中國標準地鐵列車車門系統(tǒng)統(tǒng)型化研究

郭 蕾，付志亮，成志剛，張亮亮，毛開楠，李 斌，蔡昌亮

(1.中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022； 2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035；3.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001； 4.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062；5.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；6.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031)

隨著國內(nèi)地鐵車輛產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，研制出適應中國地理環(huán)境和人口特點的標準化列車已成為我國軌道交通行業(yè)發(fā)展的必然需求。從2018年開始，我國的地鐵車輛市場容量已經(jīng)超出境外總和，研制出高標準高質(zhì)量的地鐵車輛也是我們加快推進“走出去”戰(zhàn)略的可靠保證[1]。車門系統(tǒng)作為地鐵車輛的重要子系統(tǒng)，關系著車輛的運行安全，在車輛實際運營時具有高頻率的開關動作，以滿足司乘人員上下車需求。為了適應中國標準地鐵列車的運用需求，本文以車門簡統(tǒng)統(tǒng)型為思路，以“安全可靠、接口標準、維護方便、經(jīng)濟適用”為目標，對中國標準地鐵列車的車門統(tǒng)型方案進行分析研究。

1 國內(nèi)地鐵車輛車門運用現(xiàn)狀

1.1 車門類型

目前國內(nèi)地鐵車輛使用的客室車門以雙扇電動塞拉門和雙扇電動內(nèi)藏門為主，部分線路采用外掛移門、外掛密閉門等。2000—2018年，國內(nèi)地鐵車輛上采用的不同型式客室車門中，塞拉門占比呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，內(nèi)藏門占比呈下降趨勢，外掛門占比最小，也呈下降趨勢。另外經(jīng)過調(diào)研統(tǒng)計，2013年至今，國內(nèi)地鐵車輛客室電動塞拉門總占比約61%，電動內(nèi)藏門總占比約34%，其他類型車門占比約4%。就車輛速度而言，80 km/h車輛采用塞拉門占比約55%，內(nèi)藏門占比38%，外掛門占比7%；120 km/h車輛使用塞拉門占比98%以上。

司機室門主要有手動或電動塞拉門、手動內(nèi)藏門、手動折頁門等型式。近5年來，手動塞拉門和手動內(nèi)藏門占比共64%，手動折頁門占比25%，北京、深圳、成都、鄭州、天津等地開始采用電動塞拉司機室門，約占11%，且呈現(xiàn)上升趨勢。

1.2 車門系統(tǒng)制造及應用特點

我國現(xiàn)有多家地鐵車輛制造企業(yè)分別擁有不同的技術來源和特點，車輛斷面千差萬別，而車輛斷面是影響車門設計的主要因素之一，加之車門供應商也有多家，結構特點和運動原理各不相同，車門型式有塞拉、內(nèi)藏、外掛等。上述因素綜合起來，導致現(xiàn)有車門種類達上百種之多，備品備件的種類和數(shù)量更是繁多，膠條斷面有十余種，門玻璃達三十余種。針對相同型式不同供應商的車門，其主要尺寸、性能參數(shù)、人機界面、維護接口也不統(tǒng)一。

地鐵車輛面向不同區(qū)域的用戶需求是多樣化、個性化的。車門系統(tǒng)不但要滿足不同線路的運用條件，保證車門性能正常、安全可靠，同時也要滿足業(yè)主使用習慣和個性化要求。

車門系統(tǒng)運用中故障率高是不可忽視的問題。據(jù)統(tǒng)計，某城市地鐵2009—2018年車輛故障中數(shù)量排名第一的為車門系統(tǒng)故障，占故障總數(shù)的40%左右，嚴重的車門故障會造成車輛清客下線等嚴重運營事故。當然這與車門本身較高的使用頻率有一定關系，但如果能從設計源頭上進行優(yōu)化，減少零部件的種類，也可以在一定程度上減少故障的發(fā)生。隨著軌道車輛智能化趨勢深入發(fā)展，智能化的運維需求對車門安全性、可靠性、智能化水平提出了更高的要求，智能車門控制技術、車門安全等級提升是目前車門智能化的研究方向[2]。

