Low temperature adaptability of intelligent platform door system for high-peed railway
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摘要: 针对铁路站台门系统在低温环境下运行时出现结构强度减弱、运行故障率升高、甚至大面积“冻卡”等问题，提出一种能够自适应温度急剧变化的智能站台门系统设计方案：通过改变原有的门体承重结构材质，更新传动结构的形式和材质，使门体结构具备适应低温环境的能力；通过集成预热控制系统，实现站台门系统在常规与低温环境下自适应运行。已在实验室塔建了智能站台门系统并完成对该系统的试验，试验结果表明，该系统能克服极寒环境给站台门运行带来的不利影响，满足站台门系统在低温环境下的运行需求。Abstract: In view of the problems such as structural strength weakening, operation failure rate increasing, and even "freezing" in large area when railway platform door system operates in low temperature environment, this article proposed a design scheme of intelligent platform door system which could adapt to the rapid change of temperature: by changing the original material of load-bearing structure of door body, updating the form and material of transmission structure, so that the door structure has the ability to adapt to low temperature environment; through the integrated preheating control system, the platform door system could operate adaptively in normal temperature and low temperature environment. The intelligent platform door system was built in the laboratory enviroment. The test results show that the system can overcome the adverse impact of extremely cold environment on the platform door operation, and meet the operation requirements of platform door system in low temperature environment.
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站台门的应用技术已非常成熟，并广泛应用于地铁、城际项目中，由于地铁、城际线路往往“依城而建”，地域跨度不大，很少出现过大温度差，所以，目前线路运行的站台门系统均为统一的配置，未进行特殊处理。《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）第143条中对旅客站台规定：有200 km/h及以上列车通过的须设置屏蔽门、安全门等防护设施，列车通过最高速度不得超过250 km/h[1]。因此，铁路引进站台门系统是一个必然趋势。
铁路与地铁、城际线路地域范围不同，它跨度更广，运行范围更远，例如，齐海满快速铁路突破了动车组列车的最低耐寒温度−40 ℃，这条铁路的延线最低温度为−45 ℃，由此可见，铁路运营地区的环境温度不再是常规的−25 ℃～45 ℃。常规站台门的基本性能已无法满足在低温坏境下运行的需求，由于气温的急剧变化，运行中可能会出现电机启动困难、门体运行阻力增大出现遇阻、门体运行“冻卡”、控制系统失灵等现象，从而可能导致整个站台门系统瘫痪。所以，低温环境下站台门的设计参数需要调整，设计原则也需重新制定，以适应铁路的运行环境。为实现站台门系统在低温环境下的正常运行，本文提出站台门系统温度适用性概念和能够自适应温度急剧变化的智能站台门系统设计方案，从结构和控制两方面解决低温情况下结构强度低和控制系统故障的问题。
1 低温环境下站台门的结构适应性
1.1 站台门框架结构的环境温度适应性
站台门框架主要是由材质为碳素钢、不锈钢或铝合金（表面氟碳喷涂处理）、钢化安全玻璃组成的组合体，其中，承重主结构广泛采用Q235B碳素钢，此承重结构的环境适用温度为−29 ℃～343 ℃；不锈钢和铝合金材质一般应用于外修饰面，不锈钢的环境适用温度为−196 ℃～800 ℃[2]；铝合金一般的环境适用温度为−47 ℃～121 ℃，但是铝合金经过调节其中某些微量金属元素含量后，适用低温可达到−183 ℃；钢化安全玻璃的环境适用温度为−74 ℃～280 ℃，从以上框架材质特性可知：除常用的承重结构碳素钢Q235B不能满足低温环境，其他材质均能满足低温环境的要求。
对于碳素钢Q235，由于冲击温度不同，以及材料中微量元素含量的不同，又细分为Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q235E，其材料的冷脆性能也有所不同，Q235A→Q235E，冷脆性能逐渐增强，因此，采用Q235E材质更能适应低温的环境。
1.2 站台门传动系统环境温度适应性
站台门核心传动系统由动力传动机构和导向机构组成。
1.2.1 动力传动机构
动力传动机构形式又分为同步带轮和齿轮齿条两种，这两种传动机构均不需要润滑脂进行润滑，但是材质温度的敏感度却有很大不同。
（1）同步带轮结构
同步带轮主要材质为橡胶和碳钢，橡胶对于温度的敏感度较高，一般橡胶材质当温度低至−25 ℃时，会出现硬度、脆性增加的特点，从而出现皮带打滑、脱皮、断裂等现象。汽车行业针对橡胶同步带进行了深入研究[3]，采用一些处理方式后，橡胶的适用温度能达到−40 ℃，但是，若要能适应更低的温度则比较困难，低温橡胶同步带与普通同步带的性能参数要求如表1所示。
