第1章 绪论

1.1背景和意义
自我国全面开展轨道交通建设以来，随着轨道交通列车的行车间隔减小、到站停靠时间缩短、乘坐轨道交通出行人数增多。因此如何保证塞拉门在轨道交通运载乘客过程中的可靠型与安全性成为社会各界关注的重点。在本课题中对塞拉门运作过程中的安全、低故障率、维护工作简便、乘客使用体验有着极高的要求。尤其是目前轨道交通车辆列车运行速度大大提高,乘客的安全和车辆的运行中的有效密封格外重要。基于这种情况，本次设计将对塞拉门的传动方式、承载装置设计着重进行考虑，以实现塞拉门系统安全可靠、结构精简、体验舒适的高要求。
1.2国内外发展现状
1.2.1国外塞拉门现状
国外主流的轨道交通塞拉门可以分为充气式密封、双唇胶条式密封、压紧式密封这三种密闭类型。
(1) 充气式密封。这种塞拉门门边内侧有一层可以充气的密封胶条，对塞拉门内部密封性进步一加强。在外层还有其他加强措施进行功作性能保证。在塞拉门完全关闭之后，内侧的可充气式密封胶条开始充气,车速越快对于密封胶条的充气压力越大。直到压力达到一定限度后停止,密封胶条充气后体积增大，更好的对车厢进行了密封。
(2) 双唇胶条式密封。这种密封形式，可以对塞拉门扇门的多个点位进行锁闭密封定位。当车辆高速运行或与其他车辆交汇产生巨大正负气压时，密封胶条被压紧,保证轨道交通车厢的密封。
(3)压紧式密封。在塞拉门门周边采用0形胶条,在塞拉门关闭过程中,胶条与门框在压紧装置作用下压紧,实现列车密封效果。塞拉门关闭成功后,门扇持续受到压紧装置带来的压力，使列车门保持密封状态。压紧式密封不止安装便捷，并且实用性强，保证了乘客的安全和舒适性。
日本在塞拉门的技术研究上也有着极高的研究水准。日本轨道交通列车塞拉门未装上下客脚踏板,靠站时间减少，运送乘客效率较高。为了贯彻轨道交通塞拉门系统可靠性高、维护便捷、操控性强等理念，日本研究出了新型的自动开关门系统，目前已投入使用。
我国塞拉门技术可以多加学习和借鉴国外长期的运行和研究结果，学习先进技术，提升自己的制造水平。
1.2.2国内塞拉门现状
我国于20世纪90年代向国外引进塞拉门系统，经过多年的专研和改进，目前我国自主制造的塞拉门系统已大量投入正式运营。下面对现有的四种国产塞拉门简略介绍：
(1)运用在客车及行车速度在一百六十千米每小时速度级各动车组上的塞拉门。这种塞拉门主要是电气控制，对进口的塞拉门进行模仿制造,其性能与结构与国外塞拉门系统相似。
(2)运用在行车速度在两百千米每小时以上动车组的塞拉门。这种类型的塞拉门由电控气动，主要是针对高速动车组进行设计。与上述传统塞拉门相比,结合国内工艺情况，重新设计了脚蹬结构，锁闭点有所增多，以及重新调整了塞拉门扇门的形式。
(3)纯手动塞拉门。这类塞拉门采用纯手动的方式对塞拉门进行控制，取消了电气控制，同时在门系统中加装了锁闭定位装置。
(4)充气密封型塞拉门。由我国自主研发而成。这类塞拉门通过充气式密封胶条进行充气密封，对塞拉门门扇结构上进行了改进。多次试验验证证明,经过更加精密计算以及科学验证，性能得到了确切提升。但此类塞拉的充气式密封胶条的寿命只有一年半,因此目前暂未装车运用。此类塞拉门使用的锁闭形式为门前三点定位，门后三点锁闭的锁闭形式主要针对于运行速度在两百七十千米以上的动车组。
由于我国轨道交通建设对自动塞拉门需求增大以及要求增高，不止有国内生产的同时也有许多国外自动塞拉门在正线上运行。 在各国先进技术的交流融合下，可以预见未来的轨道交通塞拉门将从手动解锁、电气控制解锁，发展为全智能计算机进行控制的全新自动化塞拉门系统,管理和操控方式也能够得到完善与规范。在保证乘客安全的情况下，列车开关门速度将更加提升，城市轨道交通运行速度也将大大提高。
1.3研究内容
在阅读了大量的文献材料、技术文本后，城市轨道交通塞拉门系统机械结构设计中需要考虑问题和初步构想形成；然后通过国内外塞拉门现状的分析结合现有几种塞拉门结构、运行优缺点，对比市面上的材料提出一种新型塞拉门的设计。论文研究思路见图1.1
 
