一种采用组合曲线减震降噪的电磁锁的研制

时振涛，郝伟，刘强，刘艺磊，王龙

（北京市地铁运营有限公司 机电分公司，北京 100043）

0 引言

我国在20世纪80年代将站台屏蔽门系统引入并应用于地铁、轻轨等轨道交通系统，屏蔽门将站台和列车运行区域隔开,通过控制系统控制其自动开启，电磁锁是地铁屏蔽门滑动门的核心部件，电磁锁的安全性尤为重要。目前在地铁屏蔽门滑动门上应用的电磁锁普遍噪声大且振感明显，存在着安全隐患，需要研制一种振感小且噪声低的电磁锁来提高电磁锁的安全性能。

1 结构组成

图1为解锁状态下的电磁锁轴测图。

图1 解锁状态下的电磁锁轴测图

如图1所示，电磁锁，包括座板、圆柱电磁铁、圆柱形衔铁、螺钉、左限位开关支架、右限位开关支架、左限位开关、右限位开关、起落板、左卡柱、右卡柱、左下轴套、右下轴套、左上轴套、右上轴套、左下旋转板、右下旋转板、左下转轴、右下转轴、左上旋转板、右上旋转板、左上旋转轴、右上旋转轴、左下齿轮、右下齿轮、左上齿轮、右上齿轮、左下定标柱、右下定标柱、左长孔和右长孔。圆柱电磁铁固定安装在座板上，圆柱形衔铁安装在圆柱电磁铁内，圆柱形衔铁可以沿着圆柱电磁铁的中心线上、下运动。圆柱形衔铁和起落板通过螺钉连接在一起，圆柱形衔铁可以带着起落板上、下运动。左限位开关支架固定在座板上部位置的左侧，右限位开关支架固定在座板上部位置的右侧，左限位开关固定在左限位开关支架上，右限位开关固定在右限位开关支架上。左卡柱和右卡柱固定在起落板上；左下轴套、右下轴套、左上轴套和右上轴套固定在座板上。左下转轴穿入左下轴套内，左下转轴可以在左下轴套内转动，左下旋转板和左下齿轮固定在左下转轴上，左下旋转板和左下齿轮随着左下转轴的转动同步旋转；右下转轴穿入右下轴套内，右下转轴可以在右下轴套内转动，右下旋转板和右下齿轮固定在右下转轴上，右下旋转板和右下齿轮随着右下转轴的转动同步旋转；左上转轴穿入左上轴套内，左上转轴可以在左上轴套内转动，左上旋转板和左上齿轮固定在左上转轴上，左上旋转板和左上齿轮随着左上转轴的转动同步旋转；右上转轴穿入右上轴套内，右上转轴可以在右上轴套内转动，右上旋转板和右上齿轮固定在右上转轴上，右上旋转板和右上齿轮随着右上转轴的转动同步旋转。左下定标柱和右下定标柱固定在座板上。起落板的下端的左侧设置长孔，起落板的下端的右侧设置长孔，左下定标柱穿入长孔，右下定标柱穿入长孔。

图2为锁闭状态下的电磁锁轴测图，图3为重要零部件示意图。

图2 锁闭状态下的电磁锁轴测图

左下旋转板从上到下依次设置有左锁止面、左撑持弧、左定标面、左碰撞面和左下锁槽；右下旋转板从上到下依次设置有右锁止面、右撑持弧、右定标面、右碰撞面和右下锁槽；左上旋转板设置有左上锁槽；右上旋转板设置有右上锁槽；在起落板上部的左侧设置有左上滑道，在起落板上部的右侧设置有右上滑道[1]。

2 工作原理

电磁锁的开门及关门动作如下所述。

1）当准备关门时[2]，左屏蔽门向右运动，左门销撞击左碰撞面，左下旋转板顺时针转动，左下锁槽从下方锁住左门销，左下旋转板顺时针转动带动左下齿轮同样顺时针旋转，左下齿轮顺时针旋转带动左上齿轮逆时针旋转，左上齿轮逆时针旋转带动左上旋转板同样逆时针旋转，左上旋转板同样逆时针旋转使左上锁槽从上方锁住左锁销，右屏蔽门向左运动，右门销撞击右碰撞面，右下旋转板逆时针转动，右下锁槽从下方锁住右门销，右下旋转板逆时针转动带动右下齿轮同样逆时针转动，右下齿轮逆时针转动带动右上齿轮顺时针转动，右上齿轮顺时针转动同样带动右上旋转板顺时针转动，右上旋转板顺时针转动使右上锁槽从上方锁住右门销，当左下锁槽锁住左门销后左撑持弧不再撑持左卡柱、当右下锁槽锁住右门销后右撑持弧不再撑持右卡柱，当左撑持弧不再撑持左卡柱、右撑持弧不再撑持右卡柱时，左卡柱、右卡柱和起落板在重力的作用下自由下落，当左卡柱、右卡柱和起落板下落到下极限位置时停止运动，这时左卡柱运动到左定标面的左侧，左下旋转板被左卡柱挡住不再转动，右卡柱运动到右定标面的右侧，右下旋转板被右卡柱挡住不再转动，当左下旋转板和右下旋转板不再转动时，左门销被左下锁槽和左上锁槽紧紧抱住，右门销被右下锁槽和右上锁槽紧紧抱住，左屏蔽门和右屏蔽门处于关闭状态并不能再运动。

