摘  要: 地铁车辆的车门系统主要由驱动系统、传动系统及制动系统三大部分组成，国内各大城市地铁系统所使用的车门系统类型多样，其制动系统也各具特点。由于车门制动系统的制动方式、稳定性及可靠性在很大程度上决定了列车运营的安全性，因此对其典型故障进行了分析研究，并提出了有效的维护建议。

关键词: 地铁车辆; 无源制动器; 机械锁闭; 凸轮磨损

 

      广州地铁四、五号线使用的是塞拉门系统，其制动方式采用了纯机械的锁闭装置———无源制动器，这种锁闭装置最大的优点是实现了车门开门运动的全程锁闭功能，即在非车门紧急解锁的情况下，车门运动到任意开度都能够实现单向( 开门方向) 锁闭，锁闭后门页无法继续打开，只能往关门方向单向运动，直至车门完全关闭^［1］。与其他设备相比，这种锁闭装置极大地提高了列车在正线运营的安全性，但由于其内部结构复杂、机构精密，长期频繁工作很容易出现机械故障。

 

      在车门系统中，驱动电机通过带动丝杆转动传递开关门的力，丝杆左右两边螺纹相反，使两个门页进行相对运动，同时门页上方滑道限定了车门运动方向，使车门开关门过程完成了塞拉动作。无源制动器安装在驱动电机与丝杆之间，通过控制丝杆的单向转动，从而完成车门的锁闭功能。车门驱动机构原理图如图 1 所示。

      图 1 车门驱动机构原理无源制动器主要由拨盘、预紧弹簧、预紧销、滚柱、凸轮和外环套筒组成，凸轮圆弧经过切面处理，其表面与外环套筒表面切线形成了一个楔角 α( 见图 2) ，无源制动器就是利用凸轮、滚柱和外环套筒三者之间存在的楔角关系形成摩擦制动从而产生制动力的。

      制动器内部机构组合如图 3 所示，在车门系统中，拨盘轴与驱动电机联接，凸轮轴与丝杆机构联接，未解锁情况下，外环套筒被闸体外齿盘固定( 见图 4) ，此时外环套筒无法转动。以下分析制动器在4 种车门运动状态中的工作机理:

      ( 1) 当列车电动关门时，驱动电机带动拨盘沿ω 方向( 顺时针) 旋转，滚柱在凸轮与外环套筒的摩擦力作用下同时克服预紧弹簧的张力，被推至释放区( 凸轮与外环套筒间隙较大区域) ，此时拨盘与凸轮可以顺时针自由转动;

      ( 2) 当列车电动开门时，驱动电机带动拨盘沿ω 相反方向旋转，此时拨盘将滚柱推至释放区，拨盘通过滚柱带动凸轮转动，直至车门全部关闭;

      ( 3) 当列车手动关门时，列车在零速情况下，车门驱动电机不工作，丝杆带动凸轮轴沿 ω 方向旋转，滚柱受拨盘阻力被推至释放区，此时凸轮通过推动滚柱带动拨盘一起转动，直至车门完全关紧;

      ( 4) 当列车手动开门时，丝杆带动凸轮轴沿 ω相反方向旋转，圆柱在预紧弹簧的弹力作用下，被推至楔紧区( 凸轮与外环套筒间隙较小区域) ，最后凸轮、滚柱和外环套筒三者抱死，无法转动，至此列车实现了车门开门锁闭。通过手动解锁可以解除开门锁闭状态，手动解锁后，外环套筒与齿盘分离( 见图4) ，凸轮、滚柱带动外环套筒一起转动，此时可以手动开关门。

      综上所述，在车门系统中，当电机为驱动端时，无论车门是否紧急解锁，都不会影响电机正反转和正常开关门运动; 当手动推拉车门，丝杆为驱动端时，车门只能向关门方向运动，且关到任意位置即刻锁闭，锁闭后车门无法继续打开。

 

      广州地铁塞拉门系统最典型的故障是制动器故障引起的无法手动关门，具体表现为: 列车在库内静态检修时，手动关门到位后，门页立即弹开 50 mm左右的缝隙; 而正常情况下，门关到位后制动器即刻完成锁闭，门页之间不会存在缝隙。

      ( 1) 广州冬季的平均气温为 8 ～15℃，车门门页的护指胶条和螺母副缓冲圈等缓冲部件受环境温度影响出现硬化，手动关门时制动器所承受的冲击增大，因此制动器无法及时锁闭，导致门页弹开。