图1.1 论文研究思路

第2章 塞拉门的结构及工作原理

2.1塞拉门的结构
塞拉门系统中外摆形式塞拉门供轨道交通列车使用，控制方式是电气控制。扇门类型为直型，分为左右两侧门。塞拉门的基础部件主要分为以下五部分。
（1）门扇及密封装配构成部件：门扇是由铝合金框架、铝蜂窝填充、以及密封胶条，扇门携门架、扇门支架、扇门隔离锁组成。密封件组成：扇门前、后压条，塞拉门门框上压条，门控下防护罩，以及密封胶条等部件组成。塞拉门门页导轮在上下引导轨道内的运动带动完成了开合动作。在导轨端点处加装的橡胶缓冲头减少了扇门门体在开合到位时产生的撞击力。
（2）塞拉门的驱动及承载机构：工作原理：塞拉门扇门的开关通过电机驱动带动轴承牵引门页在导轨上做直线运动实现的，而承载机构在塞拉门系统中的作用是承载塞拉门系统几乎所有的重量。
（3）操控装置:包括对内部操作控制装置，对外部操作控制装置，此外还附加联动机构和紧急解锁装置。
（4）门控制系统:由塞拉门控制器、电源保护器、电源转换器等构成。在轨道交通列车里，EDCU系统分别被安装在车厢的1位端以及2位端。各个车厢所安装的塞拉门通过接收对应的门控系统指令，展开工作。
（5）气路系统: 是由带导向无杆气缸，气路等部件构成。包括气动薄膜调节阀组合单元、气缸缸筒、节流阀、端盖气管、活塞、活塞杆等。
 
2.2塞拉门的关键部件
（1）内部操作控制装置。电气控制开关是内部操作控制装置的首要构成部件。没有集中控制信号或不在开门状态时，通电和气路系统正常工作，可以通过内部操作来实现塞拉门的开门以及关门动作。在通电同时气路系统正常，门控系统接收到信号为关门状态时，列车员操作内部操作装置不起作用。
（2）能够在列车车门外进行手动操作，也可以通过电气系统来进行塞拉门控制的操作装置成为外部操作控制装置 。没有集中控制信号或不在开门状态时，通电和气路系统正常工作，此装置控制下可以完成塞拉门的正常电气开和关门动作。在通电同时气路系统正常，列车集中控制信号在关门状态时，外部操作装置不起作用。
（3）塞拉门门锁。一、手动解锁。当塞拉门电气系统出现故障，无法完成控制信号输入、输出时，应当采用手动解锁的方式对塞拉门进行开关操作。二、电气控制锁闭/解锁。在电气系统运行正常情况下，电气系统控制直接控制塞拉门进行解锁/闭锁。
（4）防挤压开关。防挤压开关利用压力检测开关不断检测有无无杆气缸关门端压力。若检测开关的检测到压力，且压力大于预设的值，此时检测开关输出防挤压信号至控制系统。轨道交通列车停站或者运行速度小于五千米每小时时，正常关门的过程中，假如塞拉门遇到一百牛到一百五十牛的阻力，塞拉门自动打开。中间有十秒钟的时间用于移走阻碍物体，之后再次尝试关闭。当列车运行速度大于五千米每小时时，假如塞拉门被物体阻挡无法顺利关闭，那门将在阻挡处停止动作，等待五秒后继续尝试关闭。
（5）防挤压压力波开关。用来检测是否误夹了乘客或者其他物体。假如在关门过程中遇到了阻碍，塞拉门门板内的密封胶条气囊被压迫，触发检测开关。输出信号到门控，此时停止关门动作。等待十秒后，重新尝试关门动作。
（6）关门到位开关。检测塞拉门是否已经走完整个运行距离，两侧门是否正确合拢。通过使用行程开关来输出关门到位信号。塞拉门关门到位时，关门到位开关不接通。塞拉门打开后，关门到位开关接通。维护简便，需对开关进行调试，取下覆盖在到位开关上的防护罩对开关即可进行维护、设置。
（7）98%位置开关。安装在门总行程的98%处。当塞拉门门关闭到此位置时，信号触发，反馈至门控系统。到达此位置门控系统将忽略防挤压信号。因此在塞拉门门在剩余的2%行程内运动，防挤压功能被忽略。
 