2 車門系統(tǒng)的統(tǒng)型原則和目標

車門系統(tǒng)統(tǒng)型以“用戶需求、乘客需求和服務”為導向，按照“功能性能統(tǒng)一、電氣接口、機械接口統(tǒng)一”原則，采用自頂向下的設計思路，依據(jù)“模塊化、標準化、系列化、譜系化”，為滿足國內(nèi)不同用戶的需求配置出“經(jīng)濟”“舒適”等系列化菜單。結合現(xiàn)行標準要求和現(xiàn)有車門系統(tǒng)特點，經(jīng)過統(tǒng)型后形成中國標準地鐵列車車門系統(tǒng)平臺和技術標準。統(tǒng)型后達到降低車門系統(tǒng)故障率，實現(xiàn)接口標準化、功能配置化、零件通用化、文件規(guī)范化，減少備品備件種類，降低車門制造和運維成本的目標。

3 車門系統(tǒng)統(tǒng)型化選型及配置

中國標準地鐵列車研制及試驗項目開展前期進行了廣泛調(diào)研，結合調(diào)研結果并通過對不同型式車門的性能及可靠性分析，確定標準地鐵車門系統(tǒng)的基本配置及可選配置型式。

3.1 性能及可靠性分析

3.1.1 密封性

典型塞拉門密封結構為門扇周邊膠條與密封框壓接、中縫護指膠條對接擠壓實現(xiàn)密封，如圖1所示。這種結構使門扇與車體壓緊形成相對完整的密閉環(huán)，并可以通過改變膠條型式或增加輔助拉緊的方式在車內(nèi)外壓力突然改變時提升乘客的乘坐舒適性[3]。外掛密閉門的密封形式與塞拉門類似。

圖1 典型塞拉門密封結構

典型內(nèi)藏門密封結構為上部密封毛刷與門扇搭接，門扇兩側邊緣膠條與車體搭接，中部護指膠條擠壓，下部門扇騎跨(或嵌入)導軌，如圖2所示。內(nèi)藏門在開關時，門扇與密封件間(密封毛刷與門扇、門下部滑槽與導軌)是相對滑動的，如果追求密封性，必然會加大開關門過程中的滑動接觸阻力，導致開關動作不靈活。因此必須使門周邊留有足夠的活動間隙，故內(nèi)藏門的密封性較差。

圖2 典型內(nèi)藏門密封結構

中國標準地鐵項目包含80 km/h和120 km/h 2種速度等級，120 km/h速度等級的車輛對乘客乘坐舒適性的要求較高，因而對車輛密封性要求更高。內(nèi)藏門的結構決定其密封性能較差，能夠滿足120 km/h速度等級密封性要求的客室側門只有塞拉門和外掛密閉門2種。外掛密閉門關閉后，其門扇、機構等位于車輛外部，使車輛運行阻力較大且會占用一定的車輛外部空間，考慮到車輛限界等因素，會使車輛內(nèi)部空間相對變??；塞拉門關閉后，其門扇與車體外表面平齊，不占用車輛外部空間，車輛運行阻力較小且外形美觀。

3.1.2 隔聲性

通過既有車門運用經(jīng)驗及相關試驗對比分析得出，內(nèi)藏門在頻率范圍100 Hz～5.9 kHz內(nèi)，其隔聲量(A計權聲壓級)至少為15 dB；在頻率范圍1～3 kHz 內(nèi)，其隔聲量(A計權聲壓級)為20～25 dB。塞拉門在頻率范圍100 Hz～6.5 kHz內(nèi)，其隔聲量(A計權聲壓級)至少為20 dB；在頻率范圍1～5.5 kHz內(nèi)，其隔聲量(A計權聲壓級)為30～35 dB。相比內(nèi)藏門而言，在頻率為2 kHz處，塞拉門的隔聲量要比內(nèi)藏門的隔聲量大10 dB，且其隔聲頻帶范圍更寬[4]。在相同配置的門扇結構下，塞拉門的隔聲性能顯然更優(yōu)。

