拉 门 的 塞 拉 动 作 ， 保 证 门扇 的 密 封 性 ， 安 全 性 。关 键 词 ： 塞 拉 门 ； 设 计 ； 轨 道 车 辆 ；地铁双开塞拉门系统设计第 2 页第一章 绪论1.1 研 究 背 景 及 意 义从课题调查和科技文献来获得轨道车辆塞拉门及承载装置技术基本要求；依据要求确定塞拉门及承载装置设计构架；并提出塞拉门及承载系统的实现手段。城市轨道车辆以快速、大量的安全输送旅客为主要目标，而车门是轨道车辆中的重要组成部分，直接影响着车辆的正常运行和旅客的安全。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，凭借其自身的优势和特点，塞拉门轨道车辆上得到了广泛应用。目前国内的动车组多数采用单翼塞拉门，地铁采用双翼塞拉门。国内常用的自动门主要是气动门，如单翼气动塞拉门、双翼气动内藏式对开门，但是电动门作为一种新型的自动门系统，也逐渐被推广使用。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，以前国内地铁、轻轨自动门系统一直被奥地利 IFE、法国 Faiveley 等国外系统公司所垄断。因此，开发研制适合我国国情的城市轨道车辆塞拉门系统，参与国内、国际市场竞争，有利于促进国产自动门产业技术进步，保护、促进和发展我国民族工业。作为轻轨和地铁车辆重要部件的车门在车辆的运营中扮演着重要的角色，车门形式的设计、开关机构以及它们的加工制造与控制都直接影响着城市轨道车辆的安全运营状况。因此，车门的重要地位也是其他任何部件所不能取代的。近二十年来，国家不断对塞拉门的研究加大投资力度，国内的塞拉门产业取得了突破性的发展，拥有了多项自主知识产权。然而与国际先进水平的塞拉门相比，国内的塞拉门还存在笨重、体积大、噪声大等缺点，在国际市场上缺乏竞争力。随着铁路客车运用时间的延长，既有塞拉门在使用性、检修维护性等方面暴露出了越来越多的问题。企业使用的轨道车辆塞拉门及传动装置存在诸多问题，影响了轨道车辆运行的安全性、轻量化等。本课题采用轻量化及现代制造技术对企业使用的塞拉门传动及携门装置进行研究，设计具有高安全性、可靠性的塞拉门传动及携门装置，达到提高效率，实现安全、轻量之目的，对产品进行改进。地铁双开塞拉门系统设计第 3 页1.2 国 内 外 研 究 现 状自 20 世 纪 90 年 代 中 期 我 国 引 进 塞 拉 门 以 来 ,经 过 几 年 的 消 化 吸 收 ,现 国产 塞 拉 门 已 大 量 应 用 于 铁 路 客 车 上 。 现 有 国 产 塞 拉 门 有 以 下 几 种 :(1)用 于 25T 型 客 车 及 160 km/h 速 度 级 各 动 车 组 上 的 电 控 塞 拉 门 。 此 类 塞拉 门 基 本 为 仿 制 第 1 批 进 口 塞 拉 门 ,结 构 形 式 及 基 本 性 能 与 原 进 口 产 品 近 似 。(2)用 于 200 km/h 动 车 组 的 电 控 塞 拉 门 。 此 类 塞 拉 门 主 要 针 对 200 km/h动 车 组 设 计 ,相 对 上 述 电 控 塞 拉 门 ,其 断 面 形 式 进 行 了 重 新 调 整 ,增 加 了 锁 闭 点 ,脚蹬 踏 板 结 构 根 据 相 应 站 台 高 度 情 况 进 行 了 重 新 设 计 。(3)手 动 塞 拉 门 。 此 类 塞 拉 门 主 要 应 用 于 25G 型 客 车 ,它 在 电 控 塞 拉 门 的 基础 上 取 消 了 电 控 装 置 及 翻 板 脚 踏 装 置 并 加 装 了 锁 闭 定 位 装 置 。(4)充 气 密 封 塞 拉 门 。 此 类 塞 拉 门 是 针 对 270km/h 动 车 组 项 目 研 制 的 ,借鉴 了 法 国 TGV 车 门 密 封 形 式 ,采 用 充 气 密 封 胶 条 密 封 及 门 前 三 点 定 位 、 门 后 三点 锁 闭 的 锁 闭 形 式 ,同 时 在 门 板 的 结 构 形 式 上 做 了 改 进 。 