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；
目录
摘要 (I)
目录 (II)
摘要 (1)
第一章绪论 (2)
1.1研究背景及意义 (2)
1.2国内外研究现状 (3)
第二章塞拉门结构设计 (5)
2.1拟定总体结构方案 (5)
2.2门板和门窗的设计 (8)
2.3驱动机构的设计 (9)
2.3承载装置设计 (11)
第三章控制系统设计 (16)
3.1PLC概述 (16)
3.2分析塞拉门控制要求 (18)
3.3电气控制原理 (19)
总结 (22)
致谢 (23)
参考文献 (24)
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；
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。

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1·5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。

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，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。

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；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
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：1m =80kg ，其余零部件的质量约为2m =75kg ，初步拟定塞拉门开闭时的移动速度为v=0.72m/s ，取得同步带轮半径约为=75mm R ，为安全起见，假定塞拉门门体开闭时的所有负载都加在电机轴上。

总的载荷为：
()=807510=1550G N +⨯
由于塞拉门是水平相对和相背移动，其传动比为i=1，则折算到电机轴上的转动惯量为：
225211=15575 4.41022
J mR kg mm =⨯⨯=⨯⋅ 根据塞拉门开闭时的移动速度为v=0.72m/s ，则电机的转速为：
60600.72183/min 20.075
v n r R ππ⨯===⨯ 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 3.141834.4107.1560600.3
a n M J a J J N m t t ωπ⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯=⋅⨯ 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
m N 3.14215.7⋅=⨯=电机M
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16N ·m ，惯量17.4kg ·cm 2，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。

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。

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。

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μ=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μ=0.3，密度为3/7850m Kg ，许用应力MPa 70][=σ 许用挠度31067.2300/8.0500/][-⨯===l ω
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
MPa Pa m m N W M Z 81.541081.5410495.518.301636max max =⨯=⨯•=≥-σm N N Fl M •===18.3014
)8.0(*)91.1505(4max 36333310495.5)02.004.0(14.332
1)(321m d D W z -⨯=-⨯⨯=-=πN F F F 91.15058.0)01.002.0(7850101502221=⨯-⨯⨯+⨯=+=π47444410178.1)02.004.0(14.364
1)(641m d D I z -⨯=-⨯⨯=-=π4793
3max 1049.68.091.1505--⨯=⨯==Fl ω]
[max σσ≤。