城市轨道车辆车门技术综述

城市轨道车辆车门技术综述

龙静1,高文明2,缪小冬2,朱士友1,史翔2

(1.广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东广州510030;2.南京康尼机电股份有限公司，

江苏南京210009)

摘要：城市轨道车辆车门是城市轨道交通安全

系统的重要组成部分，面临着很多挑战和机遇，

得到国内外相关机构越来越广泛的重视。从国内

外对城市轨道车辆车门技术的研究现状、结构分

类、关键技术等角度，分析现有的城市轨道车辆

车门技术，并指出国内城市轨道车辆车门关键技

术现状和需要关注的问题，最后展望城市轨道车

辆车门技术的发展趋势。

关键词：城市轨道车辆；车门；机电一体化；关

键技术

中图分类号：U270.38+6

0引言

城市轨道交通具有缓解交通堵塞，降低机动车排放 污染等优势，得到越来越广泛的重视。各大城市对于轨 道交通系统的建设投入也在逐年増加。轨道交通装备行 业作为国家重点发展的高端装备制造业之一，也是加强 综合运输体系建设的主要发展方向之一，符合国家战略 和社会实际需要[1-2]。

由于城市轨道交通环境复杂，运行过程中，需要考 虑载荷、温度、压力、湿度、振动、噪声、腐蚀、电磁 干扰等各种因素，并且列车频繁停靠站和开关门，人员 拥挤。作为城市轨道车辆重要的机电组成部分，车门 系统的质量和可靠性对保障城市轨道交通安全具有重 要的作用[3]。

城市轨道车辆车门的种类很多，从动力来源来分，可以分为气动门和电动门；从结构角度来分，可以分为

基金项目：广州市科技计划项目（201605131328394)

作者简介：龙静（1970—），女，高级工程师塞拉门、外摆门、外侧移门、内藏式移门、内摆门等；从用途来分，可以分为逃生门、司机室侧门、隔间门、客室门等[4]。本文主要以客室门为例，介绍国内外发展 现状、关键技术，并进行总结和展望。

1国内外发展现状

1.1国外发展现状

世界上公认的地铁运营线于1863年在伦敦开通，经过160多年的发展，城市轨道交通在空间利用、便捷 性、节能环保等方面的优势得到了充分显现。早期的城 市轨道交通技术以及车辆车门技术均集中在几个发达国 家，如奥地利IFE公司（现属于德国克诺尔集团）、法国 FAIVELEY公司、德国的BODE公司、日本的Nabtesco 公司等，随着各自国家或区域的轨道交通行业发展而迅 速成长，具备了大量的技术积累和市场经验[5-6]。

1.2国内发展现状

我国早期的城市轨道交通主要以战备为目的，1969 年10月1日，北京地下铁道一期工程建成通车试运行，随后较长一段时间我国的城市轨道车辆技术发展和建设 速度均比较平缓。改革开放之后，尤其是2000年之后，国家高度重视以高铁、地铁为代表的轨道交通行业的发 展，轨道交通装备设计与制造技术也随之迅速发展。目前，我国城市轨道交通车辆车门的生产厂家主要有南京 康尼机电公司、北京博得公司、青岛IFE-威奥公司、上 海法维莱公司，其中，后3家均为合资公司，而康尼机 电公司为国内独资企业，经过多年的自主研发，目前已 经占据国内城轨车辆车门市场份额的一半以上，同时跻 身欧美发达国家市场，成为中国中车、庞巴迪、阿尔斯

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综述述评

城市轨道车辆车门技术综述

通、西门子等公司的主要供应商[7]。

2主要分类

2.1按动力来源划分

2.1.1 气动门

气动式车门由压缩空气驱动气缸，再通过机械传 动系统和电气控制系统完成车门的开关。气动作为动力 源，机械机构作为执行单元，电气控制系统用来保障开 关门可靠性。早期的日本新干线列车主要采用气动式 自动门机构。气动门的优点是气动阀门具有一定的缓 冲能力，承受载荷大；缺点是气动系统的密封性要求 较高，排气噪声大，难以满足现代社会节能降噪的环境 要求[8]。2.1.2 电动门