2.3塞拉门系统工作原理
塞拉门系统的工作主要包括：塞拉门的开关、塞拉门的锁闭、塞拉门密封性能的保证、安全性能的保证。塞拉门系统的工作原理主要有以下五个方面:
（1）塞拉门的开关。轨道交通列车通过电气系统对塞门的开合动作进行控制。在电气系统无法顺利送达指令时，手动操作紧急开关控制。此操作仅在列车停站状态下可进行。
（2）塞拉门由锁头、锁勾、缸筒、活塞、活塞杆、控制风、缸闭锁气缸等部件组成锁闭装置实现锁闭动作。在塞拉门开启过程中，闭锁气缸得电，闭锁凸轮受气缸驱动进行旋转，锁闭机构被打开，最后锁勾脱下，塞拉门开启。在塞拉门进行关闭动作，气缸带动凸轮旋转，慢慢将锁合上。等塞拉门完全关上，锁勾将锁销牢牢勾住。
（3）塞拉门的手动锁闭，列车员可以从内部或外部手动将塞拉门锁闭。当塞拉门被手动锁住后，不能收到别的控制信号，始终保持关闭锁紧状态。只有列车员使用专用器具手动才能将其重新解锁。
（4）塞拉门组件上安装的密封件有一定的密封强度，可以在列车高速运行、进出隧道、两车交汇等高气压强度下保持的良好密封性能
（5）当列车停站或运行的速度低于门控系统设定的速度时，塞拉门门控系统的开门信号有效，可以进行正常开门操作。当轨道交通车辆行驶的速度大于门控系统的预设速度时，开门信号失效，车门将进行自动闭合。

第3章 塞拉门机械结构设计

3.1主流塞拉门性能分析
3.1.1外摆电控气动式塞拉门
扇门门页、金属材质框架、电动机、电气控制系统、导轨、导向轮、隔离锁、承载机构等部件构成。此类塞拉门在车门上部安装包括电机、传动装置等，为塞拉门系统工作提供动力。车门开、关时间约为5S。在扇门导轨两端装有橡胶缓冲头，因此关门过程噪音低、动作平稳。由电机带动传动装置牵引导向轮在支架内进行移动,带动扇门开/关动作。扇门门板在导轨内进行位移。此类塞拉主要由风筒、活塞、旋转锁舌、活塞杆、端盖、固定锁舌、锁定凸轮等部件完成锁闭功能，上述部件都安装在扇门侧门板。此塞拉门与上述塞拉门相同均设双重锁闭装置。此类塞拉门门扇选用良好的金属材质。门板内部通过铝蜂窝材料进行刚度的加强，因此具备的隔热、隔绝噪音的性能，强度更高。周围使用特定的密封胶条与铝合金框架契合进行密封处理。另外还加装一种空心橡胶条，进一步处理。因此密封性良好。
3.1.2博得塞拉门
此类塞拉门门系统由北京博得公司生产，是国内较为主流的塞拉门制造厂家之一。博得塞拉门与其他市面上主流的厂家制造产品，在各个系统的组成和功能方面相差无几，但是选用了截然不同的零件结构形式。博得塞拉门由驱动装置、气路系统及电控系统、扇门、扇门组件、锁闭装置、密封装置、EDCU等组成。博得门系统的将下导轨安装在扇门门页上，门页工作靠门框上的机械部件带动实现。在博得门系统工作过程中，驱动装置的得电后带动活塞，使门系统支架中的下摆臂绕定点转动。因此博得门的脚踏板可以随着塞拉门的开关而进行动作。
3.1.3康尼塞拉门
江苏康尼机电新技术公司也是国内一家较为主流的塞拉门生产厂家。其生产的塞拉门几大系统的构成和机械构造与外摆电控气动塞拉门相似，主要有以下四点不同:
(1) 康尼塞拉门的气路控制板是由门系统内所有的气动部件构成的，因此维护非常方便，在发生故障时，也能快速找到故障点，及时修复。同时在控制板内调整塞拉门开关时间也比其他类型的塞拉门控制系统更加的便捷。
(2) 康尼门与外摆电控气动塞拉门驱动系统的安装位置不同，康尼门选用与IFE不同的无杆气缸，同时车体钢结构辊式滑车的吊装结构不同。
(3) 康尼门为了使门系统的维护、检修工作更加简便，将一个装有EDCU门控器以及门系统各部件接线端子的电气箱安装在轨道交通列车车体的内端。
(4)康尼门的 隔离锁性能更加可靠，更加便于列车员操作。
综上所述，康尼门较其他类型的塞拉门维护更加方便，节约了人力成本，保证了列车运行中的低故障率。
 
