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摘要：本文介绍了轨道车辆门系统中的一种全程锁闭装置的动作原理，并依据其动作原理研究出了一种驱动平稳、关闭可靠的控制方式。
关键词：轨道车辆门系统；全程锁闭装置；控制要求及策略
1.前言（与引言部分合并）
轨道车辆自动门系统是地铁或轻轨列车上供乘客上下列车的门系统，全程锁闭装置是自动门系统的关键重要部件，其锁闭功能是实现列车行驶过程中门系统被机械锁闭，从而防止乘客跌落车外造成伤亡安全事故。全程锁闭装置以其较高的安全性和可靠性以及较强的环境适应性成为自动门系统锁闭装置中优选部件之一，并且有着举足轻重的地位。
全程锁闭装置是轨道车辆自动门系统的一种锁闭装置，这种锁闭装置基于摩擦制动原理，利用扭簧与芯轴的配合实现丝杆轴的正转超越传动和反转制动，并结合单向传动技术实现电机轴反转传动。
基于摩擦制动原理的扭簧式全程锁闭装置，其关键核心零件是扭簧。全程锁闭装置的制动原理是通过芯轴沿扭簧旋向的反方向转动实现单向制动，传动原理则是通过芯轴沿扭簧旋转方向转动实现超越，并利用差动和单向传动技术来控制扭簧以实现主动轴沿扭簧旋向的反方向传动。
从扭簧式全程锁闭装置的动作原理可知，其关键核心零件扭簧为弹性元件，弹性元件在实现快速制动时会存在瞬间弹性打滑，这就会对轨道车辆自动门系统的密封性有较大的影响，这就需要在自动关门时增加特殊控制，以避免这一现象。
2.35D全程锁闭装置功能及工作原理
2.1门系统中的35D全程锁闭装置
图2-1是门系统原理图，门系统中全程锁闭装置连接着动力源电机和执行部件丝杆和门系统，实现传动和锁闭功能。
2.235D全程锁闭装置功能
35D全程锁闭装置是指部件为35D的锁闭装置。35D全程锁闭装置在门系统中集传动和锁闭于一体，其功能为在任何位置门扇只可以被手动关闭，无法被手动打开。
图2-1中，主锁闭装置即为35D全程锁闭装置，门控系统发出开关门指令，电机得电正反转动，通过连接装置带动主锁闭装置，主锁闭装置带动丝杆正反转动，通过螺母将转动转化为左、右门扇的平移运动，进而实现电动开关门。在门控系统未发出开关门指令时，电机不得电，此时门扇只可以被手动关闭，但不能被手动打开。
2.3 35D全程锁闭装置原理
全程锁闭装置是通过扭簧和芯轴的配合以及差动和单向传动技术来实现全程锁闭的功能，因此对其总体结构进行简化，其简化模型如图3-1所示，其中扭簧内径小于固定轴和丝杆连接轴外径，扭簧为右旋扭簧。
如图3-1所示，当丝杆连接轴沿逆时针转动时，扭簧受到丝杆连接轴对其施加的摩擦力使得扭簧圈数增加，扭簧圈数增加，内径变小，因此扭簧将抱死丝杆连接轴以禁止其产生传动趋势。将丝杆连接轴逆时针转动方向定为开门方向，即实现了在任意角度，丝杆连接轴都不能逆时针转动的全程锁闭功能。
当丝杆连接轴沿顺时针转动时，扭簧受到丝杆连接轴对其施加的摩擦力使得扭簧圈数减少，扭簧圈数减少，内径变大，因此扭簧将松开对丝杆连接轴的抱紧。因此丝杆连接轴将可以顺时针转动。这就是手动可以将车门关上的传动功能。
由于扭簧抱紧丝杆连接轴，因此在逆时针转动时，丝杆连接轴不能与扭簧产生相对转动，但可以按照图3-1所示，在电机连接轴直接驱动丝杆连接轴之前，先通过拨抓拨动扭簧转动来实现扭簧与丝杆连接轴同步逆时针转动的电动传动功能，因此就是实现了电动开门。为保证在车辆加速、减速以及冲击、振动环境下，图3-1中的拨抓不会出现主动拨动扭簧而意外解锁，在拨抓与扭簧之间设置了约44.3°的空行程角度，因此在电动开门前，要先转过这一空程角，然后再拨动扭簧实现开门。