      ( 2) 与电动关门相比，手动关门因无法施加持续的关门有效力，导致车门关闭时制动器所受冲击比电动关门时大，这是部分车门在电动关门正常的情况下，手动关门车门弹开的主要原因。

      车门护指胶条和螺母副缓冲圈等橡胶缓冲部件的硬化会对手动关门造成一定影响，但究其主要原因是制动器内部机构出现了故障( 见图 5) 。

      手动关门制动器锁闭原理分析: 手动关门过程中，丝杆带动凸轮沿 ω 方向旋转，拨盘受凸轮推动同时旋转，两门页关闭、撞击后，门页受反作用力，丝杆带动凸轮立刻反转，此时滚柱瞬间从释放区移动至楔紧区( 见图 6) ，滚柱区域转换的绝对距离只有2 ～ 3 mm，因此丝杆反转、门页弹开距离几近于零，于是可认为门页关闭的同时即刻完成锁闭，门页关闭时的反作用力与制动器产生的摩擦力相抵消。

      如果关门后制动器反转，滚柱受故障影响，与外环套筒之间出现相对滑动，导致其无法及时完成从释放区至楔紧区的位置转换，此时制动距离被延长，制动器无法瞬间锁闭，因此车门会受关门后的反作用力弹开一段距离。造成上述影响的具体原因分析如下:

      ( 1) 预紧销卡滞。通过检查供货商提供的制动器发现，由于凸轮上的预紧销安装孔未经打磨处理，其内表面粗糙，大大增加了预紧销在伸缩运动时所受到的摩擦力。模拟预紧销过度压紧的情况时发现，部分预紧销会出现卡滞，无法正常完成预紧销推动滚柱至楔紧区的动作。此外，预紧弹簧十分脆弱，容易受销孔摩擦力影响导致弯曲变形;

      预紧销和预紧弹簧的性能状况直接影响到制动器的锁闭状态，弹簧的复位力过大，可能会出现锁闭过于可靠而无法解锁现象; 复位力小，则会出现因其他原因导致的机械阻力增加时弹簧无法正常复位的现象。但整个制动机构包含了 8 个滚柱、预紧销及预紧弹簧，单个预紧弹簧出现故障不足以影响整体制动效果，因此由预紧弹簧引起的故障可能性较小;

      ( 2) 润滑脂老化。制动器内部润滑脂在使用寿命周期出现老化，在低温下很容易凝固聚集，从而对预紧销和滚柱的运动产生阻塞作用，使预紧弹簧无法复位并推动圆柱滚子进入锁闭位置^［2］。针对这种情况，现场尝试用热风枪对制动器外表面加热，促使凝固润滑脂融化，效果立竿见影，但冷却后又出现同样故障。因此油脂问题是造成制动器锁闭失效的重要因素之一，针对此情况，广州地铁公司已要求供货商进行油脂换型，目前已用 NPC DM － 30T 润滑脂( +45 ～ －25℃) 替代原用的长城长效润滑脂，并进行了试验改造;

      ( 3) 凸轮面磨损及外环套筒套筒椭圆度误差^［3］。拆解故障制动器发现，凸轮的摩擦面磨损较为严重( 见图 7) ，这将使楔角 α 发生变化，导致滚柱在预定的制动点不能制动，这样丝杆联轴就会反方向旋转一定的角度后，在下一对制动点进行制动，导致车门关闭后弹开一段距离。另外，制动器外环套筒的椭圆度误差也会导致车门出现上述情况，此偏差在工艺上较难控制，偏差不会单独对制动距离造成明显的影响。在设计中，楔角是制动器产生制动力大小、控制有效制动的一个关键参数，因此凸轮磨损和制造工艺精度的误差，是造成手动关门后弹开一段距离的根本原因。

      在无源制动器内部机构中，最容易出现磨损的是凸轮的切面，而楔角是制动器有效制动的一个关键参数，因此在检修作业中应该注意控制手动的开关门力度，减少人为因素给制动器带来的冲击磨耗。定期更换制动器润滑脂，能有效降低冬季发生的制动器故障，鉴于制动器拆装的工艺复杂，建议采用品质性能更优良的制动器润滑脂，延长使用周期，降低制动器故障率。

 

［1］谢志平． 广州地铁 4 号线塞拉门的故障与检修［J］． 现代城市轨道交通，2009( 3) : 55 －57．

［2］刘泽九，贺士荃，刘晖． 滚动轴承应用［M］． 北京: 机械工业出版社，2007．

［3］卜炎． 实用轴承技术手册［M］． 北京: 机械工业出版社，2003． □