试 验 证 明 ,此 门 在 密封 、 强 度 、 隔 热 、 隔 声 等 性 能 上 都 有 很 大 提 高 ,但 充 气 密 封 胶 条 的 寿 命 仅 为15 年 ,未 装 车 运 用 。目 前 ,我 国 160 km/h 速 度 级 客 车 用 电 控 塞 拉 门 与 国 外 相 应 塞 拉 门 为 同 类 产品 ,经 多 年 装 车 运 用 技 术 已 基 本 成 熟 ,但 在 密 封 性 能 、 电 控 系 统 可 靠 性 等 方 面 还有 待 完 善 。 而 200km/h 及 以 上 速 度 级 客 车 用 塞 拉 门 目 前 尚 无 成 熟 可 靠 的 产 品 。国 外 高 速 车 用 塞 拉 门 按 密 封 形 式 分 为 双 唇 胶 条 密 封 、 充 气 密 封 及 压 紧 密 封 3类 。(1)双 唇 胶 条 密 封 。 以 德 国 ICE 车 用 BODE 公 司 为 代 表 的 塞 拉 门 采 用 双 唇 胶条 密 封 ,即 采 用 双 唇 胶 条 ,保 证 在 车 内 外 有 正 负 压 差 时 均 能 压 紧 胶 条 ,实 现 门 的密 封 ,同 时 ,对 门 体 多 点 锁 闭 定 位 ,以 保 证 门 的 强 度 及 列 车 交 会 时 的 密 封 。 我 国270 km/h 动 车 组 曾 采 用 过 该 种 车 门 。(2)充 气 密 封 。 以 法 国 TGV 车 用 FAIVELY 公 司 为 代 表 的 塞 拉 门 采 用 充 气 密封 ,即 在 门 边 采 用 双 层 胶 条 ,外 层 为 普 通 的 初 级 密 封 条 ,内 层 为 可 充 气 密 封 胶 条 。车 门 关 闭 后 ,向 可 充 气 密 封 胶 条 充 气 ,车 速 超 过 10 km/h 后 ,充 气 压 力 达 到 150 kPa,此 时 胶 条 胀 开 ,实 现 与 门 框 的 压 力 密 封 。 门 体 锁 闭 形 式 为 后 门 框 两 点 锁 闭 。传 动 形 式 为 齿 轮 齿 条 传 动 。(3)压 紧 密 封 。 日 本 新 干 线 采 用 的 NABTESCO 公 司 的 塞 拉 门 均 采 用 压 紧 密 封 ,即地铁双开塞拉门系统设计第 4 页门 周 边 采 用 O 形 胶 条 ,在 门 关 闭 时 ,压 紧 装 置 通 过 压 门 板 使 胶 条 与 门 框 压 紧 ,实现 密 封 ;在 门 关 闭 后 ,压 紧 装 置 保 持 压 力 。 此 种 密 封 形 式 结 构 简 单 ,密 封 补 偿 量大 ,安 全 可 靠 。国 外 客 车 塞 拉 门 已 经 过 数 十 年 的 运 用 考 验 ,技 术 成 熟 可 靠 ,尤 其 是 高 速 车 塞拉 门 ,值 得 我 国 学 习 、 借 鉴 。国 内 劣 势 与 优 势 ： 第 一 ， 国 内 地 铁 塞 拉 门 宽 约 为 1.5m 左 右 ， 而 整 个 塞 拉门 系 统 尺 寸 过 大 ， 甚 至 达 到 2m 以 上 ， 结 构 较 国 外 松 散 ， 空 间 利 用 率 远 远 低 于国 外 塞 拉 门 系 统 。第 二 ， 由 于 尺 寸 过 大 ， 直 接 导 致 国 产 塞 拉 门 的 重 量 过 大 ， 整 体 重 量 一 般 约 为75kg， 无 形 当 中 需 要 更 大 的 电 机 带 动 ， 消 耗 远 远 大 于 国 外 塞 拉 门 系 统 。第 三 ， 国 内 塞 拉 门 的 运 动 噪 声 大 于 国 际 标 准 的 60 分 呗 ， 大 约 为 75 分 贝 。第 四 ， 国 内 塞 拉 门 价 格 相 对 便 宜 ， 适 用 于 发 展 中 国 家 的 现 阶 段 发 展 。国 外 劣 势 与 优 势 ： 第 一 ， 在 保 证 塞 拉 门 宽 为 1.5m 左 右 的 同 时 ， 整 个 塞 拉门 系 统 总 体 尺 寸 保 持 在 1.7m 内 ， 合 理 利 用 空 间 ， 结 构 紧 凑 。第 二 ， 采 用 合 理 的 复 合 材 料 和 精 简 的 零 件 ， 在 提 高 强 度 刚 度 和 可 靠 性 的 同 时 ，重 量 相 对 较 轻 ， 系 统 总 仅 为 48kg 左 右 ， 大 大 减 少 了 驱 动 力 的 要 求 ， 节 约 了 能量 。