电动式车门采用电力驱动，一般由控制器、驱动电 机、传动机构、锁闭机构以及紧急解锁装置组成。由于 电动门的动力源完全来自于电力系统，噪声低，控制算 法也比气动相对容易，故障率低，与整车的匹配也相对 容易。随着节能环保要求的提高，以及电力驱动技术的 发展，电动门越来越得到社会的认可，市场占有率越来 越高[9]。

2.2按运动机构划分

2.2.1 外挂门

外挂门结构简单，如图1所示，其门页、悬挂机 构、传动机构都在门的外侧，占用车内空间小，但车辆 高速行驶或相向会车时容易产生较大的行驶阻力，适用 于预算有限、载客量较大、车速较慢的环境使用。

2.2.2内藏门

内藏门如图2所示，驱动机构、传动机构等均处于 车体内部，一般采用直线驱动，机构简单，质量轻，成 本也比较低，便于手动操作，但占用一定的车内空间， 易影响车内载客量。内藏门适用于技术要求不高、预算 有限、外部环境较简单的地区使用。

图2内藏门

2.2.3 塞拉门

塞拉门如图3所示，不同于移门，塞拉门（sidm g plug door )在关闭时，门扇有一个向车内的塞紧动作， 使塞拉门可以做到密封的连续性，提高了车内空间利 用率，在关闭后能够保持车门表面和车体表面平齐的效 果，可以保证在较大的会车压力作用下，仍然具有很好 的密封性和锁闭性能。

图3塞拉门

2 M O D K N m B M T M N O T

5/2017现代城市轨眉交

通

康尼公司于1997年研制出国内第1套铁路客车电 控气动塞拉门，填补了国内空白，并在后续发展中提出 了微动塞拉门的设计理念，相对于传统塞拉门，増加了

12 m m的微小塞拉动作，减少了塞拉距离，并减少了 塞拉角度，缓解了关闭过程中拥挤乘客的人体阻力，解决了传统塞拉门关门难的问题。微动塞拉门结构紧

凑，比传统塞拉门质量少了 40多k g，提高了隔音隔热 性能[1。-12]。

3关键技术现状

3.1锁闭技术

锁闭机构是车门的重要组成部分，用来保障车门在 行驶中不会突然打开，直接关系到轨道交通运营安全。目前轨道车辆自动门锁闭方式主要有电磁阀、机械锁、电机摆动锁、单向超越离合器锁等。

以IFE公司的产品为例，其车门锁闭技术主要采用 电磁式锁闭机构，结合时接通电磁力实现齿轮结合，从 而形成动力传输，切断电磁力则齿轮断开。这种锁闭机 构的优点是容易控制，缺点是齿轮结合时会产生磨损、打齿问题，导致电磁系统的故障率较高[13]。

目前康尼公司主要采用35D和L S锁闭装置，均是 机械锁闭方式，35D锁采用矩形扭簧相对中心轴的正转 收紧，摩擦力増大，反转松弛，摩擦力减少的特性，形 成单向锁闭功能；而L S锁利用丝杆的螺旋升角小于摩 擦角的原理，由螺旋传动完成门的锁闭，无需额外的锁 机构，也无需额外的动力源，结构简单，占用空间比 35D更小，可靠性高，便于装配和维护[14-15]。

3.2控制技术

城市轨道车辆自动门除了正常的开关门功能外，还需要具有障碍物检测、防挤压、故障检测与警告等功 能。电子门控单元（EDCU)是车门的核心元件之一，担负着接收各种信号、驱动电机进行开关门动作、状态 检测以及报警等功能[16-18]。

