地铁快慢线运营工况下站台门系统的优化设计

引言

随着国家对轨道交通发展的重视以及国民生活水平的提高,乘客及建设单位对地铁的行车速度和运营效率的要求也在逐步提高,特别是要提高高峰期的运营效率,设置越行配线车站是一个有效的解决方案。越行配线车站允许在慢车停靠车站时快车从越行轨行驶,理想情况下快车可在不降低速度的情况下越行。纽约、日本、巴黎等城市的地铁均在客流密度较大的车站采用了越行配线方案,而广州市14、18、21、22号线及福州市目前在建的机场线,也陆续开展了越行配线方案的研究并应用于车站建设中,以期提高地铁的输送效率。

但越行配线的设置对站台门设计也带来了全新的挑战。列车在隧道行驶时存在活塞风效应,会造成轨行区局部区域气压变化。如果此时有另一台列车在停站轨停留,轨行区空气流动截面积较小,活塞效应也会导致停站轨位置的气压产生变化,对站台门会产生一个垂直的压力,增加站台门关门所受到的阻力,导致站台门滑动门出现二次关门的故障。

目前,学者们主要从实验测量和流体建模模拟这两个方面对地铁活塞风效应展开研究。刘畅等人[1]的研究分别针对上海地铁19座车站进行现场动态风压实验,测试在高密度行车情况下站台门所承受的风压;研究发现进站端部第一道门所承受的风压最大,并且在其他条件相同的情况下,岛式站台第一道站台门所承受的风压是侧式站台第一道站台门的13倍,另外,开启车站的上下排热对第一道站台门的承压影响很小。袁誉钊等人[2]构建了两车、两车站、三区间隧道的地铁隧道模型,运用Fluent19.1软件,利用滑移网格技术仿真模拟列车在隧道运行时引起的活塞风速度与压力,并提取在不同列车运行速度下车站站台门区域所受活塞风的压力值。但是上述研究均未对越行配线车站在越行工况下的活塞风压进行测量或模拟,无法验证越行工况下的动态风压对站台门是否有影响及影响的程度。

本文将针对地铁车站配线设计中的两种配线方案,模拟并研究快慢车运行模式越行工况下站台门承受的活塞风压,验证其对站台门滑动门开关的影响,并提出对站台门系统选型的优化方案。

1地铁越行工况下站台门承受活塞风压分析

本次研究选取广州地铁18号线沙溪站与广州地铁22号线陈头岗站为研究对象:沙溪站车站形式为单岛外侧越行车站,越行轨与停站轨之间通过一面混凝土墙进行分隔,快车在外侧越行轨以160 km/h的速度越行;陈头岗站为双岛正线外侧越行,快车在岛式站台外侧的越行轨上以80 km/h的速度越行。上述两种方案中,停站轨上列车停车及上下客均不会影响越行轨上快车的正常行驶。两座车站的站台门均按照与市域8D编组列车配套设置。为研究越行工况活塞风压对站台门的影响,需计算越行工况下的活塞风压值。

1.1建立车站模型

沙溪站配线方式为单岛外侧越行[3],越行轨与公共区之间通过分隔墙隔离,站台层左线与右线轨行区基本分隔无空气交流,因此建模只按照一侧进行模拟。模拟测试模型如图1所示。

陈头岗站配线方式为双岛正线外侧越行[3],站台层左线与右线轨行区有多处空气交流,因此按完整车站进行建模。模拟测试模型如图2所示。

1.2设置流体力学边界条件

接下来是输入模拟模型中快慢车运行的测试工况。两个流体模拟模型都以温度为25℃、1 atm标准大气压作为环境基本条件。此外,所有隧道出入口及活塞风井出口均视为与标准大气连接且为自由空气(opening),隧道壁均按照无滑移条件(non—slip condition)进行设置。

两个流体模拟模型中的模拟工况均按1列车停站+1列车越站工况进行设置,列车速度按照开通后列车运行速度设置:沙溪站越行轨列车速度按44.44 m/s(160 km/h)设置,停站轨列车按照静止状态(0 km/h)设置;陈头岗站越行轨列车速度按22.22 m/s(80 km/h)设置,停站轨列车按照静止状态(0 km/h)设置。隧道内通风条件按无风机情况设置。

1.3活塞风压模拟结果

通过运行ANSYS CFX运算软件,得出整个模型各个点的流体参数数据。本文重点收集8D列车每节编组其中一个站台门位置(滑动门编号#1、#5、#9、#13、#20、#24、#28、#32)的活塞风压;沙溪站仅收集停站轨旁站台门位置的风压值,陈头岗站则同时收集停站轨与越行轨旁站台门位置的风压值。

1.3.1沙溪站

如图3所示,沙溪站越行工况下站台门所受的活塞风压最大正风压为+1 003.45 pa,最大负风压值为—632.32 pa。此外,不同门体位置风压的大小随时间变化规律基本保持一致。

1.3.2陈头岗站

如图4、图5所示,陈头岗越行侧最大正风压值为+995.90 pa,最大负风压值为—213.09 pa;停站侧最大正风压为+35.37 pa,最大负风压为—6.43 pa。从上述两组活塞风压对比可知,对于双岛外侧越行车站,停站侧站台门所受到的动态风压要远小于越行轨侧的动态风压;此外,同一侧站台门不同站台门位置的活塞风压大小变化规律一致,这与沙溪站的模拟结果一致。