3.2塞拉门传动机构设计
3.2.1设计要求
（1）从塞拉门的结构组成方面要求塞拉门结构满足乘客上下列车的安全性、舒适性、便捷性。在列车运行中保证塞拉门的密封性、低噪音、防水性、隔热阻燃性。同时保证在塞拉门维护方面做到维修简单，无需经常保养，节约人工成本等要求。从以下两个方面来实现对本次课题机械结构合理性所需的要求: 
1） 要求机械结构设计合理，各部件结合缜密，不同工况下都能正常运行、保证乘客安全、体验舒适，使用年限长。塞拉门门系统的使用时长需能满足正常开关 160000次的要求。密封组件需要实现2年内非异常开关21000次。
2） 密封性能好。选用充气式密封胶条，无论在正常气压下，或在承受恶劣工况的状态下，都必须保持良好的密封效果。
（2）在保证列车安全性和实用性的情况，要尽可能降低能耗和对门系统机械部件的损耗，因此对列车的传动系统有以下两点设计要求:
1） 整个塞拉门系统应尽量构造精简，轻量化，占空间小。
2） 塞拉门传动系统需要满足低噪音。
3.2.2传动装置选择
目前市面上投入正线运营的塞拉门多为螺杆传动的方式速比大、自锁能力好。 驱动装置驱动两侧左旋螺杆和右旋螺杆，左侧扇门和右侧扇门反向动作，实现两侧扇门同步开关。齿带传动也是当前较为主流的方式。在此是指塞拉门系统驱动装置带动齿带进行转动，齿带两端是齿带轮架，齿带夹板与齿带和左侧扇门以及右侧扇门相连。 在步进电机的驱动下，柔性齿带依靠着齿带轮使两侧扇门同时进行开关，实现同步。
（1） 螺杆传动的特点。螺杆传动的特点是让机械结构的运行方向和方式的得到改变，由螺母和螺杆构成。材质可用金属或者非金属。螺杆传动保养润滑有人工润滑或自润滑。螺杆传动在工作中速度比大、省力、能实现自锁的优点。缺陷是效率太低，能量被损耗。
（2）齿带传动的特点。柔性齿带安装在齿带轮上由电机驱动进行转动，或将自身的动力传递给其他部件。综合了多种传动方式的优点，具有传动准确、在恶劣工况下正常工作、能量损耗少、承载能力强、不易损坏、维护简单方便、低噪音、膨胀系数最小和安全性高等特点。
 