控制软件是车门系统的核心，控制车门系统机械 部件实现门功能控制逻辑、现场总线通信、故障诊断等 功能。门控制软件的安全完整性关系到整个门系统的安 全运行，正常工作时与列车通信系统进行信息交流，另外，可以用于维护更新软件或将电子门控单元的状态信 息和诊断数据传送给维修设备。

由于城市轨道车辆车门运行环境非常复杂，目前城市轨道交通行业对门控制系统的硬件和软件制定的安全 标准非常高，但从运营反馈的问题来看，电控系统的故 障仍然占据较大比例。

3.3制造技术

城市轨道车辆车门是一个复杂的机电一体化产 品，目前主要采用模块化的制造技术来提高产品质 量，降低成本[19-22]。

门的关键零部件有门页、丝杆、电机、导轨、玻璃、胶条等。

门页采用铝框架、铝蜂窝及铝蒙板的铝夹层结构制 造，热固化成型，铝板边缘卷边包裹在铝骨架上，増强 机械附着强度。

丝杆作为传动机构，要求较高的精度，传统的螺纹 丝杆，可采用车床机加工，结合中频淬火、调质处理等 热处理工艺増强表面强度。由于多头丝杆在力学方面的 优势，使用越来越广泛，采用冷挤轧工艺可以提高生产 效率，提高质量。

此外，电机生产的标准化质量管理，导轨冲压的 模具精度，支撑件的粉末冶金加工，玻璃的曲面成型工 艺，都是实际生产中的关键和难点问题[23-26]。

4需要关注的问题

4.1门机构动力学研究不够深入

传统制造行业关注点主要在于产品设计和制造方 面，缺少对机构动力学的研究，在发现问题时，难以从 机构原理的角度去分析产品存在的固有问题。

车辆自动门是一个机电复合系统，建立数学模型时 需要考虑到控制、摩擦、刚度、阻尼、装配间隙、橡胶 属性等各种因素，实际部件通过试验方法进行综合测试 成本较高，并且花费时间太长。随着设计和制造的精密 化，需要从力学、机构学的角度来对动力系统进行数学 建模，采用机械动力学的思维从设计源头来发现并解决 工程问题。

4.2基础制造技术与国外存在差距

经过几代人的不懈努力，国内的轨道交通设备制造 技术已经有了巨大的提升，但相对于国外主流的轨道设 备企业，我国机电产品的质量稳定性还有较大的提升空 间，由于质量的问题，大部分产品集中在中低端市场，只能靠低价策略与国外的产品相竞争，关键系统仍然依 赖于国外厂家的技术支持。

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这个问题涉及到大量的基础工业，比如：加工误差 的有效控制，需要解决夹具、刀具、机床等基础问题，在生产过程中，合理的设计工艺路线图，选择经济加工 精度，优化每道工序的制造公差，在装配过程中，尺寸 链的设计、零件装配时配合误差的选择等，都需要在制 造过程中不断解决。

4.3系统之间的协同度不高

城市轨道车辆的开关门需要跟列车停靠状态、车站 屏蔽门以及前后列车的交通情况相紧密结合，形成一 个复杂的信息系统，否则易导致交通滞留，甚至发生 碰撞。

乘客的拥挤、系统的磨损、误触发紧急装置等问题 均可能导致车门关不上或者关不严实，从而导致列车发 车滞后，带来一系列的社会问题。作为车辆系统中一个 相对的环节，车门必须与其他系统建立很高的协同 度，通过相互之间的通信来保证交通安全。目前轨道交 通行业的很多设备来自于国外配套商，从国外设备商获 得数据，需要得到其授权，不仅増加了成本，也存在安 全隐患。

4.4可靠性研究样本数据不充足

近年来，随着安全要求的逐步増强，系统维护的 成本和可靠性成为地铁公司关注的重点。由于我国城市 轨道车辆发展历史相对较短，现代车门技术的大规模使 用时间也不长，早期的车辆系统缺乏全面的数据收集能 力，在役设备的数据不足以进行分析。