第 三 ， 门 系 统 运 行 过 程 中 的 噪 音 低 于 国 际 标 准 的 60 分 呗 。第 四 ， 由 于 多 处 零 件 采 用 复 合 材 料 ， 且 对 各 个 零 件 的 精 度 要 求 高 ， 造 价 远 高于 我 国 自 主 生 产 的 塞 拉 门 系 统 ， 从 而 直 接 导 致 在 大 大 提 高 技 术 竞 争 力 的 同 时 ，也 大 大 削 弱 了 价 格 竞 争 力 。地铁双开塞拉门系统设计第 5 页第二章 塞拉门结构设计2.1 拟 定 总 体 结 构 方 案目 前 市 场 上 制 造 塞 拉 门 的 生 产 厂 商 主 要 有 康 尼 ， 博 德 ， 欧 特 美 等 公 司 ，其 主 要 类 型 有 电 动 塞 拉 门 和 气 动 塞 拉 门 系 统 。 气 动 塞 拉 门 系 统 主 要 采 用 无 杆 气缸 作 为 动 力 源 传 动 ， 电 动 塞 拉 门 有 的 采 用 螺 杆 传 动 方 式 ， 有 的 采 用 同 步 带 传 动方 式 。同 步 带 传 动 方 式 是 塞 拉 门 系 统 的 左 、 右 两 扇 门 页 分 别 通 过 齿 带 夹 板 与 齿 带 两侧 相 连 ， 齿 带 两 端 有 齿 带 轮 架 ， 使 得 齿 带 形 成 一 个 闭 环 ； 通 过 驱 动 元 件 的 驱 动 ，使 齿 带 绕 着 齿 带 轮 作 旋 转 运 动 ， 同 时 带 动 两 扇 门 页 做 相 反 方 向 的 运 动 ， 使 两 扇门 页 达 到 同 步 开 闭 。 同 步 带 传 动 可 获 得 恒 定 的 速 比 ,且 速 比 范 围 大 ,一 般 可 达10； 允 许 的 线 速 度 高 ,可 达 50m/s， 其 传 递 功 率 可 从 几 瓦 到 数 百 千 瓦 ,传 动 效率 可 达 0.98（ 三 角 带 传 动 最 高 为 0.95） ,具 有 传 动 准 确 、 运 行 平 稳 、 噪 声 少 、无 滑 差 、 能 耗 较 低 、 承 载 能 力 高 、 寿 命 长 、 传 动 噪 声 低 、 带 齿 受 力 均 匀 合 理 、具 有 最 小 膨 胀 系 数 和 最 大 可 靠 性 等 特 点 ， 同 时 结 构 紧 凑 ,具 有 耐 油 、 耐 潮 、 不需 润 滑 等 优 点 ,可 在 有 污 染 和 环 境 较 为 恶 劣 的 场 合 下 工 作螺 杆 传 动 方 式 将 电 机 的 旋 转 运 动 转 变 为 直 线 运 动 ， 使 塞 拉 门 系 统 的 两 扇 门 页沿 着 螺 母 的 运 动 方 向 做 相 对 或 相 背 的 直 线 运 动 ， 达 到 使 两 扇 门 页 开 闭 的 目 的 。螺 杆 传 动 具 有 传 动 准 确 、 平 衡 ,扭 矩 大 的 特 点 。经 过 综 合 分 析 螺 杆 传 动 和 同 步 带 传 动 的 优 缺 点 ， 本 文 初 步 拟 定 选 用 同 步 带 传动 的 结 构 方 案 。 塞 拉 门 系 统 的 机 械 结 构 由 基 础 部 件 、 承 载 驱 动 机 构 、 操 纵 装 置 、驱 动 系 统 和 门 控 系 统 等 几 个 部 分 组 成 。 驱 动 系 统 采 用 同 步 带 传 动 的 结 构 方 案 。塞 拉 门 在 正 常 使 用 过 程 中 ， 其 车 门 的 开 关 由 车 上 的 开 关 按 钮 控 制 ， 同 时需 要 设 置 紧 急 开 关 ， 以 便 处 理 某 些 紧 急 情 况 ， 紧 急 开 关 在 车 辆 行 驶 中 不 起 作 用 。车 门 的 锁 闭 门 的 锁 闭 依 靠 步 进 电 机 自 身 的 保 持 转 矩 实 现 ， 由 于 步 进 电 机 具有 保 持 功 能 ， 当 车 门 关 闭 后 ， 只 要 步 进 电 机 的 保 持 转 矩 足 够 大 ， 人 员 无 法 手 动使 车 门 打 开 。 其 机 械 机 构 部 分 包 括 :锁 钩 、 闭 锁 凸 轮 等 零 部 件 。 