3.1.3 可靠性

車門系統(tǒng)是關系車輛安全的重要部件，因此車門選型必須考慮車門系統(tǒng)的可靠性指標。結合前期調(diào)研及以往運用經(jīng)驗，分析得出各種型式車門的可靠性參考數(shù)據(jù)。表1為客室門可靠性數(shù)據(jù)，表2為司機室門可靠性數(shù)據(jù)。

表1 客室門可靠性數(shù)據(jù)

表2 司機室門可靠性數(shù)據(jù)

由表1、表2可知，客室門中內(nèi)藏門平均無故障時間高于塞拉門和外掛密閉門；司機室門中手動折頁門平均無故障時間最長，電動塞拉門次之。由于內(nèi)藏門和手動折頁門的結構相對簡單，零部件較少，使得它們的運用可靠性較高。

3.2 選型配置

綜合上述分析結果，采用塞拉門作為120 km/h速度等級車輛客室側門標準配置。為了減少車門類型，實現(xiàn)同類型車輛車門整體互換的統(tǒng)型目標，對于80 km/h速度等級的車輛也采用塞拉門作為客室側門標準配置。由于內(nèi)藏門具有結構簡單、故障率低、易維護等特點，對于80 km/h速度等級的車輛將內(nèi)藏門作為選配方案。對于司機室車側門，考慮到手動門存在操作不便、故障率高等特點，因此采用電動塞拉門作為司機室側門的標準配置，手動折頁門作為選配方案(不設置緊急疏散門時)。

4 客室門系統(tǒng)統(tǒng)型方案

客室側門選型確定后，經(jīng)過統(tǒng)型可形成4種客室側門產(chǎn)品平臺，分別為A型車客室塞拉門平臺(1 400 mm通過寬)、B型車客室塞拉門平臺(1 300 mm通過寬)、A型車客室內(nèi)藏門平臺(1 400 mm通過寬)、B型車客室內(nèi)藏門平臺(1 300 mm通過寬)。限于文章篇幅，本文僅就塞拉門平臺進行分析。

4.1 機械接口及部件簡統(tǒng)

4.1.1 車門布置

A型車每輛車每側設置5套客室側門，門間距為4 560 mm。車門編號定義：從車內(nèi)2位端往1位端看，左側靠1位端依次為1、3、5、7、9，右側靠1位端依次為2、4、6、8、10。1號門和2號門門控器為主門控器，其余門控器為從門控器。車輛中部設置車外解鎖裝置，頭車1號門和2號門在車外設置電鑰匙裝置(僅全自動駕駛車輛)。

B型車每輛車每側設置4套客室側門，門間距為4 460 mm。車門編號定義：從車內(nèi)2位端往1位端看，左側靠1位端依次為1、3、5、7，右側靠1位端依次為2、4、6、8。1號門和2號門門控器為主門控器，其余門控器為從門控器。頭車靠近司機室的客室側門在車外設置電鑰匙裝置(僅全自動駕駛車輛)。

4.1.2 機械接口

對于不同的車門供應商，在保留其各自門機構特點的基礎上，對主要部件的安裝接口進行統(tǒng)型。機構及門控器安裝均采用2個C形滑槽吊裝結構，如圖3所示。對門控器組件的布局、接地點的位置等做了簡統(tǒng)設計，達到機構及門控器安裝接口一致的目標。

圖3 機構安裝接口及安裝型式

4.1.3 操作維護接口和備品備件

為滿足操作維護接口的統(tǒng)一性，對門扇厚度及外形尺寸、門扇扣手、下滑道、隔離鎖等位置，門扇膠條接口，門玻璃尺寸及接口均進行簡統(tǒng)設計。簡統(tǒng)后的塞拉門和內(nèi)藏門外觀如圖4、圖5所示。