因此，需要采用设计、测试、生产、安装、质量 跟踪的方法实现轨道车辆门系统的全程可靠性保障。逐 步考虑増加在线数据采集设备，实时监测门系统在实际 运行过程中的电流、转速、扭矩等数据，通过大数据分 析，为产品的可靠性提供保障。

4.5门系统的轻量化研究不深入

门系统质量主要集中在门扇和驱动承载机构等机械 部分，通常，过重的门系统对整车的动力性、舒适性以 及操控稳定性有不良的影响，过重的门扇导致门系统开 关门过程中需要更多的动力输入，也会导致运动部件间 的磨损严重，造成这种原因是由于对门系统轻量化研究 不足和不够深入引起的。除此之外，门系统轻量化是衡 量整个门系统性能的一个重要指标，也是提高产品竞争 力的一个主要因素。

门系统轻量化主要集中在门扇的轻量化，轻质铝型材和铝蜂窝材料已经广泛应用于门扇结构的设计，门扇其他方向的轻量化研究不常见，对于承载驱动机构 轻量化的研究不多，也只是在现有产品的基础上进行修 改。目前汽车、航空等领域的产品轻量化较成熟的3个 方向：一是结构的轻量化形状设计，利用‘‘以结构换强 度”的结构优化设计和有限元分析等方法来达到；二是 轻量化材料的应用；三是采用先进的轻量化制造工艺技 术。这些方面的经验可以启发城市轨道车辆门系统的轻 量化研究。

4.6缺乏专业的人才团队

我国城市轨道交通发展时间短，但是社会高度重 视，发展速度快，技术更新快，导致各个领域都缺乏懂 新技术的专业人才，城市轨道车辆车门领域也不例外。车辆自动门是一个跟整车相关的机电系统，其研发、安 装、调试、维护均需要较强的轨道车辆、机械、电子、控制知识，传统的单一学科类技术人员已经难以满足行 业的需要。

5展望

5.1探索新的设计方法

新的技术不断发展，新的设计方法也不断涌现，如最优化设计、可靠性设计、并行设计、模糊设计、参数 化设计、摩擦学设计、虚拟产品设计、智能设计等，合理的使用新型设计方法，提高设计效率，降低设计 成本。

具体到轨道车辆车门系统而言，采用最优化设计可 以获得门系统最优的质量分配，实现轻量化；可靠性设 计可以降低故障率；并行设计可以提高设计效率；模糊 设计可以使系统具有较好的适用性；参数化设计可以建 立统一的标准，实现模块化；摩擦学设计可以降低系统 的摩擦阻力，节约驱动能量；虚拟设计和智能设计可以 提高机械设计的效果，节约设计时间。

机械设计和计算机专业人员可以协同开发专用的设 计软件，根据机械产品在实际工况下的各种损伤、失效 和破坏机理，定量分析和计算机械零件和机械的动态行 为，并形成固定的车门设计程序，如：车门系统振动分 析和设计，丝杆摩擦学设计，门板隔热设计，强度、刚度设计等。例如：用Pr〇/M软件分析机械装置的动态特 性，用AN SYS软件分析应力，用ADAM S分析动力学 性能，为准确判断装置的可靠性和选择设计参数奠定基

4M O D K N m B M T M N O T 5/2017现代城市轨眉交通城市轨道车辆车门技术综述综述述评

础，避免新产品投产后的固有缺陷。

5.2采用新的材料技术

材料是机电产品的基础，以波音787为例，由于采 用了大量的轻质高性能材料，优化性能的同时还降低了排放。

门系统的材料需要满足轨道交通行业标准，轻质、阻燃、隔音、高强度是其主要要求。碳纤维、点阵材 料、多孔填充材料、阻燃材料、隔热材料、新型轻质透 光材料、迷官式橡胶密封条等新型材料不断在其他行 业得到应用和验证，由于城市轨道车辆运行过程中的 温度、湿度、气压差异较大，现有的材料性能已经面临 不断的挑战。可以在保证质量的前提下，逐步采用新型 材料。