3.35D全程锁闭装置故障模式及原因分析
3.1 35D全程锁闭装置故障模式分类
35D全程锁闭装置在改造项目广4/5号线、南京1/2号线以及新项目南京3/10号线、宁天城际的使用情况来看，其主要有三种故障模式，其分别为开门防挤压、开门卡滞以及未经许可离开关门位置故障，其失效模式和原因也不相同。
3.2 开门防挤压
3.2.1开门防挤压现象及原因分析
这一故障主要出现在广州4/5号线项目上，其表现为车门刚打开约20mm时，车门无法再继续打开。
根据故障发生的概率来看，开门防挤压目前属偶发且不易复现的故障，即车门当前发生开门防挤压后，再次开门时故障不再出现。
由35D全程锁闭装置的电动开门原理可知，电动开门前，电机连接轴会先转过约44.3°的空行程角度，如果电机连接轴带动拨抓接触扭簧之前，电机连接轴就驱动了丝杆连接轴，电机将无法带动丝杆连接轴逆时针转动，这是因为丝杆连接轴被扭簧抱死而不能与扭簧产生相对转动。
根据开门防挤压的故障现象来看，车门已经打开了20mm，但无法继续打开。这说明了在车门运动行程0～20mm范围内，电机通过拨抓拨动了扭簧，扭簧与丝杆连接轴同步运动并打开了20mm。在20mm以外的范围，电机无法继续开门，这就说明要么电机输出力矩较小，要么35D全程锁闭装置解锁所需的空行程角度44.3°被消耗，根据对开门防挤压车门的电机输入电流和扭矩输出来看，当出现防挤压时，电机的电流输入和扭矩输出远远高于正常开门过程中的电流和扭矩，因此产生开门防挤压的原因就是在持续开门的过程中，解锁空行程角度443°被机械消耗掉。根据门系统传动间隙可知，丝杆和塑料螺母之间存在一定的间隙，如图3-2所示。
图3-2中，丝杆和螺母之间存在不可避免的间隙，不论是初始状态的丝杆和螺母还是使用了一段时间的丝杆和螺母。
假设开门为门扇向右运动，电机带动35D全程锁闭装置，全程锁闭装置带动丝杆转动，然后驱动螺母使得门扇向右运动。在开门的起始阶段如图3-2a所示，电机持续给定电流输出扭矩并驱动丝杆沿开门方向运动，如果电机在开门的起始阶段给定的电流和速度较高，此时门扇就会以较高的速度沿开门方向运动，一旦电机规定的电流和速度产生衰减，那么丝杆的转速就会产生衰减，但由于丝杆与螺母之间间隙的存在，门扇速度则以原速度继续沿开门方向运动，因此螺母与丝杆的位置就变为了如图3-2b所示的情况，螺母与丝杆右侧螺旋槽撞击后试图驱动丝杆沿开门方向转动，根据35D全程锁闭装置的动作原理可知，丝杆无法主动沿开门方向转动，这就出現了螺母与丝杆撞击后的反弹，其反弹又使得螺母与丝杆的位置回到了图3-2a所示的情况，但此次反弹撞击到丝杆螺旋槽的左侧，而此次的撞击则可以驱动丝杆沿关门方向运动，此时的状态就是电机驱动拨抓拨动扭簧沿开门方向转动，而丝杆则在门扇的撞击下产生了沿关门方向的转动，这一相对的转动就消耗了35D全程锁闭装置的解锁空行程角度44.3°，电机继续解锁的空行程角度不满足解锁要求，因此就出现了开门防挤压故障。 因此从以上分析来看，开门防挤压故障其主要原因是电动开门过程中电机转速与门扇运动速度不匹配。开门过程中门扇运动速度超过电机转速容易造成门扇在当前位置出现瞬间的抖动，进而造成35D全程锁闭装置解锁所需的空行程角度不能满足要求。
3.3开门卡滞
3.3.1开门卡滞现象及其原因分析
在开门过程中，车门从上滑道弯道到直道过渡的瞬间以及车门接近开门到位的瞬间出现的车门短暂停顿现象，在出现瞬间停顿后继续开门到位。
这一故障出现在南京1/2号线以及南京3号线项目上较多，仅仅是表现程度不同。