表 1 低温、普通同步带性能参数性能参数 低温同步带 普通同步带 拉伸强度/MPa ≥18 ≥12 拉断伸长率/% ≥400 ≥200 邵尔A型硬度/HA 70±4 68±4 热老化条件 150 ℃X72h 120 ℃X48h 性能变化率/% ＜10 ＜15 使用温度范围/℃ −40～150 −30～120 由表1数据可知，低温环境下站台门若采用同步齿轮带传动，需要付出较多成本，效果也会受工艺的限制。
（2）齿轮齿条结构
齿轮齿条材质为高强度钢，钢材可选择的种类较多，选择对于环境温度的敏感度不高、可以耐受低温环境的低温钢材[4]，通过特定工艺后，可容易地达到低温应用环境要求。目前，较常用于齿轮齿条的42CrMo钢[5]的韧脆转变温度约为−50 ℃，能较好地满足铁路站台门的低温环境应用要求。
综上所述，站台门动力传动机构在低温环境下应选择齿轮齿条结构的传动方式，且此传动方式具有终身免维护性，减少了设备后期维护工作。
1.2.2 导向机构
导向机构形式又分为滑块直线导轨和滚轮直线导轨两种，其中，滑块直线导轨需要润滑脂进行润滑，滚轮直线导轨无需润滑脂。
（1）滑块直线导轨结构
滑块直线导轨由于需要使用润滑脂而限制了使用的环境温度，目前，市面上有两种润滑脂：a. 应用于标准环境的润滑脂，使用温度一般为−25 ℃～160 ℃；b. 应用于低温环境的润滑脂，使用温度一般为−45 ℃～160 ℃。随着温度降低，润滑脂结构强度增大，流变特性复杂，进而导致润滑脂输送困难[6]。此外环境灰尘对于润滑脂也有很大的影响，很多润滑脂的应用场合会因为环境灰尘太大，导致滑块直线导轨运行出现滑块注油障碍，甚至出现滑块损坏的情况，由此可知，滑块直线导轨对于环境要求较高。
（2）滚轮直线导轨结构
滚轮直线导轨不使用润滑脂，是否适应低温环境完全取决于滚轮的材质，故滚轮材质是适用低温环境的关键因素。滚轮材质一般采用单体浇铸（MC，Monomer Casting）尼龙[7]，属于尼龙6，未改性的尼龙6拥有强度高、刚度高、硬度高，抗蠕变，耐磨，耐热老化等特性，但是韧性和疲劳性不够理想，改性的尼龙6则克服了其缺点，在原来特性的基础上拥有高韧性和耐疲劳性，且成本较低，工业上常将其用作齿轮齿条的材料。因此，将改性的尼龙6选作导向材质非常适合[8-9]。
MC尼龙具有自润滑、可塑性强等特性，通过改变其成分含量可得到不同性质的工程塑料，其低温适应性问题已经解决，目前，广泛应用于工程项目的材质环境适用温度为−45 ℃～120 ℃，通过调整内部物质含量，低温适应性会更好，甚至能达到超低温的状态，所以采用MC尼龙材质的滚轮式结构是低温环境下的更佳选择。
滚轮传动结构如图1所示。
滚轮结构一般采用注塑成型，很多复合材料的综合性能也非常好，且冷脆性不明显，能较好地适应低温的应用环境[10-12]，这也为后期站台门的应用材料和设置结构提供了很大的开发空间，更有利于站台门的发展。
综上所述，导向机构采用滚轮直线导轨结构更适用于低温环境下门体系统。
2 低温环境下站台门的控制系统智能适应性
为保证站台门在低温环境下的正常运行，低温环境下的站台门控制系统由常规站台门控制系统和站台门预热系统组成，可采用手动和自动两种控制模式。常规站台门控制系统主要包括电机、门锁、门控单元及监控中心。
门控单元低温控制逻辑关系是反映门体智能性的一个重要的指标，采用闭环式低温控制逻辑，如图2所示。
预热控制系统使常规站台门控制系统运行在合适的环境温度，具有集中控制、无级调温及回差控制、远程监控、数据采集冗余控制等功能。
2.1 集中控制
站台控制器通过通过现场总线集中控制技术，对站台门系统各门机系统（包括预热控制系统）实施集中控制，可采用双向数字通信，将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能，集中到站台控制器统一管理。
2.2 无级调温及回差控制
采用经典比例积分微分（PID，Proportion Integration Differentiation）智能控制算法。通过PID控制参数设置，有效减少起始时的超调量；通过程序算法编写，实现温度回差控制；当温度在报警值周围回差内波动变化时，控制器输出不会反复跳变，减少对控制设备及加热装置的损害。
2.3 远程监控
通过现场总线RS485接口，采用Modbus通信协议，实现对预热系统工作参数远程录入，对加热回路实时监测，实现事故报警、运行数据自动存储和调用，并可将预热系统状态上传到监控中心[13]，保证加热装置可靠运行。
2.4 数据采集冗余控制
门控单元采集站台门关键部件的温度信息，并制定出最佳控制策略、预热系统启停逻辑，实现温控系统的冗余容错控制。
3 结束语
常规站台门系统在铁路领域难以适应低温环境，制约了站台门在铁路行业的推广和应用，针对低温环境问题，本文提出站台门系统温度适用性概念和能够自适应温度急剧变化的智能站台门系统设计方案。
（1）智能站台门要适应低温的应用环境，必须根据地域分别设计。常规地带，承重结构可选择经济型较好的Q235B碳素钢；低温地带，承重结构采用冷脆性较低的Q235E碳素钢；
（2）传动结构采用齿轮齿条传动与滚轮式导向组合体，在适应低温环境的同时，又能兼顾经济成本；
（3）控制系统采用常规、低温两种控制模式，环境温度的分界点建议为−25 ℃，常规模式时，执行常规控制方式；低温模式时，控制系统配有低温预热系统，其低温转化控制功能能够根据环境温度自动切换到低温模式；
（4）智能站台门系统的低温适应性问题，需要结构和控制的相互配合才能完美解决。
目前， 在实验室环境下塔建了智能站台门系统并完成对该系统的试验，试验结果表明，该系统能克服极寒环境给站台门运行带来的不利影响，满足站台门系统在低温环境下的运行需求。
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表 1 低温、普通同步带性能参数
性能参数 低温同步带 普通同步带 拉伸强度/MPa ≥18 ≥12 拉断伸长率/% ≥400 ≥200 邵尔A型硬度/HA 70±4 68±4 热老化条件 150 ℃X72h 120 ℃X48h 性能变化率/% ＜10 ＜15 使用温度范围/℃ −40～150 −30～120 
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