圖4 塞拉門圖示

圖5 內(nèi)藏門圖示

為了提升120 km/h速度等級車輛的密封性能，針對應用在120 km/h速度等級車輛的塞拉門下部設置下?lián)蹁N結構，門扇下部位置增設2個平衡輪裝置，中縫護指膠條采用非對稱式結構，如圖6(a)所示。80 km/h速度等級車輛可根據(jù)編組及線路情況選擇是否設置下?lián)蹁N，中縫護指膠條采用對稱結構，如圖6(b)所示。若地鐵線路環(huán)境良好，120 km/h速度等級車輛也可選擇采用對稱式中縫護指膠條。經(jīng)過試驗驗證，在相同條件下，相較于對稱式膠條,非對稱式膠條最大充壓壓力可提升約200 Pa。

圖6 對稱式和非對稱式中縫護指膠條

無論從整個門系統(tǒng)還是最小可更換單元，從制造到運維，提高零部件互換性也是不同制造商公平有序競爭的前提。為了便于運營商對備品備件的管理、便于制造商規(guī)?；a(chǎn)、降低成本、提升質(zhì)量，必須對備品備件進行簡統(tǒng)設計。經(jīng)過統(tǒng)型，車內(nèi)緊急解鎖由現(xiàn)存幾十種變?yōu)?種，車外緊急解鎖簡統(tǒng)成1種，隔離開關簡統(tǒng)成1種，電鑰匙簡統(tǒng)成1種。對需要經(jīng)常更換的易損易耗件如膠條、緩沖頭、門玻璃、坦克鏈、指示燈、潤滑油脂等均簡統(tǒng)成1種，極大減少了備品備件的種類。經(jīng)過簡統(tǒng)后，40%以上的備品備件實現(xiàn)了通用性，電氣件可互換，機械件完全一致。

4.2 電氣接口及功能簡統(tǒng)

對車門進行電氣接口統(tǒng)型，硬線端子采用籠式端子，本地維護端口采用USB+以太網(wǎng)，網(wǎng)絡拓撲結構采用2(主門控)+N[B型車為6，A型車為8](從門控)以太網(wǎng)結構。根據(jù)車輛需求，主門控可采用全以太網(wǎng)或者MVB+以太網(wǎng)與車輛網(wǎng)絡連接，從門控之間采用以太網(wǎng)連接。MVB接口均采用Sub-DB9的連接器，以太網(wǎng)接口均采用M12D碼接口連接器。明確車門端子排點位所對應的信號說明及連接的設備，門控器地址編碼采用在端子排上接線的方式實現(xiàn)。

對車門功能進行簡統(tǒng)，在滿足GB/T 30489—2014《城市軌道車輛客室側門》[5]及EN 14752：2015《鐵路應用 鐵道車輛車體側門系統(tǒng)》標準[6]的基礎上梳理現(xiàn)有車輛車門主要功能，形成包含集控開關門、障礙檢測、故障隔離、故障指示診斷記錄、零速保護等22項車門功能。其中車門緊急解鎖功能提供3種可選配置，根據(jù)用戶需求進行設置：車內(nèi)緊急解鎖裝置手動復位，手動復位時車門自動關閉；車內(nèi)緊急解鎖裝置自動復位，自動復位時車門不動作；帶有3個位置的緊急解鎖裝置，3個位置分別為正常位、緊急請求位、解鎖位。

開關門聲光警示功能設置2種可選配置，分別為單獨設置指示燈、在動態(tài)地圖上集成“橙色/紅色”指示燈。健康診斷功能是可選配置，根據(jù)整車是否具備智能運維系統(tǒng)來選擇。