开门卡滞是开门防挤压的弱化现象。如果图3-2中的塑料螺母与丝杆螺旋槽的间隙较小，在电机速度低于门扇速度时，门扇带动的塑料螺母与丝杆螺旋槽冲击就速度较小，不会造成丝杆沿关门方向转动，此时35D全程锁闭装置解锁所需的空行程角度仍然满足解锁要求，门扇仅在当前位置停顿，当门扇速度由于瞬间停顿造成的速度衰减至低于电机转速后，电机继续带动35D全程锁闭装置实现开门至到位。
3.4未经许可离开关门位置
3.4.1未经许可离开关门位置现象及其原因分析
未经许可离开关门位置故障目前有两种现象，一种是门控器接收到电机反转一定的角度而误报的故障，另一种是仅仅门到位开关跳变报出的故障。
车门关闭后，表征车门到位的微動开关出现短暂的跳变，表示着车门从到位的状态转变为未到位的状态，此时门扇并未发生位移。
误报的未经许可离开关门位置故障多发生在南京1/2号线项目上，开关短暂跳变的未经许可离开关门位置故障多发生在南京1/2号线以及广州4/5号线项目上。
电机反转误报的未经许可离开关门位置故障，在关门到位瞬间，由于电机转速较高而骤停，电机产生的沿开门方向的反转，当电机反转超过门控器设定未经许可离开关门位置故障的角度，则上报该故障，此时电机并未带动35D全程锁闭装置解锁并再次触发到位开关。这一故障的有如下两个原因所致。
?控制程序设定的作为未经许可离开关门位置故障的电机反转角度值未包括35D全程锁闭装置的空行程角度。
?关门到位瞬间，电机反转角度较大。由于控制程序在车门关闭到位时设定的速度较大，车门到位后电机骤停产生了较大角度的反转。
车门关闭后，到位开关再次短暂跳变造成的未经许可离开关门位置故障，其主要原因是车门在接近到位时关门阻力较大，到位开关刚好触发，此时车门满足了控制系统的停止关门条件，这种情况下，电机停止转动，门扇在此位置抖动造成了到位开关的再次跳变。
4控制要求及策略
4.1控制总则
根据35D全程锁闭装置的原理以及在实际使用过程中的故障和原因，其控制控制程序总体要求如下。
4.1.1解决开门防挤压和开门卡滞问题，控制程序要实现门扇在运动过程中是被（驱）动的执行部件，即在开关门过程中，门扇的运动是被驱动的，不能超越电机的运动速度。
4.1.2解决未经许可离开关门位置故障，控制程序要实现车门关闭状态一致，且车门关闭可靠。
4.2电动关门控制策略
4.2.1关门过程中，速度高，驱动力矩小
35D全程锁闭装置传动所需的力矩较小，并且为满足车辆运营节拍要求（车门开启或关闭时间不能超过3.5秒），因此关门过程中速度要求较高，而驱动力矩较小。
4.2.2关门到位时，速度低，驱动力矩大、堵转延时
车门关闭后，两扇车门的前沿和门扇周边装有保证密封性能的密封件，通过车门关闭后密封件压缩变形达到密封效果，其压缩后会产生较大的反弹力，加上在此位置外部阻力（车门风压、乘客依靠车门）较大，容易造成车门闪缝现象，因此此时需要较大的驱动力矩，并且堵转延时。由于关门到位瞬间电机转速较高容易造成电机反转，因此到位时控制电机转速。
4.2.3关门停机前，到位开关可靠触发，门扇位置基本一致
关门的电机停机条件决定了车门关门后开关触发的状态和门扇的位置，因此电机停止关门前，要确保到位开关可靠触发，并且门扇位置要确保受外部阻力影响较小。
5结束语
通过对轨道车辆门系统中全程锁闭装置的动作原理进行剖析，提出了一种适用于扭簧摩擦式全程锁闭装置的控制要求，为扭簧摩擦式全程锁闭装置实际应用铺平了道路。高安全性的扭簧摩擦式全程锁闭装置锁闭装置搭配合适的控制设置，可以有效的提高这种锁闭装置的可靠性，进一步拓展了其应用范围，有良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 秦大同.谢里阳.现代机械设计手册 第3卷 北京：化学工业出版社.2011，1
