屏蔽門機械體系的結構特性論文

　　地鐵站臺屏蔽門系統(tǒng)安裝于地鐵沿線車站站臺邊緣，由于它能提高運營安全系數(shù)、改善乘客候車環(huán)境、節(jié)約運營成本[1]，故該系統(tǒng)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屏蔽門系統(tǒng)工程優(yōu)劣的重要指標之一，但屏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(nèi)對此類屏蔽門進行的相關研究較少。在建的寧波軌道交通1號線一期工程基于對乘客安全、節(jié)能和車站環(huán)境的考慮采用了屏蔽門系統(tǒng)。由于軌道交通的特殊性，業(yè)主對屏蔽門機械系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟性有較高要求。目前屏蔽門機械設計主要分為結構設計和強度、剛度分析等，以滿足屏蔽門的特殊要求。

　　1屏蔽門機械系統(tǒng)結構

　　1.1屏蔽門機械系統(tǒng)結構

　　屏蔽門系統(tǒng)在地鐵站臺上的布置示意圖如圖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(tài)下，列車門單元與屏蔽門系統(tǒng)中的滑動門單元一一對齊，非正常停車狀態(tài)下，至少有一個列車門單元可以與屏蔽門系統(tǒng)中的某一滑動門單元對齊，保證旅客可以順利下車。圖2所示為一個用于有限元分析的標準屏蔽門樣機單元，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，門體主要由不銹鋼門框及鋼化玻璃組成，用于隔離站臺與軌道。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、掛輪組件等)，用于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，在屏蔽門系統(tǒng)中起到骨架的作用，用于支撐整個屏蔽門系統(tǒng)及承受各種載荷，屏蔽門系統(tǒng)通過底座與站臺地板連接。上部防沉降伸縮裝置用于連接屏蔽門系統(tǒng)與站臺天花板，可以有效地吸收站臺沉降。

　　1.2屏蔽門有限元分析模型

　　屏蔽門的實際模型相當復雜，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(tǒng)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，將螺栓簡化為連接約束等。屏蔽門的有限元分析模型如圖3所示。屏蔽門的有限元模型中，門框、橫梁、底座和玻璃等所有結構都采用solid實體單元（各零件的詳細材料參數(shù)見表1），并采用六面體單元進行sweep網(wǎng)格劃分，對不同尺寸零件的網(wǎng)格大小進行控制，玻璃等尺寸較大的零件采用的網(wǎng)格尺寸相對較大，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)實際對各零件的材料參數(shù)進行相應設置。

　　1.3屏蔽門邊界條件及載荷設置

　　根據(jù)實際情況在屏蔽門系統(tǒng)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、橫梁和支撐之間采用固連方式相互連接。屏蔽門承受外載荷主要有風壓、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)點力，風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種載荷的詳細參數(shù)如表2所示。實際使用過程中，屏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，擠壓和沖擊2種載荷只存在1種；工況1中4種載荷同時存在，以分析屏蔽門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屏蔽門有限元分析結果

　　2.1屏蔽門模態(tài)分析結果

　　在模態(tài)分析中，低階模態(tài)對振動系統(tǒng)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(tài)，但在本文中結構的固有頻率較低，而且數(shù)值相差較小，所以提取屏蔽門的前30階模態(tài)。由有限元分析得屏蔽門系統(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，會出現(xiàn)振型和頻率相接近但相位不同的情況�，F(xiàn)提取幾階典型振型，對屏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時屏蔽門的振型。由有限元模態(tài)分析可得屏蔽門的各階模態(tài)特性，其中在頻率為13.1~105Hz之間，屏蔽門的振型大多為各門體、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，固定門在水平z方向產(chǎn)生變形，中心位置的變形最大；頻率為42.7Hz時，兩扇滑動門各自沿中心線產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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，應急門底部橫梁產(chǎn)生“s”形變形；頻率為99.6Hz時，整個屏蔽門發(fā)生整體變形，各個零件在此頻率下同時產(chǎn)生較大變形。

　　2.2屏蔽門結構剛度分析結果

　　針對不同工況，對屏蔽門的結構剛度進行分析，得到不同工況下屏蔽門系統(tǒng)的變形及應力響應。表5為各工況下屏蔽門的剛度分析結果。由表5可知載荷工況1d時，屏蔽門的最大變形及應力高于其他工況條件的最大變形和應力，即對載荷工況1d是該屏蔽門最苛刻的工作條件。下面詳細分析該工況下的屏蔽門系統(tǒng)及其零部件的變形及應力響應。圖5為載荷工況1d下屏蔽門的整體變形及應力分析結果。由圖5可知，該工況下屏蔽門的最大變形為10.3mm，在固定門的中心位置；最大應力為214.8MPa，在應急門橫梁與立柱接觸處。在立柱、支座和橫梁的其他位置，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布圖，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(xiàn)明顯不對稱分布，因為整體屏蔽門所承受的載荷不對稱；固定門的最大變形為10.3mm，處于門的中心位置，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。底座及頂部支撐是屏蔽門與外部結構相連接的部件，其狀態(tài)的好壞是屏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布圖，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，處于底座的一個立柱上。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布圖，由圖可知，該頂部支撐結構的最大變形為1.6mm，發(fā)生在頂部支撐與門體結構部件的連接處，最大應力為204.7MPa，處于立柱與板的連接位置，該應力為集中應力，可以采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屏蔽門系統(tǒng)的結構分析模型，利用有限元法分析了屏蔽門系統(tǒng)模態(tài)和結構剛度，得到了屏蔽門系統(tǒng)的主要模態(tài)特性及變形應力響應，為屏蔽門系統(tǒng)的可行性及其優(yōu)化設計提供了理論基礎：①建立了屏蔽門系統(tǒng)的結構分析的模型及方法，為后續(xù)屏蔽門的結構分析提供參照。②通過屏蔽門系統(tǒng)的模態(tài)響應分析，得到了屏蔽門系統(tǒng)的低階固有頻率及振型，直觀地分析了屏蔽門系統(tǒng)的振動特性，為屏蔽門的振動控制提供了理論基礎。③通過屏蔽門系統(tǒng)的剛度特性分析，得到了屏蔽門系統(tǒng)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(tǒng)的可行性，并為系統(tǒng)的優(yōu)化設計及可靠性設計提供了依據(jù)。

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