3.2.3传动方式比较
（1） 选用螺杆传动系统需要测量的数据比较精确，否则系统部件无法契合。要求加工人员具有更好的工艺水平，只允许少量误差，一旦误差过大，将对整个门系统的安装造成影响。因此螺杆传动与齿带传动相比容差率更小，加工难度更大，费用更高。而齿带传动较为节约成本，具有更好的性价比，安装调试方面也更为便捷。
（2） 在塞拉门系统中齿带传动力矩小，而螺杆传动力矩大，驱动系统要选择更为强劲。所以齿带传动只需要较小功率的驱动装置，节约占地、重量减轻、结构更为简洁。齿带系统则比较节省空间和能耗，对塞拉门系统机械结构的损耗更小，重量负担也相对减轻。
（3）在传动系统的维修保养方面，螺杆传动系统更易损耗，需要定期加入润滑油、清洗组件，每隔一年须检查部件损耗情况，更换部件。齿形传动则在维护方面相对方便，无需经常检修保养。
经过详细的对比，在安装、制造、结构、性能方面、维修保养成本方面的优缺点进行考虑，确定齿带做传动工具。
3.3 门板
本次设计中通过对比市面上的金属材料，得出铝合金材质更适合作为塞拉门门板。铝合金质量较轻，同时机械性能高，加工工艺简单，通用性更强。首先用铝合金材料焊接出的内部框架。内部填充材料由有孔铝蜂窝组成，铝蜂窝结构既保证了门系统的轻量化，又能适应工作环境。然后门板的内部框架上加装铝合金板材外壳。最后使用热固化工艺，加入结构胶使其粘合成一体。同时门框四周填充充气式密封胶条。这种门板因为采用铝蜂窝夹层结构而具有相当的强度和刚度，能满足到塞拉门扇门阻燃防水、防震动、保温性能强、隔绝外界噪音等要求。
3.4 电机
3.4.1电机的介绍
在本次设计中需要根据塞拉门的运行特性及负载特性选取最为适合的电动机。所选的电动机需要满足可靠性高、便于维护、体积小、质量相对较轻、功率充分利用的要求。
3.4.2 步进电机的选择
按照现行的常用电机，有以下三种电机选择方案
方案一: 鼠笼式异步电机。此种电机结构简单，价格低廉，维护工作量小，市面上可选用的种类繁多。但是鼠笼式电机在质量和体积，启动力矩和调速方面均有不足之处。不能满足本课题需求。
方案二: 采用伺服电机。伺服电机工作精确，适应连续高速工作，工作状态稳定，不易发烫和工作音量分贝低，响应及时，具有反馈功能。伺服电机闭环控制的特点用在塞拉门系统中能对门的运行有个即时的反馈，使控制更加精准。但缺点是使用的成本对本课题来说过大，负担过重。在本课题中无需保证高精度，因此伺服电机不适合在此使用。
方案三: 采用步进电机。步进电机。普通的步进电机虽然没有伺服电机高精度的优点，但是控制简单，成本低、质量较轻，在这里非常适合作为本次设计中驱动。
根据塞拉门行业要求，传动系统不仅要满足左右两侧扇门正常打开/关闭，还要确保两侧扇门同时动作。而步进电机具有的优点正是一个合理的新型塞拉门系统所需要的。综上所述，步进电机最为适合作为塞拉门门系统。
经过对功率，力矩，步进角度的测量和核算，110BYG350DH . 0501型 步进电机符合本课题对驱动装置的需求。
3.5承载装置设计
3.5.1国内外承载装置对比
承载装置中除齿带承受了塞拉门约百分之十的重量外，主要重量承载在塞拉门承载轴中，承受重量大约占塞拉门重量的百分之就是。因此只有保证承载轴的承载能力，才能满足塞拉门完成正常开关门动作。同时还要结合承载轴的尺寸、材料、形状，满足塞拉门系统中承载装置的质量轻，结构简便，承载能力强的要求。
在自主生产的塞拉门系统中，部分塞拉门承载装置设计的不够科学：承载装置结构过于复杂，组件繁多，重量大，承载轴不固定。如此将会带来塞拉门无法承受高速运行或进出隧道时产生的高气压的后果。这是因为承载轴未固定轴产生了位移，由于重量大带来的惯性也大。
在国外的塞拉门中，承载轴是固定，且进行了减轻材料重量的处理，
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