1.3.3小结

综上,两座车站流体模拟得出的单侧站台门最高正负活塞风压如表1所示。

2站台门活塞风压下的电机分析

根据刘鑫美[4]、梁海健等人[5]对站台门系统动态风压理论的研究,滑动门在关门过程中需要克服的阻力分为五部分,包括:(1)悬挂装置滚轮与导轨间的滚动摩擦力F1;(2)因活塞风压作用在站台门,悬挂装置滚轮与导轨之间的侧向滑动摩擦力F2;(3)因活塞风压作用在站台门,导靴与导轨产生滑动摩擦力F3;(4)毛刷等部件产生的固有摩擦力F4;(5)关门过程中,使滑动门加速至最大关门速度的牵引力F5。其中,F1和F4为滑动门开关过程中的固有摩擦力,仅与滑动门门体重量、接触面材质有关,与滑动门承受活塞风压无关;F2和F3均为因活塞风压导致的关门摩擦力,其大小与活塞风压正相关;F5由关门速度、门体质量决定,也不受活塞风压的影响。

关门流程分加速阶段、匀速阶段、减速阶段、低速匀速阶段和停止阶段,其中加速阶段和匀速阶段占关门流程的主要部分。加速阶段中,由于大部分门处在开启状态,可视为滑动门内外风压值一致,F2和F3可基本忽略不计,滑动门关门克服固有摩擦力为F1、F4和F5;匀速阶段会存在某个时刻除了个别滑动门未关闭,其他滑动门均已关闭的情况,轨行区与公共区存在压力差,滑动门关门克服固有摩擦力为F1、F2、F3和F4。

结合前文通过ANSYS CFX模拟软件得出的单侧站台门承受活塞风压最大值,计算出越行工况下站台门关门加速阶段和匀速阶段电机克服阻力需要提供的输出功率,如表2所示。

由上述计算得出,关门速度u=0.4 m/s时,站台门电机的输出功率应不小于855.62 W。目前,国内地铁线路全高站台门常用电机功率配置为200 W,则沙溪站越行工况下,如不采取优化措施,站台门会因活塞风压关门受阻,无法完成关门流程。

3站台门活塞风压下的控制模式选型

在越行配线车站中,站台门门体受到越行工况下活塞风压的影响关门受阻;考虑到站台门电机的输出参数与越行工况的特性,可通过以下两种方案优化控制系统。

3.1 DCU智能控制电机输出功率

如上文所述,当滑动门受到活塞风压导致关门受阻时,可通过短时间增大电机功率来提高克服摩擦力的能力;而滑动门是否因活塞风压导致关门受阻,则需要站台门DCU通过智能控制模式监测电机的运行参数来进行判断。滑动门关门受阻可能有两种原因:(1)因为活塞风压导致滑动门摩擦力增大,电机转速会缓慢降低并最终降到0;(2)滑动门受障碍物阻挡,电机转速会在非常短的时间内降到0,且为防止夹伤乘客,电机需向反方向运行使滑动门释放障碍物。基于上述原理,可通过在站台门电机设置转速传感器,并将实时转速反馈给DCU进行判断,识别阻力类型并采取相应控制措施。具体控制流程图如图6所示。

通过监测电机的转速,DCU可识别站台门受风压阻挡关门的情况,并及时介入改变输出条件:在关门过程中,通过闭环控制的方式,持续监控关门速度并及时调整输入电流,提高短时间的电机输出功率,提升电机克服启动阻力的能力,当关门速度提高到一定阈值时,降低输出电流,避免电机长时间过载。这种控制方式虽然会稍微延长关门时间,但可在不改变电机功率的情况下,克服动态风压的影响完成站台门关门。考虑到电机的最大输出功率,DCU智能控制的参数建议全线按照活塞风压在一定范围(±400 pa)内进行调整设定。

3.2调整滑动门关门时间

站台门门体在越行工况下承受的活塞风压随越行列车相对位置变化而变化。从图7可看出,活塞风压绝对值大于400 pa的累计时长约为8 S;以行车间隔120 S为例,活塞风压大于400 pa的时间短,仅占整个行车间隔周期6%左右。同时,由于站台门关门时间为3.0~4.0 S,慢车停站、快车越行的工况与站台门正在关门同时出现的概率较小。

考虑到上述情况,通过调整站台门关门时间方案,可避免越行工况造成的活塞风压对站台门关门造成影响。如上文所述,站台门明显承受活塞风压的时间在8 s左右,而一般市域线路高峰期行车对数在每小时14~20对,对应行车间隔在120~257 s,适当对站台门关门时间进行延迟对车站运营影响并不显著。在实际工程中,可将本方案与DCU智能控制方案相结合:当活塞风压在—400~+400 pa的风压范围内,站台门仍按正常关门时间执行关门流程,减少关门时间的延迟,降低运营压力。

4结论

本文针对站台门受到活塞风压影响导致关门受阻的情况进行深入研究,结论如下:

(1)结合ANSYS CFX软件包对车站越行工况进行模拟,得出最大活塞风压出现在沙溪站,最大正风压为+1 003.45 pa,最大负风压为—632.32 pa。

(2)站台门电机输出功率应不小于855.62 W,才可克服越行工况最大活塞风压完成关门动作。

(3)考虑到快车越行工况的时间长度仅占车站运营时间较少的一部分,且慢车停站而快车越行的工况与站台门正在关门同时出现的概率较小,通过结合DCU智能控制调整输出电流方案与调整滑动门关门时间的方案,可避开越行工况下最大风压,降低对站台门受到活塞风压的阻碍作用。

本研究提出的方案,能够减少因活塞风压导致关门受阻的情况,减轻现场站务人员处理压力,优化车站人员结构;减少因关门受阻造成的频繁列车延误,保证列车准点到达容纳站台乘客,降低乘客出行成本,提高地铁的客流输送效率,提升地铁服务的质量,对维护地铁的正面形象起到积极作用。