当 需 要 解 锁 时 ，地铁双开塞拉门系统设计第 6 页则 只 需 要 按 下 手 动 解 锁 按 钮 ， 步 进 电 机 反 转 使 车 门 打 开 。 同 时 ， 在 车 门 上 安装 手 动 钥 匙 锁 ， 乘 务 员 用 钥 匙 从 门 内 或 门 外 均 可 将 门 锁 住 。 门 锁 住 后 再 不 受 其它 控 制 信 号 控 制 ， 处 于 关 闭 状 态 ， 直 到 乘 务 员 用 钥 匙 将 其 打 开 。自 动 关 门 功 能 当 列 车 速 度 低 于 设 定 速 度 时 ， 车 门 的 开 门 信 号 才 有 效 ;当 速度 超 过 设 定 时 ， 将 自 动 关 闭 所 有 未 关 的 车 门 。 密 封 及 防 挤 压 装 置 车 门 上 安 装 的密 封 件 抗 压 强 度 应 保 证 空 气 动 力 学 作 用 下 的 密 封 效 果 ;防 挤 压 装 置 在 低 于 设 定速 度 时 的 车 门 关 闭 过 程 中 具 有 防 挤 压 功 能 。保 险 锁 采 用 行 程 开 关 ， 当 关 闭 此 门 开 关 时 ， 门 保 持 关 门 状 态 ， 控 制 信 号 被 隔离 ， 所 有 手 动 ， 自 动 ， 紧 急 解 锁 集 中 控 制 功 能 失 效 ， 状 态 指 示 灯 灭 。 系 统 处 于开 门 状 态 时 ， 压 下 保 险 锁 开 关 时 间 大 于 0.5 秒 ， 门 扇 执 行 关 门 动 作 ， 系 统 切 换为 关 门 状 态 ； 压 下 保 险 锁 开 关 时 间 小 于 0.5 秒 ， 门 扇 不 动 作 。 如 图 1.2 所 示 。图 1.2 保 险 锁 结 构 示 意 图4 紧 急 解 锁 装 置 （ 车 内 手 动 锁 ） ：除 非 保 险 锁 被 锁 闭 ， 其 他 任 何 情 况 下 紧 急 解 锁 装 置 都 能 手 动 解 锁 ， 解 锁 后 开 、关 电 磁 阀 断 电 ， 蜂 鸣 器 长 音 报 警 。5.门 锁 （ 二 级 锁 ） ：门 锁 采 用 气 动 锁 闭 /气 动 解 锁 装 置 和 手 动 解 锁 装 置 ， 门 锁 可 在 任 何 情 况 下 解锁 ， 安 全 可 靠 。 在 有 电 有 气 的 情 况 下 ， 开 锁 气 缸 动 作 实 现 门 锁 解 锁 。 在 有 电 有气 的 情 况 下 ， 闭 锁 气 缸 动 作 实 现 门 锁 二 级 锁 闭 。 无 气 源 时 ， 手 动 关 门 ， 应 使 锁叉 处 在 二 级 啮 合 位 置 ， 通 过 操 作 紧 急 解 锁 装 置 （ 手 动 锁 ） 、 外 操 作 装 置 （ 手 动 、电 控 双 功 能 锁 ） 都 应 能 把 门 打 开 。地铁双开塞拉门系统设计第 7 页6.防 挤 压 压 力 开 关 ：防 挤 压 压 力 开 关 采 用 压 力 检 测 开 关 ， 检 测 开 关 时 无 杆 气 缸 关 门 端 的 压 力 。 关门 时 ， 工 作 压 力 大 于 设 定 值 时 ， 压 力 开 关 输 出 防 挤 压 信 号 。 当 车 速 5km/h 时 ，正 常 关 门 过 程 中 ， 若 车 门 遇 有 100-150N 的 阻 力 时 ， 门 能 自 动 打 开 ， 延 时 10秒 后 ， 门 重 新 自 动 关 闭 ； 当 车 速 5km/h 时 ， 关 门 遇 到 障 碍 ， 门 停 在 原 处 ， 5秒 后 门 继 续 关 闭 。7.防 挤 压 压 力 波 开 关 ：压 力 波 开 关 所 起 的 作 用 与 压 力 开 关 的 作 用 一 样 ， 它 检 测 门 板 胶 条 气 囊 内 压 力 。关 门 时 如 遇 障 碍 物 ， 门 板 胶 条 受 到 挤 压 ， 气 囊 内 产 生 一 突 变 压 力 ， 使 压 力 波 开关 动 作 ， 输 出 防 挤 压 信 号 。8.98%位 置 开 关 ：98%位 置 开 关 安 装 在 无 杆 气 缸 上 ， 当 门 关 闭 到 全 行 程 的 98%的 位 置 是 ， 98%开关 发 出 信 号 ， 此 信 号 用 来 屏 蔽 防 挤 压 信 号 。 