[2] 机械设计手册编委会编著.机械设计手册 3版 北京：机械工业出版社，2004.8
关键词：轨道车辆门系统；全程锁闭装置；控制要求及策略
1.前言（与引言部分合并）
轨道车辆自动门系统是地铁或轻轨列车上供乘客上下列车的门系统，全程锁闭装置是自动门系统的关键重要部件，其锁闭功能是实现列车行驶过程中门系统被机械锁闭，从而防止乘客跌落车外造成伤亡安全事故。全程锁闭装置以其较高的安全性和可靠性以及较强的环境适应性成为自动门系统锁闭装置中优选部件之一，并且有着举足轻重的地位。
全程锁闭装置是轨道车辆自动门系统的一种锁闭装置，这种锁闭装置基于摩擦制动原理，利用扭簧与芯轴的配合实现丝杆轴的正转超越传动和反转制动，并结合单向传动技术实现电机轴反转传动。
基于摩擦制动原理的扭簧式全程锁闭装置，其关键核心零件是扭簧。全程锁闭装置的制动原理是通过芯轴沿扭簧旋向的反方向转动实现单向制动，传动原理则是通过芯轴沿扭簧旋转方向转动实现超越，并利用差动和单向传动技术来控制扭簧以实现主动轴沿扭簧旋向的反方向传动。
从扭簧式全程锁闭装置的动作原理可知，其关键核心零件扭簧为弹性元件，弹性元件在实现快速制动时会存在瞬间弹性打滑，这就会对轨道车辆自动门系统的密封性有较大的影响，这就需要在自动关门时增加特殊控制，以避免这一现象。
2.35D全程锁闭装置功能及工作原理
2.1门系统中的35D全程锁闭装置
图2-1是门系统原理图，门系统中全程锁闭装置连接着动力源电机和执行部件丝杆和门系统，实现传动和锁闭功能。
2.235D全程锁闭装置功能
35D全程锁闭装置是指部件为35D的锁闭装置。35D全程锁闭装置在门系统中集传动和锁闭于一体，其功能为在任何位置门扇只可以被手动关闭，无法被手动打开。
图2-1中，主锁闭装置即为35D全程锁闭装置，门控系统发出开关门指令，电机得电正反转动，通过连接装置带动主锁闭装置，主锁闭装置带动丝杆正反转动，通过螺母将转动转化为左、右门扇的平移运动，进而实现电动开关门。在门控系统未发出开关门指令时，电机不得电，此时门扇只可以被手动关闭，但不能被手动打开。
2.3 35D全程锁闭装置原理
全程锁闭装置是通过扭簧和芯轴的配合以及差动和单向传动技术来实现全程锁闭的功能，因此对其总体结构进行简化，其简化模型如图3-1所示，其中扭簧内径小于固定轴和丝杆连接轴外径，扭簧为右旋扭簧。
如图3-1所示，当丝杆连接轴沿逆时针转动时，扭簧受到丝杆连接轴对其施加的摩擦力使得扭簧圈数增加，扭簧圈数增加，内径变小，因此扭簧将抱死丝杆连接轴以禁止其产生传动趋势。将丝杆连接轴逆时针转动方向定为开门方向，即实现了在任意角度，丝杆连接轴都不能逆时针转动的全程锁闭功能。
当丝杆连接轴沿顺时针转动时，扭簧受到丝杆连接轴对其施加的摩擦力使得扭簧圈数减少，扭簧圈数减少，内径变大，因此扭簧将松开对丝杆连接轴的抱紧。因此丝杆连接轴将可以顺时针转动。这就是手动可以将车门关上的传动功能。
由于扭簧抱紧丝杆连接轴，因此在逆时针转动时，丝杆连接轴不能与扭簧产生相对转动，但可以按照图3-1所示，在电机连接轴直接驱动丝杆连接轴之前，先通过拨抓拨动扭簧转动来实现扭簧与丝杆连接轴同步逆时针转动的电动传动功能，因此就是实现了电动开门。为保证在车辆加速、减速以及冲击、振动环境下，图3-1中的拨抓不会出现主动拨动扭簧而意外解锁，在拨抓与扭簧之间设置了约44.3°的空行程角度，因此在电动开门前，要先转过这一空程角，然后再拨动扭簧实现开门。
3.35D全程锁闭装置故障模式及原因分析
3.1 35D全程锁闭装置故障模式分类