5.3构建先进制造新标准

世界各国都已经制定了鼓励制造业发展的，我国的制造业要脱离原先采用低廉人工成本竞争的状 态，从传统的铸造、锻造、焊接、热处理，不断的发展 创新，衍生出了粉末冶金、激光加工和焊接、三维打 印、微纳制造、柔性制造等新技术，引进绿色制造、模 块化、虚拟化、智能化等新概念，推进制造业的整体发 展，进而提出引领行业的制造质量标准。

5.4研究智能化控制技术

电子门控单元（EDCU)不仅要实现准确及时控制 车门的动作，同时需完成保护功能，如：智能检测，门隔离监测，降级模式，安全电路等；还要具有自动故 障监视、诊断和报告功能。需要满足安全完整性等级 (Safety Integrity Level，简称为SIL)。

研究新型的智能车门控制技术，如神经网络、模糊 PID、迁移学习等方法，实现对门控直流无刷电机的闭 环控制，提高门控系统的鲁棒性，根据动力学反馈预测 原理，优化驱动力，防止锁销临界脱离等问题，提高门 控系统的智能化水平。

5.5提高可靠性及故障诊断技术

一般而言，车门系统不能正常工作的失效概率比较 大的有ED C U内部模块故障、锁闭装置故障、螺母副故 障、锁闭开关故障、关门到位开关故障等。传统的故障 诊断系统数据量少，主要靠工程师的经验。轨道设备行 业逐步推广RAMS技术，即可靠性（Reliability)、可用 性（Availability)、可维修性（Maintainability)和安全 性（Safety),来减少产品故障、最大限度地提高产品的安全性能，降低产品的全寿命周期费用（LCC)。

未来可以通过建立基于车辆的联合专家系统，采用

故障树（FTA)等方法建立各种零件之间的逻辑关系，

结合灰色系统、模糊神经网络、键图、机器视觉等技术

综合进行故障监测。研究稳定可靠的车载设备数据传输

标准，提高故障数据传输的实时性和稳定性，提高列车

发车率和车辆利用率。

5.6拓展国外市场

国内外不同城市的轨道交通情况不同，文化差异也

较大，基于客户需求，可以提供多种设计方案，増强文

化特色，通过改进结构设计来满足客户的实际需求，如

人口密集地区可以采用车辆低地板方案，便于乘客上下 车，寒冷地区需要増强隔热设计，沙漠地区増加绿色环

保元素，沿海地区需要重点考虑盐雾腐蚀等。同时，培

养国际化专业人才队伍，从设计、制造、销售、技术服

务等方面满足国际化需求。

综上所述，车辆车门技术应该以满足城轨交通实际

需求为核心，在保证质量的前提下，逐步发展新设计、

新材料、新制造技术，采用智能化控制方法和故障诊断

技术，提高产品的综合竞争力。

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收稿日期2016-12-29

责任编辑冒一平

Overview of Urban Rail Vehicle Door Technology

Long Jing, Gao Wenming, Miao Xiaodong, et al. Abstract:Urban rail vehicle door is an important part of the transit safety system, facing many challenges and opportunities, while more and more domestic and foreign relevant organizations and institutions are paying attention and attaching importance to it. This paper makes an analysis of the existing urban rail vehicle door technology from the point of view at home and abroad on the current situation, classification of structure, key technology of the vehicle door technology and research work, and points out the status of key technology of domestic urban rail vehicle door and the needs to pay attention to the problems. In the end, it makes forecasts on the development trend of transit vehicle door technology.

Keywords:urban rail transit vehicle, vehicle door, mechatronics, key technology

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武汉贝通科技有限公司 后插五

同方股份有限公司 后插六

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北京纵横机电技术开发公司 封四

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