因 此 在 门 关 闭 到 98%开 关 位 置 以 后 ，没 有 防 挤 压 功 能 。 如 图 1.3 所 示 。图 1.3 位 置 开 关 示 意 图9.“关 门 到 位 ”开 关 ：“关 门 到 位 ”开 关 采 用 行 程 开 关 ， 常 开 常 闭 触 点 。 “关 门 到 位 ”开 关 安装 在 门 锁 锁 体 上 部 塑 料 防 护 罩 内 ， 调 整 时 取 下 塑 料 防 护 罩 ， 关 上 车 门 ， 使 开 关处 于 完 全 松 开 状 态 ， 打 开 车 门 使 开 关 的 常 开 触 点 可 靠 接 触 。10.脚 蹬 位 置 开 关 ：采 用 微 动 开 关 ， 用 于 检 测 脚 蹬 位 置 。 压 下 此 开 关 ， 脚 蹬 位 置 指 示 灯 熄 灭 ， 表示 脚 蹬 已 收 起 。 调 整 此 开 关 时 ， 应 注 意 脚 蹬 翻 版 收 起 时 ， 微 动 开 关 应 可 靠 压 下 ；地铁双开塞拉门系统设计第 8 页脚 蹬 翻 版 落 下 ， 微 动 开 关 应 处 于 自 然 状 态 。第 一 ， 由 于 高 速 列 车 所 承 受 的 工 况 远 比 普 通 低 速 列 车 恶 劣 ， 车 门 在 满 足 乘 客上 下 通 道 这 一 基 本 功 能 外 ， 还 应 该 尽 量 提 高 车 辆 的 密 封 性 能 。 因 此 仅 从 结 构 方面 考 虑 就 要 求 车 门 结 构 满 足 以 下 要 求 ：1.可 靠 ， 使 用 寿 命 长 。 机 构 的 使 用 寿 命 一 般 应 能 满 足 正 常 启 、 闭 150000次 的 要 求 ， 密 封 胶 条 应 能 满 足 2 年 内 启 、 闭 20000 次 的 正 常 运 行 要 求 。2.密 封 性 能 好 。 在 正 负 压 力 下 均 能 保 持 良 好 的 密 封 效 果 ， 泄 漏 时 间 大 于 设定 空 间 。第 二 ， 针 对 列 车 可 靠 性 和 实 用 性 要 求 ， 响 应 国 家 低 碳 经 济 的 要 求 ， 列 车 的 传动 系 统 设 计 要 求 ：1.针 对 列 车 的 能 耗 需 要 ， 要 求 整 个 门 系 统 的 重 量 尽 可 能 轻 ， 占 有 空 间 小 。2.列 车 传 动 系 统 的 噪 音 分 贝 需 要 降 低 。2.2 门 板 和 门 窗 的 设 计门 板 和 门 窗 是 塞 拉 门 系 统 的 主 体 ， 为 了 减 轻 门 板 和 门 窗 的 重 量 ， 本 文 采 用铝 合 金 框 架 复 合 结 构 ， 同 时 考 虑 门 板 和 门 窗 的 观 察 视 觉 效 果 以 及 其 结 构 强 度 ，门 板 与 门 窗 的 中 间 镶 嵌 钢 化 玻 璃 。 铝 合 金 框 架 材 料 具 有 抗 振 、 重 量 轻 、 噪 音 小等 特 点 。图 2.2 门 板 结 构 示 意 图如 图 2.2 所 示 意 ， 钢 化 玻 璃 通 过 胶 粘 于 门 板 上 ， 四 边 铝 合 金 压 条 进 行 密 封地铁双开塞拉门系统设计第 9 页和 压 紧 稳 固 。 钢 化 玻 璃 的 规 格 目 前 市 场 上 已 经 标 准 化 ， 本 文 选 用 厚 度 为 10mm的 钢 化 玻 璃 。图 3.6 门 窗 设 计门 板 是 承 受 列 车 外 部 载 荷 的 主 要 受 力 部 件 ， 同 时 在 塞 拉 门 系 统 频 繁 开 闭 的过 程 中 ， 门 板 是 运 动 主 体 ， 一 方 面 要 保 证 门 板 的 结 构 强 度 ， 另 一 方 面 要 保 证 运动 灵 活 。 本 文 中 所 设 计 的 塞 拉 门 门 板 外 形 尺 寸 初 步 定 为2100mm*700mm*32mm。2.3 驱 动 机 构 的 设 计塞 拉 门 系 统 的 同 步 带 传 动 机 构 形 式 示 意 图 如 图 2.1 所 示 ：图 2.1 同 步 带 传 动 结 构 图地铁双开塞拉门系统设计第 10 页图 中 1、 主 动 齿 轮 2、 齿 形 带 3、 左 门 扇 连 板 4、 十 字 槽 螺 钉 5、 左 被 动齿 6、 齿 夹 7、 从 动 轮 8、 右 被 动 齿 9、 齿 夹 。