車門的隔音隔熱性能均在標準基礎上有所提升，車門的防火滿足EN 45545：2015標準[7]及BS 6853：1999標準[8]要求。

4.3 可靠性提升

對部件、備件進行統(tǒng)型設計后可以有效降低車門系統(tǒng)故障率，在設計制造組裝運用中還可以通過以下措施來提升車門系統(tǒng)的可靠性：

(1) 梳理典型問題故障清單并形成管理臺賬。

(2) 制定通用技術條件管控。

(3) 通過統(tǒng)型技術文件管控。對通用技術條件未能識別的問題，通過統(tǒng)型文件進行管控。

(4) 強化關鍵尺寸及組裝工藝管控。

(5) 對于全自動無人駕駛車輛車門設計應重點關注安全等級，在正常和異常場景下車門的檢測與處置邏輯[9]。

4.4 計算仿真和試驗驗證

為驗證車門簡統(tǒng)設計方案的可行性，為設計提供理論支撐，車門統(tǒng)型過程中需要進行一系列仿真計算研究，包括門扇及關鍵部件強度計算、門扇隔聲計算等，并根據(jù)計算結果及時調(diào)整優(yōu)化設計方案。在車門樣件試制后，也要進行功能試驗、隔聲隔熱試驗、淋雨試驗、強度試驗、沖擊振動試驗、壽命試驗、門控器相關試驗等一系列試驗，以驗證產(chǎn)品是否滿足設計需求。

4.5 車門智能運維

為順應軌道車輛智能化發(fā)展的趨勢，促使檢修模式從“預防性維修“向“預見性維修”轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)車門全壽命周期成本的大幅降低[10]，地鐵運營公司和車輛制造商紛紛開展智能運維研究。得益于車門運行數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析診斷，使得實現(xiàn)車門故障預測和健康管理成為可能。該系統(tǒng)通過提前對車門系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行診斷預警，并指導維修人員提前進行相應維修，可以極大地提高地鐵車門系統(tǒng)運行可靠性，減少車門故障，提高運營維護水平，降低運營維護成本，改善地鐵運營秩序[11]。目前車門系統(tǒng)可以實現(xiàn)的智能運維功能包括：

(1) 車門狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測。包括列車運行狀態(tài)信息、關鍵監(jiān)測參數(shù)的實時監(jiān)測功能。

(2) 車門的故障診斷。自動采集車門各種運行參數(shù)信息(包含門控器的故障代碼)，發(fā)送給地面診斷系統(tǒng)(典型故障規(guī)則知識庫)，判斷當前的車門是否產(chǎn)生故障并給出故障原因和檢修方案。

(3) 車門的亞健康狀態(tài)分析。將采集到的車門各種運行參數(shù)與車門的歷史數(shù)據(jù)進行對比分析，判斷車門是否工作于亞健康狀態(tài)，并給出未來可能出現(xiàn)的故障和檢修范圍。

目前車門數(shù)據(jù)的采集、診斷方法、運維決策還存在一定局限性，未來還需要結合新方法、新技術在系統(tǒng)壽命預測及數(shù)據(jù)深度挖掘方面進行更深入的研究。

5 結束語

中國標準地鐵列車的研制完成對我國地鐵車輛實現(xiàn)裝備自主、技術創(chuàng)新、綠色發(fā)展具有重大推動意義。車門系統(tǒng)統(tǒng)型化研究作為中國標準地鐵列車研制中的重要一環(huán)，搭建了中國標準地鐵車門系統(tǒng)的技術平臺和技術標準，有效整合了各項資源，實現(xiàn)了車門標準化、譜系化，減少了關鍵零部件和備品備件數(shù)量種類，降低了車門系統(tǒng)故障率、車門設計制造和運維成本等一系列目標，表明我國的軌道交通車輛裝備正日趨完善和人性化，今后可以在節(jié)能降耗、深度智能運維方面進行進一步探索研究，為軌道交通裝備行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、開創(chuàng)“十四五”發(fā)展新局面做出貢獻。