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摘要：在轨道交通站台门领域，导向机构是核心部件之一，其可靠性的高低直接决定了站台门的运行效率。而半高站台门的导向机 构一般使用滚珠导轨、滚轮导轨和尼龙轮型材导轨3种形式，其可靠性和维修保养的难易程度各不相同。本文对比分析3种导轨的 结构形式、材料特性、日常保养和运行噪声，得出滚轮导轨和尼龙轮型材导轨更适用于半高站台门。在导轨与滚轮配型方面，使用 接触理论，在半高站台门的受力条件下对V 形尼龙轮配合V 形导轨、V 形尼龙轮配合U 形导轨和U 形尼龙轮配合U 形导轨3种轮 轨结构进行强度校核，得出U 形尼龙轮配合U 形导轨产生的接触应力最小，轮轨结构最优。
关键词：导向机构,半高站台门,导轨,尼龙轮
Analysis and Calculation of Rail Transit Half Height
Platform Screen Door Guiding Mechanism
Lu Zhiguo1.Zhang Ruixing2
( CSSCHAIWEIZHENGZHOUHIGH-TECHCO.，LTD，Henan Zhengzhou 450015 )
Abstract：In the field of rail transit platform screen door，guiding mechanism is one of the core components，and its reliability directly determines the operating efficiency of platform screen door.The guiding mechanism of half height platform screen door mainly uses linear guide， roller guide and nylon wheel guide，which have different reliability and maintenance. This paper studies the structural form，material characterization，routine maintenance and running noise，and it is concluded that roller guide and nylon wheel guide are more suitable for half height platform screen door.Furthermore，the V-shape nylon wheel has the characteristics of self-cleaning and low running noise，and its common wheel-rail structures include V-shape nylon wheel matched with V-shape guide，V-shape nylon wheel matched with U-shape guide and U-shape nylon wheel matched with U-shape guide.In this paper，the contact theory is used to check the strength of the above three wheel -rail structures under the stress condition of half height platform screen door.It is concluded that the U-shape nylon wheel matched with the U-shape guide has the smallest contact stress，which is the best wheel-rail structure.
Key words：guiding mechanism;half-height platform door;liner guide;nylon wheel
引言
随着地铁、城际铁路和高速铁路的迅速发展，高架 站和地面站的应用越来越多，与之相配套的半高站台门 的需求量也越来越大[1-2] 。高架站和地面站主要有侧式 站台和岛式站台2种结构形式，其中，侧式站台两端的 空间开放，岛式站台两端空间和两侧空间开放。开放的 站台环境，使得半高站台门所受自然环境的影响更大，
例如高低温变化频繁、雨雪沙尘侵入频繁等。这些自然环境的影响，非常考验半高站台门的可靠性。导向机构 作为半高站台门的核心部件之一，其运行是否稳定，直接影响轨道列车的运行。