根 据 设 计 要 求 ， 在 满 足 承 载 能 力 的 同 时 ， 要 保 持 良 好 的 同 步 性 。 步 进 电机 是 一 种 能 将 数 字 输 入 脉 冲 转 换 成 旋 转 或 直 线 增 量 运 动 的 电 磁 执 行 元 件 。 每 输入 一 个 脉 冲 电 机 转 轴 步 进 一 个 步 距 角 增 量 。 电 机 总 的 回 转 角 与 输 入 脉 冲 数 成 正比 例 ， 相 应 的 转 速 取 决 于 输 入 脉 冲 频 率 。 步 进 电 机 通 常 被 用 作 定 位 控 制 和 定 速 控 制 ， 具 有 转 动 惯 量 低 、 定 位 精 度 高 、无 累 积 误 差 、 控 制 简 单 、 能 耗 少 、 噪 声 低 、 振 动 小 、 重 量 轻 、 体 积 小 、 性 能 优良 ， 运 行 可 靠 ， 维 护 方 便 等 优 点 。 本 次 设 计 选 用 步 进 电 机 作 为 动 力 源 。选 择 步 进 电 机 时 ， 首 先 要 保 证 步 进 电 机 的 输 出 功 率 大 于 负 载 所 需 的 功 率 。 而在 选 用 功 率 步 进 电 机 时 ， 首 先 要 计 算 机 械 系 统 的 负 载 转 矩 ， 电 机 的 矩 频 特 性 能满 足 机 械 负 载 并 有 一 定 的 余 量 保 证 其 运 行 可 靠 。 在 实 际 工 作 过 程 中 ， 各 种 频 率下 的 负 载 力 矩 必 须 在 矩 频 特 性 曲 线 的 范 围 内 。 一 般 地 说 最 大 静 力 矩 Mjmax 大的 电 机 ， 负 载 力 矩 大 。 选 择 步 进 电 机 时 ， 应 使 步 距 角 和 机 械 系 统 匹 配 ， 这 样 可 以 得 到 机 床 所 需 的 脉冲 当 量 。 在 机 械 传 动 过 程 中 为 了 使 得 有 更 小 的 脉 冲 当 量 ， 一 是 可 以 改 变 丝 杆 的导 程 ， 二 是 可 以 通 过 步 进 电 机 的 细 分 驱 动 来 完 成 。 但 细 分 只 能 改 变 其 分 辨 率 ，不 改 变 其 精 度 。 精 度 是 由 电 机 的 固 有 特 性 所 决 定 。选 择 功 率 步 进 电 机 时 ， 应 当 估 算 机 械 负 载 的 负 载 惯 量 和 机 床 要 求 的 启 动 频 率 ，使 之 与 步 进 电 机 的 惯 性 频 率 特 性 相 匹 配 还 有 一 定 的 余 量 ， 使 之 最 高 速 连 续 工 作频 率 能 满 足 机 床 快 速 移 动 的 需 要 。根据以上对塞拉门门体的设计分析，门体的外形尺寸为2100mm*700mm*32mm， 初 步 估 计 两 扇 门 的 总 质 量 为 ： ， 其 余 零 部 件 的1m=80kg质 量 约 为 ， 初 步 拟 定 塞 拉 门 开 闭 时 的 移 动 速 度 为 ， 取 得 同=5kg v.72/s步 带 轮 半 径 约 为 ， 为 安 全 起 见 ， 假 定 塞 拉 门 门 体 开 闭 时 的 所 有 负 载 都R加 在 电 机 轴 上 。 总 的 载 荷 为 ：807510GN由于塞拉门是水平相对和相背移动，其传动比为 ， 则 折 算 到 电 机 轴 上 的 转i=1动 惯 量 为 ：地铁双开塞拉门系统设计第 11 页22521=574.10JmRkgm根据塞 拉 门 开 闭 时 的 移 动 速 度 为 ， 则 电 机 的 转 速 为 ：v=.7/s60.83/in2vnr取 步 进 电 机 从 零 启 动 加 速 到 183r/min 钟 所 需 时 间 为 0.3s,则 折 算 到 电 机轴 上 的 转 矩 为 ： 522.1484.07.566aMJJ Nmtt一般情况下所选电机的转矩为所算转矩的 2 到 3 倍，这里取 2 倍N3.145.7电 机步 进 电 机 的 步 距 角 决 定 了 步 进 电 机 负 载 的 运 动 定 位 精 度 ,目 前 市 场 上 步 进电 机 的 步 距 角 一 般 有 五 相 电 机 (0.36 度 /0.72 度 )、 二 、 四 相 电 机 (0.9 度 /1.8度 )、 三 相 电 机 0.6 度 /1.2 度 等 。