2）当准备开门时[3]，门控器发出开门命令，圆柱电磁铁[4]的线圈得电吸合，吸引圆柱形衔铁向上运动，左卡柱、右卡柱和起落板随着向上运动，当左卡柱、右卡柱和起落板向上运动到上极限位置时停止运动，这时左卡柱不再挡着左定标面，右卡柱不再挡着右定标面，同时左限位开关和右限位开关同时被触发，左限位开关和右限位开关向门控器发出电磁锁已开锁信息，门控器驱动电动机带动左屏蔽门和右屏蔽门向两侧运动，这时左门销带着左下旋转板逆时针转动，左下旋转板逆时针转动带动左下齿轮同样逆时针转动，左下齿轮逆时针转动带动左上齿轮顺时针，左上齿轮顺时针带动左上旋转板顺时针转动，这样左下旋转板和左上旋转板不再抱住左门销，右门销带着右下旋转板顺时针转动，右下旋转板顺时针转动带动右下齿轮顺时针转动，右下齿轮顺时针转动带动右上齿轮逆时针转动，右上齿轮逆时针转动带动右上旋转板逆时针转动，这样右下旋转板和右上旋转板不再抱住右门销，当左下旋转板逆时针旋转到一定角度时，左锁止面被左卡柱挡住不再转动，当右下旋转板顺时针旋转到一定角度时，右锁止面被右卡柱挡住不再转动，这时左锁止弧撑持起左卡柱，右锁止弧撑持起右卡柱，使左卡柱、右卡柱和起落板不再下降，使电磁锁处于机械保持开锁状态，左屏蔽门和右屏蔽门打开。

3 电磁锁减震降噪的研究

在电磁锁中，升降板上部的左上滑道曲线和右上滑道曲线的设计极为重要。在以往的设计中，没有重视这两段曲线的设计，结果对行程开关产生了很大冲击，降低了行程开关的寿命，并且产生了很大的噪声及振动。因此需要对这两段曲线进行重新校核和改进。

3.1 以往运动规律分析

在过去的生产中，为了加工方便，左上滑道曲线和右上滑道曲线一般采用等速运动规律曲线[5]。等速运动规律的特点是在行程初始位置[6]，速度由0直接跳变到v0，得出加速度计算公式为

在行程终止位置，速度由v0直接变为0，得出加速度为-∞。在行程的初始和终止位置，加速度无穷大，产生的惯性力也是无穷大，这使得冲击力变得非常大。这种非常大的冲击力对行程开关的破坏力很大[7]。因此必须对左上滑道曲线和右上滑道曲线的运动规律进行改进。可以采用组合型运动规律进行改进。

3.2 组合型运动规律的构建方法

根据牛顿第二运动定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，我们用几何方法构建出组合型加速度曲线。

设衔铁在电磁铁内最大的行程为M，在某时刻t的行程为m，行程开关滚轮的最大位移为h，行程开关的滚轮在某时刻的位移为S，速度为v，加速度为a，跃度为j。

3.3 推导组合型运动规律方程

图4所示为推程期，余弦加速度与等速规律组合而成新的运动线图。加速度曲线分3段，其中：第1段的曲线（0～M/4）由周期为M、幅值为R的余弦函数的第一象限曲线组成；第2段曲线（M/4～3M/4）由幅值为0的水平直线段组成；第3段曲线（3M/4～M）由周期为M、幅值为R的余弦函数的第2象限曲线组成。这几段曲线首尾相连无断点，拼接成的加速度曲线无突变。

图4 余弦加速度与等速规律组合（推程）

1）第1段曲线。由该曲线可以看出

把上式代入，得出类加速度方程曲线为

将上式积分，得出类速度方程曲线为

进一步解得

将上式积分，得出位移方程曲线为

进一步解得

2）第2段曲线。由该曲线可以看出，类加速度的曲线方程为d2s2/dm2=0。

对类加速度积分得出类速度为

对类速度积分得出位移方程为

3）第3段曲线。由该曲线可以看出

把上式代入，得出类加速度方程曲线为

对类加速度积分得出类速度为

进一步解得类速度为

对类加速度积分得出位移方程为

进一步解得位移方程为

4）根据拼接点上在各个运动阶段的位移、类速度、类加速度的值没有突变和相应的边界条件计算得出：

把C1～C6及R值上面的各个公式，可以计算出相应区段的运动方程。

3.4 组合曲线方程式的建立（推程）

1）在第一运动区段，φ∈［0～M/4］，则有：

2）在第二运动区段，φ∈[M/4～3M/4]，则有：

3）在第三运动区段，φ∈［3M/4～M］，则有：

4 结语

在构建组合运动规律时，应该根据机构的技术要求进行拼接。实践中应按照以下原则拼接：在高速机构中，要求运动曲线的加速度曲线在起点和终点必须连续，以减小柔性冲击；运动的起点和终点的速度曲线和位移曲线必须连续，以减小刚性冲击。

在过去没有应用计算机进行设计和生产时，人们只能用简单的曲线应对生产，这使得产品的各种性能得不到提高，随着计算机技术的推广，组合型运动规律曲线的设计变得不再复杂。本文所构建的变形余弦加速度曲线具有优良的动力特性和运动特性，可以推广到很多有特殊要求的机械设备的结构中使用。