地铁车辆客室塞拉门旋转立柱转臂故障分析与结构优化

　　摘 要：针对某地铁车辆在运营及检修中出现的客室塞拉门旋转立柱转臂开裂问题，从驱动机构运动学行为机理和结构设计合理性两方面对故障原因进行分析。针对故障原因，分析指出旋转立柱转臂最佳起始角度 14°为关键尺寸位置，该角度有效保证了门扇开闭前后连接部件长度一致。从结构受力角度进一步优化转臂结构，在不影响结构整体功能的前提下，应力集中问题得到很大改善，局部应力降低 57%，有效提高了结构强度及使用寿命。

　　关键词：地铁车辆;塞拉门;旋转立柱转臂;运动学;结构优化

　　0 引言

　　塞拉门具有外转幅度小，开启、关闭时间短，密封性能好等特点，广泛用于地铁和城市车辆。由于此类机械结构相对复杂，安装调整部位较多，开关门难度高于其他内藏门、外挂门，故障率也因此较高。此外地铁车辆客室开关门频率高，门扇数量多，在长期运行过程中结构装配位置容易出现松动移位，同时由于检修空间小，细微故障不易发现，导致薄弱零部件经常损坏。

　　根据现有文献及地铁运营部门相关故障案例，地铁车辆客室塞拉门故障主要表现为旋转立柱转臂与门扇干涉接触摩擦，旋转立柱导向轮脱落破裂，锁闭弯连杆开口销脱落。李建明[1]针对客室塞拉门旋转立柱导向轮破裂故障提出改进措施，刘开勇[2]改进塞拉门锁闭弯连杆结构后，锁闭转轴开口销脱落故障率明显降低。针对此类结构存在的普遍性问题，以某地铁车辆客室塞拉门为研究对象，针对旋转立柱转臂导向轮连接处在运营及检修中出现的焊缝裂纹断裂失效现象，从运动学行为机理和结构设计合理性两方面分析故障原因，从结构受力角度优化转臂结构，确定旋转立柱转臂最佳起始位置及相关结构部件尺寸关系，在不影响整体功能的前提下，改善应力集中问题，进一步提高结构强度和使用寿命，为实际运用维护提供参考。

　　1 驱动机构组成

　　地铁车辆客室塞拉门驱动机构组成如图1所示，通过吊架组成与车体连接，系统驱动装置为中置直流驱动电机，拉杆组成-锁闭弯连杆-旋转立柱转臂联动实现门扇外塞和内拉运动。辊式滑车组成起到连接和承载门扇重量作用，齿带传动辊式滑车带动门扇实现与列车外壁平行的横向动作。

　　2 故障现象

　　车辆客室塞拉门旋转立柱转臂原始结构如图2a所示，转臂上部连接轴与下部导向轮同轴心，由于在运营过程中相关连接部件频繁故障，经分析发现旋转立柱转臂结构连接轴与导向轮同轴心导致锁闭弯连杆开关门前后长度不一致，将此关键转臂部件优化为当前结构如图2b所示，上下两部件偏心6.2 mm后，故障率明显降低。

　　地铁运营部门对当前转臂结构在运营寿命周期内检修时发现，旋转立柱上转臂导向轮连接处焊缝出现裂纹甚至断裂失效现象，导向轮与门导轨严重挤压磨损，开关门阻力增大。裂纹位于上转臂与焊接组成的接合处，起始于焊缝内侧端部并沿周向扩展，裂纹位置如图3所示。

　　3 驱动机构运动故障分析

　　3.1 运动原理

　　门扇运动过程如图4所示，在门扇关闭状态(图4a)，锁闭转杆与锁闭弯连杆处于过死点位置，系统处于锁闭状态;在门扇开启动作中，电机旋转架推动拉杆组成，锁闭转杆越过死点位置，锁闭弯连杆推动旋转立柱转臂向外摆动，在外摆运动中(图4b)辊式滑车连接组成的导向轮在机构导轨的圆弧段滑动，锁闭转杆到达限位后，门扇外摆运动过程结束;电机转子开始转动，辊式滑车组成带动门扇实现与列车外壁平行运动，此时辊式滑车连接组成的导向轮在机构导轨直线段平行滑动(图4c);在每个门扇的框架侧面固定安装有旋转立柱，旋转立柱上下端部焊接转臂，锁闭弯连杆通过转臂上端部连接轴推动转臂以立柱为轴心的圆弧运动，转臂下部导向轮在门扇导轨内运动，通过转臂使两扇门的外摆运动同步，保证锁闭力传递给门扇。

　　3.2 故障原因

　　从塞拉门驱动机构运动机理对故障原因进行分析，机构运动关系如图5所示：其中o为旋转立柱固定支座，p为锁闭转杆固定支座，在此四杆机构中，a为锁闭转杆，b为锁闭弯连杆，c为旋转立柱转臂，进一步对驱动机构定位尺寸、相对位置以及运动关系进行对比分析。

　　如图5a所示，旋转立柱转臂c的上连接轴与下部导向轮同心，旋转立柱转臂为67.5 mm，机构从abc位置运动至a′b′c′位置，运动前后锁闭弯连杆长度应为恒定值。对连杆机构开启和锁闭过程模拟分析，得出車门锁闭状态下，锁闭弯连杆b长度为255.6 mm，小于车门开启状态长度258.3 mm，致使车门开启时旋转立柱转臂外摆动量小于 56 mm，车门在开启状态时锁闭弯连杆受到较大的拉力。在锁闭状态，锁闭弯连杆长度偏小，车门锁闭时锁紧力较大，旋转立柱上转臂导向轮与导轨挤压力变大，导向轮提前破损、导轨严重变形。

　　鉴于此分析，地铁相关部门对驱动机构进行了如图5b所示的优化。旋转立柱转臂连接轴与导向轮焊接组成的偏心量为 6.2 mm ，保证锁闭弯连杆在门扇开启前后长度基本一致的要求：锁闭时为 254.3 mm，开启时为254.5 mm。通过进一步分析发现图5b所示结构旋转立柱转臂的理论轨迹应为n弧线，为保证门扇外摆尺寸56 mm恒定值，旋转立柱转臂实际轨迹为m弧线，门扇在开启和锁闭状态下旋转立柱转臂长度不一致，门扇开启后比闭合时大2.5 mm，因此转臂下部导向轮会受到较大拉力被强迫向外拉伸2.5 mm，此状态将直接导致转臂下部导向轮连接处焊缝拉应力过大，导向轮异常受力、磨损，焊缝出现裂纹甚至断裂失效、导向轮脱落故障的发生。

　　为使旋转立柱转臂、锁闭弯连杆在门扇开闭前后长度一致，门扇外摆56 mm，优化机构各部件最佳尺寸关系及运动轨迹如图5c所示：在门扇锁闭状态下，旋转立柱转臂与水平线夹角为14°，开启过程中锁闭转杆旋转95°到达限位处，此时旋转立柱转臂转动76°，门扇被向外推出56 mm。此状态下锁闭弯连杆门扇锁闭时长度为252.1 mm，门扇开启后为252 mm。

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