对 塞 拉 门 系 统 的 步 进 电 机 的 步 距 角 不 宜 过 大 或 过 小 ,过 大 则 传 动 不 平 稳 ，过 小 则 传 动 过 慢 ， 本 设 计 选 用 步 进 角 为 0.6 度 /1.2 度 的 三 相 混 合 式 步 进 电 机 ，型 号 110BYG350DH-0501 型，其最大静转矩 16Nm，惯量 17.4kgcm2，电压220V，重 11.1kg。2.4 承 载 装 置 设 计塞 拉 门 的 承 载 装 置 承 载 了 塞 拉 门 整 体 约 80%以 上 的 重 量 ,为 保 持 塞 拉 门 系统 运 行 稳 定 ,承 载 轴 承 的 强 度 尤 为 重 要 .本 次 设 计 选 用 塞 拉 门 齿 带 双 轴 导 杆 槽 型凸 轮 组 合 空 间 机 构 。该 机 构 其 特 征 在 于 包 括 门 架 、 电 机 、 主 动 轮 、 齿 带 、 辅 助 承 载 轴 、 带 夹 紧装 置 、 轴 承 座 、 从 动 轮 、 辅 轴 套 、 联 杆 A、 主 轴 套 、 主 承 载 轴 、 联 杆 B、 联 杆C、 导 杆 套 、 滚 轮 、 导 向 槽 、 携 门 导 杆 、 槽 型 凸 轮 和 门 页 ， 其 中 主 动 轮 、 齿 带 、下 带 夹 、 张 紧 装 置 、 轴 承 座 、 从 动 轮 组 成 齿 带 传 动 机 构 ； 联 杆 A、 主 轴 套 、 联杆 B、 联 杆 C、 导 杆 套 固 结 为 一 体 ， 与 主 承 载 轴 、 辅 轴 、 门 架 等 组 成 双 轴 导 杆 机构 ； 主 轴 套 、 主 轴 、 联 杆 C 又 与 滚 轮 、 导 向 槽 、 携 门 导 杆 、 槽 型 凸 轮 、 门 页 及门 架 组 成 双 轴 导 杆 机 构 ， 所 述 齿 带 传 动 机 构 、 双 轴 导 杆 机 构 和 槽 型 凸 轮 机 构 相互 连 接 构 成 塞 拉 门 齿 带 双 轴 导 杆 槽 型 凸 轮 组 合 空 间 机 构 。 空 间 机 构 简 图 如 下 图所 示 。地铁双开塞拉门系统设计第 12 页图 4.1 单 扇 门 双 轴 导 杆 槽 型 凸 轮 组 合 空 间 机 构图 中 ： 1 门 架 、 2 电 机 、 3 主 动 轮 、 4 齿 带 、 5 辅 助 承 载 轴 、 6 下 带 夹 、 7张 紧 装 置 、 8 轴 承 座 、 9 从 动 轮 、 10 辅 轴 套 、 11 联 杆 A、 12 主 轴 套 、 13 主 承载 轴 、 14 联 杆 B、 15 联 杆 C、 16 导 杆 套 、 17 滚 轮 、 18 导 向 槽 、 19 携 门 导 杆 、20 槽 型 凸 轮 、 21 门 页 。该 机 构 工 作 原 理 ： 塞 拉 门 的 启 闭 塞 拉 密 封 运 动 可 按 下 述 过 程 实 现 。 电 机 得 电通 过 主 动 轮 驱 动 齿 带 做 上 下 往 复 直 线 运 动 ， 同 时 带 动 从 动 轮 做 旋 转 运 动 、 带 动下 带 夹 沿 X 方 向 作 往 复 直 线 运 动 ； 由 于 带 夹 与 辅 轴 套 固 结 为 一 体 ， 且 通 过 联 杆A、 联 杆 B、 联 杆 C 与 主 轴 套 、 导 杆 套 相 互 固 结 ， 故 使 得 导 杆 套 带 动 导 杆 一 起 沿X 方 向 作 直 线 运 动 ； 又 由 于 导 杆 上 联 接 有 滚 轮 、 导 向 槽 、 门 页 ， 故 同 时 通 过 带 动门 页 沿 X 方 向 移 动 ， 实 现 门 页 的 开 与 关 ； 由 于 导 杆 与 门 页 是 被 动 运 动 ， 其 上 滚轮 受 槽 型 凸 轮 的 运 动 限 制 ， 故 导 杆 与 门 页 只 能 沿 槽 型 凸 轮 运 动 。