目前，半高站台门使用的导向机构主要有3种类型， 分别是滚珠导轨、滚轮导轨和尼龙轮型材导轨。例如，广州地铁各线路半高站台门普遍使用滚珠导轨或者尼龙轮型材导轨[3]，上海地铁2号线、5 号线和11 号线等线 路普遍使用滚轮导轨。这3种形式的导轨各有特点，其可靠性的高低和维修保养的难易程度也不尽相同。本文先从导轨系统的结构形式、材料特性、日常保养、运行噪声等方面入手，对导轨的固有特性进行分析对比，进 而得出较适合半高站台门的导轨结构。进一步的，在半 高站台门受力条件下，使用接触理论对常用的轮轨结构 进行强度校核，以选出最优的导轨结构，进而为站台门结
1 分析
1.1 结构形式
滚珠导轨是各行各业应用最广泛的直线导轨，主要 由滑块内的若干个钢珠与导轨之间无限滚动循环，从而 使滑块沿着导轨线性运动，如图1所示。一般而言，单扇滑动门使用1根导轨和2个滑块。由滚珠导轨结构可知，其导轨呈燕尾型，每个滑块内有2 圈钢珠，每一圈 钢珠都贴着燕尾型导轨的上滚道和下滚道滚动，从而使滑块能同时承受垂直、水平方向的载荷。滚珠导轨预紧力的调节，通过调整滚珠的大小来实现，这个步骤一般 在工厂里面调节[4]。
滚轮导轨，主要由滑块内的2~4 个钢轮在导轨面滚动，从而使滑块沿着导轨线性运动，如图2所示。同滚珠导轨相同，单扇滑动门也是双滑块组合。滚轮导轨，主要由V 形导轨、V 形滚轮和滑座等组成。直线运动时，钢轮的内V 结构与导轨的外V 结构相互配合。这种 V 形接触，使滑块能够同时承受垂直、水平方向的载 荷[5]。钢轮的内部含有轴承，滑块通过安装轴与钢轮连 接。滚轮导轨预紧力的调节，通过转动偏心轮来实现，这个步骤可在工厂或现场完成。
尼龙轮型材导轨，是尼龙轮在型材导轨内滚动。如 图3所示。一般而言，单扇滑动门使用6个尼龙轮，各 个尼龙轮呈水平或垂直2个方向安装在滑块上。其中， 水平方向的尼龙轮使滑块承受水平方向的载荷，垂直方向的尼龙轮使滑块承受上下方向的载荷。尼龙轮型材导轨预紧力的调节，与滚轮导轨相似，通过转动偏心轮的位置来实现。这个步骤可在工厂或现场完成。从3种导轨系统的结构形式来分析，滚珠导轨的滚 珠或导轨磨损后，需要更换整套导轨滑块。因为其预紧力在出厂前就设定好，所以更换整套才能保证运行效率。
而滚轮导轨和尼龙轮型材导轨磨损后，可以单独更换导轨或滚轮，且可以在现场调节预紧力，优势明显。在精度方面，滚珠导轨相对比滚轮导轨可以获得更高的行走精度，而站台门用常规的精度即可满足需求。
1.2 材料特性
站台门的使用环境温度：一般地区环境温度-25 ~ +45 ℃，高寒地区环境温度-40 ~ +45 ℃ [6 ] 。滚珠导轨 和滚轮导轨使用的材料均为钢材，如果应用在高寒地区， 可以使用低温钢[7]。例如，42CrMo 钢的韧脆转变温度约 为-50 ℃ [ 8 ]，能较好地满足低温环境的需求。尼龙轮型 材导轨使用的材料是铝合金和尼龙，铝合金一般的环境 适用温度-47 ~ 121 ℃，但是铝合金经过调质后，适用低 温可达到-183 ℃。尼龙推荐使用MC 尼龙[9]，其使用温 度为-45 ~ +120 ℃ [ 10] 。因此，3 种导轨普遍能够适应高低温的变化。
在频繁的雨水侵入情况下，普通钢材经常接触雨水， 容易生锈。而导轨系统使用的钢材，均经过严格的表面 处理(镀镍、镀铬)或采用不锈钢，并附有润滑油膜， 具有良好的耐腐蚀性能，已经有大量应用。而尼龙材料 对雨水较为敏感，由于尼龙分子中存在有亲水的酰胺键，
因此尼龙的吸水量很大。高的吸水率不仅会降低尼龙的力学性能，而且尺寸也会发生变化，如表1[ 11 ] 所示。因 此，设计导向机构需要充分考虑湿度对尼龙轮的影响。 在尼龙品种中，尼龙12 内含酰胺基少，是所有尼龙中吸 水率较低的品种，其制品尺寸和力学性能稳定性好[12] 。需 要注意的是，不同品种尼龙的弹性模量区别较大。例如， 通用级尼龙12 的弹性模量，大约是MC 尼龙的1/4 倍。而 较低的弹性模量，会使尼龙抵抗变形的能力降低，进而影 响导轨系统的刚性。因此，在我国年降雨量较多、相对湿 度较大的南方和沿海地区，易选用尼龙12 改性品种。
从3种导轨系统的材料特性来看，其使用的钢材、铝型材或者尼龙材料均能满足高低温和耐腐蚀的需求。尼龙材料的性能受环境湿度和雨水侵入影响较大，在设计时需要重点关注。
1.3 日常保养
半高站台门导向机构的日常保养方式主要是加注润滑油脂和清除导轨面异物。滚珠导轨和滚轮导轨需要定期加注润滑油脂，以减少钢材的磨损和增加防锈能力。 尼龙轮型材导轨使用尼龙轮，具有优良的耐摩擦性和自 润滑特性。例如，尼龙6无油润滑的摩擦因数通常为 0.2 左右[11] 。所以，其一般不需要加注润滑油脂，就可稳定运行。