35D全程锁闭装置在改造项目广4/5号线、南京1/2号线以及新项目南京3/10号线、宁天城际的使用情况来看，其主要有三种故障模式，其分别为开门防挤压、开门卡滞以及未经许可离开关门位置故障，其失效模式和原因也不相同。
3.2 开门防挤压
3.2.1开门防挤压现象及原因分析
这一故障主要出现在广州4/5号线项目上，其表现为车门刚打开约20mm时，车门无法再继续打开。
根据故障发生的概率来看，开门防挤压目前属偶发且不易复现的故障，即车门当前发生开门防挤压后，再次开门时故障不再出现。
由35D全程锁闭装置的电动开门原理可知，电动开门前，电机连接轴会先转过约44.3°的空行程角度，如果电机连接轴带动拨抓接触扭簧之前，电机连接轴就驱动了丝杆连接轴，电机将无法带动丝杆连接轴逆时针转动，这是因为丝杆连接轴被扭簧抱死而不能与扭簧产生相对转动。
根据开门防挤压的故障现象来看，车门已经打开了20mm，但无法继续打开。这说明了在车门运动行程0～20mm范围内，电机通过拨抓拨动了扭簧，扭簧与丝杆连接轴同步运动并打开了20mm。在20mm以外的范围，电机无法继续开门，这就说明要么电机输出力矩较小，要么35D全程锁闭装置解锁所需的空行程角度44.3°被消耗，根据对开门防挤压车门的电机输入电流和扭矩输出来看，当出现防挤压时，电机的电流输入和扭矩输出远远高于正常开门过程中的电流和扭矩，因此产生开门防挤压的原因就是在持续开门的过程中，解锁空行程角度443°被机械消耗掉。根据门系统传动间隙可知，丝杆和塑料螺母之间存在一定的间隙，如图3-2所示。
图3-2中，丝杆和螺母之间存在不可避免的间隙，不论是初始状态的丝杆和螺母还是使用了一段时间的丝杆和螺母。
假设开门为门扇向右运动，电机带动35D全程锁闭装置，全程锁闭装置带动丝杆转动，然后驱动螺母使得门扇向右运动。在开门的起始阶段如图3-2a所示，电机持续给定电流输出扭矩并驱动丝杆沿开门方向运动，如果电机在开门的起始阶段给定的电流和速度较高，此时门扇就会以较高的速度沿开门方向运动，一旦电机规定的电流和速度产生衰减，那么丝杆的转速就会产生衰减，但由于丝杆与螺母之间间隙的存在，门扇速度则以原速度继续沿开门方向运动，因此螺母与丝杆的位置就变为了如图3-2b所示的情况，螺母与丝杆右侧螺旋槽撞击后试图驱动丝杆沿开门方向转动，根据35D全程锁闭装置的动作原理可知，丝杆无法主动沿开门方向转动，这就出現了螺母与丝杆撞击后的反弹，其反弹又使得螺母与丝杆的位置回到了图3-2a所示的情况，但此次反弹撞击到丝杆螺旋槽的左侧，而此次的撞击则可以驱动丝杆沿关门方向运动，此时的状态就是电机驱动拨抓拨动扭簧沿开门方向转动，而丝杆则在门扇的撞击下产生了沿关门方向的转动，这一相对的转动就消耗了35D全程锁闭装置的解锁空行程角度44.3°，电机继续解锁的空行程角度不满足解锁要求，因此就出现了开门防挤压故障。 因此从以上分析来看，开门防挤压故障其主要原因是电动开门过程中电机转速与门扇运动速度不匹配。开门过程中门扇运动速度超过电机转速容易造成门扇在当前位置出现瞬间的抖动，进而造成35D全程锁闭装置解锁所需的空行程角度不能满足要求。
3.3开门卡滞
3.3.1开门卡滞现象及其原因分析
在开门过程中，车门从上滑道弯道到直道过渡的瞬间以及车门接近开门到位的瞬间出现的车门短暂停顿现象，在出现瞬间停顿后继续开门到位。
这一故障出现在南京1/2号线以及南京3号线项目上较多，仅仅是表现程度不同。
开门卡滞是开门防挤压的弱化现象。如果图3-2中的塑料螺母与丝杆螺旋槽的间隙较小，在电机速度低于门扇速度时，门扇带动的塑料螺母与丝杆螺旋槽冲击就速度较小，不会造成丝杆沿关门方向转动，此时35D全程锁闭装置解锁所需的空行程角度仍然满足解锁要求，门扇仅在当前位置停顿，当门扇速度由于瞬间停顿造成的速度衰减至低于电机转速后，电机继续带动35D全程锁闭装置实现开门至到位。