地铁双开塞拉门系统设计第 13 页图 4.2 承 载 装 置 侧 视 图本 文 所 设 计 的 塞 拉 门 系 统 携 门 装 置 由 携 门 导 杆 、 携 门 导 套 和 携 门 导 柱 组 成 ,携 门 装 置 机 构 示 意 图 如 图 3.3 所 示 :图 3.3 携 门 机 构 装 配 图因本次设计采用的是双轴承载，一个主承载轴，一个辅承载轴，故对小尺寸辅承载轴进行校核。根 据 本 次 设 计 结 构 的 需 要 ， 初 定 承 载 轴 长 度 为 0.8m， 承 载 轴 外 径 为 40mm承 载 轴 内 径 为 20mm。地铁双开塞拉门系统设计第 14 页本 次 设 计 ， 初 选 承 载 轴 材 料 为 45 钢 。弹 性 模 量 E=210GPa切 变 模 量 G=81GPa泊 松 比 =0.3根 据 材 料 力 学 弯 曲 变 形 中 梁 在 简 单 载 荷 作 用 下 的 变 形 可 知 ， 当 携 门 机 构 处于 承 载 轴 中 间 时 ， 承 载 轴 所 受 应 力 与 弯 曲 变 形 最 大 ， 因 此 我 们 直 接 计 算 处 于 承载 轴 中 间 位 置 时 所 受 的 应 力 与 变 形 。如 图 4.6 所 示 ， 为 承 载 轴 受 力 分 析 图 ， 在 跨 度 中 点 承 受 集 中 力 F。 F 分为 两 部 分 ， 一 部 分 是 门 体 重 量 ， 一 部 分 是 承 载 轴 自 重 。 因 此 F=F1+F2， 跨 度L=800mm， 弹 性 模 量 E=210GPa， 切 变 模 量 G=81GPa， 泊 松 比 =0.3， 密 度 为， 许 用 应 力 许 用 挠 度3/75KgM7 367/85/ l图 4.6 承 载 轴 受 力 图1） 强 度 计 算惯 性 矩抗 弯 截 面 系 数总 受 力其 弯 矩 最 大 值 为根 据 梁 的 正 应 力 强 度 条 件 得2） 刚 度 计 算此 梁 中 截 面 的 挠 度 最 大 ， 带 入 刚 度 条 件 ， 有MPaamNWMZ 81.54108.5410495.83636maxax mNNFl .3)8.0(*91.5(max 3633 10495.)2.4.(.21)(21dDWz NF .8.70174 810.(6 mIz 47933max 109.6108.102485ZEIFlax地铁双开塞拉门系统设计第 15 页由 此 得 max因 此 满 足 梁 的 强 度 和 刚 度 要 求 。地铁双开塞拉门系统设计第 16 页第 三 章 控 制 系 统 设 计3.1 PLC 概 述PLC 即是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC,PLC 自 1969 年美国数据设备公司研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为电源、中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口电路、计数、定位等功能模块、通信模块等。PLC 在使用时，其工作原理及过程包括以下三个方面的内容。一、扫描技术当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻地铁双开塞拉门系统设计第 17 页辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用I/O 指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。虽然 PLC 所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但 PLC 内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤， “输入状态检查” 、 “程式执行” 、 “输出状态更新”说明如下：步骤一“输入状态检查”：PLC 首先检查输入端元件所连接