频繁的沙尘侵入会使导轨面堆积沙尘。滚珠导轨的钢珠直接与导轨接触，刷子或刮板难以避免灰尘、颗粒 物进入滑块的内部，从而加剧钢珠的磨损，缩短滚珠导轨的使用寿命。滚轮导轨的V 形钢轮通过对V 形导轨的“刮擦”运动，可以把灰尘、颗粒物从接触面上刮除，从而保持了导轨系统的清洁。与此同时，钢轮内部的轴承一般使用免维护的防尘轴承，具有良好的密封性能，且轴承不直接与导轨面接触，从而使滚轮导轨适合在恶劣环境下使用。尼龙轮型材导轨，其尼龙轮本身的结构与滚轮导轨的滚轮相同，具有良好的防尘能力。但要注意，型材导轨与尼龙轮接触面是平面，平面上堆积的沙尘，容易使尼龙轮产生卡滞现象。
日常保养是保证站台门顺利运行的关键，导向机构 保养的项目越少，故障点和时间成本就越低。滚轮导轨 的自除尘特性，可以减少灰尘的堆积;尼龙轮型材导轨 使用尼龙材料，可以免润滑，这两方面均优于滚珠导轨。
1.4 噪声水平
半高站台门运行噪声的大小，会直接影响乘客候车的 舒适性，行业标准中要求噪声水平不大于70 dB(A)[ 13 ] 。滚珠导轨中的每个滑块含有几十个钢珠，运行时钢珠与导轨摩擦、钢珠与钢珠的碰撞会产生噪声。滚轮导轨中，钢轮的V 形槽和导轨V 形面的配合属于线接触， 具有良好的轮廓一致性。进而，运行时的噪声水平要优于滚珠导轨。尼龙轮型材导轨借助材料优异的自润滑和阻尼特性，其运行噪声在3种导轨系统中是最小的。
2 对比计算
2.1 对比分析
不同导轨系统的性能对比如表2所示。从表中可以看出，滚轮导轨和尼龙轮型材导轨的优势项多于滚珠导 轨，特别是在维修和日常保养方面优势明显，工程中应当优先选用。尼龙轮型材导轨在噪声方面优势最为明显。
如果将滚轮导轨的“刮擦”特性，即自除尘特性应用在 尼龙轮型材导轨上面，将会使其综合性能更具有优势。采用V 形尼龙轮的导向机构，其配对的导轨截面也 是V 形，能够同时承受垂直、水平两个方向的载荷。因 此，V 形尼龙轮的导向机构，只需要垂直方向的尼龙轮， 即可满足受力要求，如图4所示。其中，固定轮是承载 轮，偏心轮用于调节导轨系统的预紧力。
目前，V 形尼龙轮普遍应用在屏蔽门上，应用在半高站台门还少见研究报道。由于半高站台门一般采用悬臂式导向机构，承载的尼龙轮始终处于交变载荷作用下，受力状况比屏蔽门恶劣。因此，有必要对尼龙轮进行强度校核，以验证其可靠性。
2.2 计算
2.2.1 尼龙轮的受力分析
半高站台门的运行强度要求，一般是每天运行20 h、 每90 s 开关一次，且全年连续运行[13] 。滑动门在开/关 门过程中，尼龙轮与导轨接触面不断变化。在接触时， 接触面局部产生很大的应力;离开时，应力急剧减小。 这种接触应力多为变应力，其引起的失效属于接触疲劳 破坏。它的特点是零件在接触应力的反复作用下，零件 表面产生疲劳裂纹，逐渐扩展，使接触表层脱落，产生疲劳点蚀。影响疲劳点蚀的主要因素是接触应力的大小。因此，主要校核尼龙轮的接触疲劳强度。
2.2.2 尼龙轮的受力计算
以某半高站台门为参考，采用类比法确定尼龙轮和导轨的各项参数。由于在关门状态下尼龙轮受到的力最大，因此，本文将主要分析关门状态下尼龙轮的受力情况。受力简图如图5所示。图中，滑动门重力G 为主动力，D 处滚轮组和E 处 滚轮组提供约束力，分别为FD、FE，具体计算公式如式 ( 1 ) ~ (2 ) 所示。
式中：a、b 可根据辅助角θ 查表得a= b = 1 [ 16 ]，辅助 角按式(14 ) 计算;r 为导轨圆弧面半径，r =7 mm; Ru1 、r1 分别为尼龙轮半径及其圆弧面半径，为21 mm、8 mm。
计算得σu-max =1.5 MPa，小于许用接触应力σHP。因此U 形尼龙轮也能满足设计要求。
综合以上的计算可得，在同等受力条件下，U 形轮 是三者之中接触应力最小的。而且，U 形轮与导轨的 接触面是圆弧面，不容易产生应力集中，适合推广应用。
3 结束语
半高站台门的导向机构对其运行可靠性至关重要，优于百万次的无故障运行次数、低频的维修保养和更加小的运行噪声，将会优先受到建设方和乘客的青睐。本 文从不同方面分析了3种常用导轨系统的特点，得出了滚轮导轨和尼龙轮型材导轨更适合作为半高站台门的导向机构。在此基础上，提出了3种兼具两者优点的尼龙 轮导轨结构，并分别进行强度校核，得出U 形轮配合U 形导轨的轮轨结构较好。同时，U 形轮免润滑、具有自 除尘特性，维修保养更加便捷。
目前的半高站台门结构，除了导向机构是悬臂式结 构之外，还有导轨位于门槛底部的结构。这种导向机 构的滚轮承载均匀，受力比悬臂式结构要小，本文的分析结论也同样适用。
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第一作者简介：卢志国( 1989 —)，男，河南洛阳人，学士， 工程师，研究领域为轨道交通站台门。
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