3.4未经许可离开关门位置
3.4.1未经许可离开关门位置现象及其原因分析
未经许可离开关门位置故障目前有两种现象，一种是门控器接收到电机反转一定的角度而误报的故障，另一种是仅仅门到位开关跳变报出的故障。
车门关闭后，表征车门到位的微動开关出现短暂的跳变，表示着车门从到位的状态转变为未到位的状态，此时门扇并未发生位移。
误报的未经许可离开关门位置故障多发生在南京1/2号线项目上，开关短暂跳变的未经许可离开关门位置故障多发生在南京1/2号线以及广州4/5号线项目上。
电机反转误报的未经许可离开关门位置故障，在关门到位瞬间，由于电机转速较高而骤停，电机产生的沿开门方向的反转，当电机反转超过门控器设定未经许可离开关门位置故障的角度，则上报该故障，此时电机并未带动35D全程锁闭装置解锁并再次触发到位开关。这一故障的有如下两个原因所致。
?控制程序设定的作为未经许可离开关门位置故障的电机反转角度值未包括35D全程锁闭装置的空行程角度。
?关门到位瞬间，电机反转角度较大。由于控制程序在车门关闭到位时设定的速度较大，车门到位后电机骤停产生了较大角度的反转。
车门关闭后，到位开关再次短暂跳变造成的未经许可离开关门位置故障，其主要原因是车门在接近到位时关门阻力较大，到位开关刚好触发，此时车门满足了控制系统的停止关门条件，这种情况下，电机停止转动，门扇在此位置抖动造成了到位开关的再次跳变。
4控制要求及策略
4.1控制总则
根据35D全程锁闭装置的原理以及在实际使用过程中的故障和原因，其控制控制程序总体要求如下。
4.1.1解决开门防挤压和开门卡滞问题，控制程序要实现门扇在运动过程中是被（驱）动的执行部件，即在开关门过程中，门扇的运动是被驱动的，不能超越电机的运动速度。
4.1.2解决未经许可离开关门位置故障，控制程序要实现车门关闭状态一致，且车门关闭可靠。
4.2电动关门控制策略
4.2.1关门过程中，速度高，驱动力矩小
35D全程锁闭装置传动所需的力矩较小，并且为满足车辆运营节拍要求（车门开启或关闭时间不能超过3.5秒），因此关门过程中速度要求较高，而驱动力矩较小。
4.2.2关门到位时，速度低，驱动力矩大、堵转延时
车门关闭后，两扇车门的前沿和门扇周边装有保证密封性能的密封件，通过车门关闭后密封件压缩变形达到密封效果，其压缩后会产生较大的反弹力，加上在此位置外部阻力（车门风压、乘客依靠车门）较大，容易造成车门闪缝现象，因此此时需要较大的驱动力矩，并且堵转延时。由于关门到位瞬间电机转速较高容易造成电机反转，因此到位时控制电机转速。
4.2.3关门停机前，到位开关可靠触发，门扇位置基本一致
关门的电机停机条件决定了车门关门后开关触发的状态和门扇的位置，因此电机停止关门前，要确保到位开关可靠触发，并且门扇位置要确保受外部阻力影响较小。
5结束语
通过对轨道车辆门系统中全程锁闭装置的动作原理进行剖析，提出了一种适用于扭簧摩擦式全程锁闭装置的控制要求，为扭簧摩擦式全程锁闭装置实际应用铺平了道路。高安全性的扭簧摩擦式全程锁闭装置锁闭装置搭配合适的控制设置，可以有效的提高这种锁闭装置的可靠性，进一步拓展了其应用范围，有良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 秦大同.谢里阳.现代机械设计手册 第3卷 北京：化学工业出版社.2011，1
[2] 机械设计手册编委会编著.机械设计手册 3版 北京：机械工业出版社，2004.8