地鐵車輛客室塞拉門旋轉立柱轉臂故障分析與結構優化

　　摘 要：針對某地鐵車輛在運營及檢修中出現的客室塞拉門旋轉立柱轉臂開裂問題，從驅動機構運動學行為機理和結構設計合理性兩方面對故障原因進行分析。針對故障原因，分析指出旋轉立柱轉臂最佳起始角度 14°為關鍵尺寸位置，該角度有效保證了門扇開閉前后連接部件長度一致。從結構受力角度進一步優化轉臂結構，在不影響結構整體功能的前提下，應力集中問題得到很大改善，局部應力降低 57%，有效提高了結構強度及使用壽命。

　　關鍵詞：地鐵車輛;塞拉門;旋轉立柱轉臂;運動學;結構優化

　　0 引言

　　塞拉門具有外轉幅度小，開啟、關閉時間短，密封性能好等特點，廣泛用于地鐵和城市車輛。由于此類機械結構相對復雜，安裝調整部位較多，開關門難度高于其他內藏門、外掛門，故障率也因此較高。此外地鐵車輛客室開關門頻率高，門扇數量多，在長期運行過程中結構裝配位置容易出現松動移位，同時由于檢修空間小，細微故障不易發現，導致薄弱零部件經常損壞。

　　根據現有文獻及地鐵運營部門相關故障案例，地鐵車輛客室塞拉門故障主要表現為旋轉立柱轉臂與門扇干涉接觸摩擦，旋轉立柱導向輪脫落破裂，鎖閉彎連桿開口銷脫落。李建明[1]針對客室塞拉門旋轉立柱導向輪破裂故障提出改進措施，劉開勇[2]改進塞拉門鎖閉彎連桿結構后，鎖閉轉軸開口銷脫落故障率明顯降低。針對此類結構存在的普遍性問題，以某地鐵車輛客室塞拉門為研究對象，針對旋轉立柱轉臂導向輪連接處在運營及檢修中出現的焊縫裂紋斷裂失效現象，從運動學行為機理和結構設計合理性兩方面分析故障原因，從結構受力角度優化轉臂結構，確定旋轉立柱轉臂最佳起始位置及相關結構部件尺寸關系，在不影響整體功能的前提下，改善應力集中問題，進一步提高結構強度和使用壽命，為實際運用維護提供參考。

　　1 驅動機構組成

　　地鐵車輛客室塞拉門驅動機構組成如圖1所示，通過吊架組成與車體連接，系統驅動裝置為中置直流驅動電機，拉桿組成-鎖閉彎連桿-旋轉立柱轉臂聯動實現門扇外塞和內拉運動。輥式滑車組成起到連接和承載門扇重量作用，齒帶傳動輥式滑車帶動門扇實現與列車外壁平行的橫向動作。

　　2 故障現象

　　車輛客室塞拉門旋轉立柱轉臂原始結構如圖2a所示，轉臂上部連接軸與下部導向輪同軸心，由于在運營過程中相關連接部件頻繁故障，經分析發現旋轉立柱轉臂結構連接軸與導向輪同軸心導致鎖閉彎連桿開關門前后長度不一致，將此關鍵轉臂部件優化為當前結構如圖2b所示，上下兩部件偏心6.2 mm后，故障率明顯降低。

　　地鐵運營部門對當前轉臂結構在運營壽命周期內檢修時發現，旋轉立柱上轉臂導向輪連接處焊縫出現裂紋甚至斷裂失效現象，導向輪與門導軌嚴重擠壓磨損，開關門阻力增大。裂紋位于上轉臂與焊接組成的接合處，起始于焊縫內側端部并沿周向擴展，裂紋位置如圖3所示。

　　3 驅動機構運動故障分析

　　3.1 運動原理

　　門扇運動過程如圖4所示，在門扇關閉狀態(圖4a)，鎖閉轉桿與鎖閉彎連桿處于過死點位置，系統處于鎖閉狀態;在門扇開啟動作中，電機旋轉架推動拉桿組成，鎖閉轉桿越過死點位置，鎖閉彎連桿推動旋轉立柱轉臂向外擺動，在外擺運動中(圖4b)輥式滑車連接組成的導向輪在機構導軌的圓弧段滑動，鎖閉轉桿到達限位后，門扇外擺運動過程結束;電機轉子開始轉動，輥式滑車組成帶動門扇實現與列車外壁平行運動，此時輥式滑車連接組成的導向輪在機構導軌直線段平行滑動(圖4c);在每個門扇的框架側面固定安裝有旋轉立柱，旋轉立柱上下端部焊接轉臂，鎖閉彎連桿通過轉臂上端部連接軸推動轉臂以立柱為軸心的圓弧運動，轉臂下部導向輪在門扇導軌內運動，通過轉臂使兩扇門的外擺運動同步，保證鎖閉力傳遞給門扇。

　　3.2 故障原因

　　從塞拉門驅動機構運動機理對故障原因進行分析，機構運動關系如圖5所示：其中o為旋轉立柱固定支座，p為鎖閉轉桿固定支座，在此四桿機構中，a為鎖閉轉桿，b為鎖閉彎連桿，c為旋轉立柱轉臂，進一步對驅動機構定位尺寸、相對位置以及運動關系進行對比分析。

　　如圖5a所示，旋轉立柱轉臂c的上連接軸與下部導向輪同心，旋轉立柱轉臂為67.5 mm，機構從abc位置運動至a′b′c′位置，運動前后鎖閉彎連桿長度應為恒定值。對連桿機構開啟和鎖閉過程模擬分析，得出車門鎖閉狀態下，鎖閉彎連桿b長度為255.6 mm，小于車門開啟狀態長度258.3 mm，致使車門開啟時旋轉立柱轉臂外擺動量小于 56 mm，車門在開啟狀態時鎖閉彎連桿受到較大的拉力。在鎖閉狀態，鎖閉彎連桿長度偏小，車門鎖閉時鎖緊力較大，旋轉立柱上轉臂導向輪與導軌擠壓力變大，導向輪提前破損、導軌嚴重變形。

　　鑒于此分析，地鐵相關部門對驅動機構進行了如圖5b所示的優化。旋轉立柱轉臂連接軸與導向輪焊接組成的偏心量為 6.2 mm ，保證鎖閉彎連桿在門扇開啟前后長度基本一致的要求：鎖閉時為 254.3 mm，開啟時為254.5 mm。通過進一步分析發現圖5b所示結構旋轉立柱轉臂的理論軌跡應為n弧線，為保證門扇外擺尺寸56 mm恒定值，旋轉立柱轉臂實際軌跡為m弧線，門扇在開啟和鎖閉狀態下旋轉立柱轉臂長度不一致，門扇開啟后比閉合時大2.5 mm，因此轉臂下部導向輪會受到較大拉力被強迫向外拉伸2.5 mm，此狀態將直接導致轉臂下部導向輪連接處焊縫拉應力過大，導向輪異常受力、磨損，焊縫出現裂紋甚至斷裂失效、導向輪脫落故障的發生。

　　為使旋轉立柱轉臂、鎖閉彎連桿在門扇開閉前后長度一致，門扇外擺56 mm，優化機構各部件最佳尺寸關系及運動軌跡如圖5c所示：在門扇鎖閉狀態下，旋轉立柱轉臂與水平線夾角為14°，開啟過程中鎖閉轉桿旋轉95°到達限位處，此時旋轉立柱轉臂轉動76°，門扇被向外推出56 mm。此狀態下鎖閉彎連桿門扇鎖閉時長度為252.1 mm，門扇開啟后為252 mm。

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