魏广宏， 谭虓， 刘雄心， 康亚进， 林晓光， 马宁， 曹健
（北京市地铁运营有限公司，北京 100043）
北京地铁7号线电磁锁[1]在运行10万次时即出现故障，而不是运行100万次才出现故障。电磁锁的故障现象为：电磁锁不解锁和不落锁。当发生电磁锁不解锁故障时，滑动门无法打开，乘客无法从该道滑动门乘降；
当发生不落锁故障时，地铁站台门系统无法向列车发出“所有门关闭且锁紧”命令，列车将无法驶离车站，电磁锁的两个故障影响站台门的正常打开和关闭，影响列车正常运行，给乘客的乘降带来不便。
北京地铁7号线站台门的设备制造厂家自开通以来，多次改进电磁锁，电磁锁的故障率有明显下降，但电磁锁仍然存在不解锁和不落锁的故障现象。为了提高地铁站台门系统的可靠性和安全性，方便广大乘客正常、有序乘降列车，有必要分析、研究电磁锁的故障机理，改进电磁锁的结构和工作原理，研制一种机械保持解锁状态的电磁锁，用以解决在实际中出现的问题。
针对现有技术存在的上述技术缺陷，本文针对7号线电磁锁进行了重新设计。
图1为解锁状态下的电磁锁[2-4]轴测图，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1 解锁状态下的电磁锁轴测图
图2 锁闭状态下的电磁锁轴测图
图3 重要零部件示意图
如图1所示，电磁锁包括底板、电磁铁、衔铁、万向节、左行程开关支架、右行程开关支架、左行程开关、右行程开关、左导柱、右导柱、升降板、左卡片、右卡片、卡片挡柱、转轴和螺钉。电磁铁固定安装在底板上，衔铁安装在电磁铁内，衔铁可以沿着电磁铁的轴线上、下运动，万向节的上端呈扁平状，万向节的上端通过螺钉与衔铁连接在一起，万向节的下端在圆周方向制有槽口，万向节下端的槽口与升降板连接在一起，衔铁可以带着万向节和升降板上、下运动，升降板上端的左侧制有左长孔，升降板上端的右侧制有右长孔，左导柱呈阶梯轴状，左导柱的粗端固定在底板上，左导柱的细端嵌入升降板的左长孔内，右导柱呈阶梯轴状，右导柱的粗端固定在底板上，右导柱的细端嵌入升降板的右长孔内，升降板下端的中间位置制有下长孔，转轴固定在底板上，转轴伸入下长孔中，设置左长孔、右长孔和下长孔是为了能使升降板在约束的条件下做上、下运动，左长孔、右长孔和下长孔在竖直方向的长度等于衔铁在竖直方向上的直线运动距离，升降板在衔铁的带动下可以沿着左导柱、右导柱和转轴做上、下往复直线运动，左卡片设置为可以绕转轴旋转，右卡片设置为可以绕转轴旋转，右卡片设置在升降板的前面，左卡片设置在升降板的后面，左行程开关支架固定在底板上部位置的左侧，右行程开关支架固定在底板上部位置的右侧，左行程开关固定在左行程开关支架上，右行程开关固定在右行程开关支架上，卡片挡柱固定在升降板上，升降板的中间位置左侧设置有左锁舌，升降板的中间位置右侧设置有右锁舌，左卡片从上至下依次设置有左上止挡面、左上止挡弧、左止挡沟槽、左撞击面和左锁槽，右卡片从上至下依次设置有右上止挡面、右上止挡弧、右止挡沟槽、右撞击面和右锁槽。
在电磁铁衔铁和升降板的连接处加了一个万向节，这样能避免电磁铁衔铁不动作的情况。把左卡片和右卡片分别布置在升降板的前面和后面，解决了应力集中的问题，使电磁锁更加安全可靠。
电磁锁[5]的开门及关门动作原理为：1）当准备关门时，右滑动门向左运动，右门销撞击右卡片的右撞击面，右卡片逆时针旋转，右门销进入到右锁槽内，左滑动门向右运动，左门销撞击左卡片的左撞击面，左卡片顺时针旋转，左门销进入到左锁槽内，在左卡片和右卡片旋转到一定角度时，卡片挡柱不再受到左上止挡弧和右上止挡弧的支撑，升降板和固定在其上的卡片挡柱在重力的作用下自由下落，升降板下降时，升降板上的左锁舌从上方锁住了左门销，升降板上的右锁舌从上方锁住了右门销，当卡片挡柱落入左止挡沟槽和右止挡沟槽中时，左卡片和右卡片被限制住并停止转动，这样左卡片从下方锁住了左门销，右卡片从下方锁住了右门销，左滑动门和右滑动门停止运动并处于关门状态；
2）当准备开门[6]时，门控器[7]接到开门信息，电磁铁的线圈得电吸合，吸引衔铁向上运动，升降板和固定在其上的卡片挡柱也随着向上运动，升降板的左锁舌不再从上方锁住左门销，升降板的右锁舌不再从上方锁住右门销，左行程开关和右行程开关被触发并向门控器发出左滑动门[8]和右滑动门已解锁信息，驱动电动机带动左滑动门和右滑动门向两侧运行，这时左门销带着左卡片逆时针转动，右门销带着右卡片顺时针转动，当左卡片逆时针旋转到一定角度时，左上止挡面被卡片挡柱挡住不再转动，当右卡片顺时针旋转到一定角度时，右上止挡面也被卡片挡柱挡住不再转动，这时左上止挡弧和右上止挡弧支撑起卡片挡柱，使升降板和固定在其上的卡片挡柱不再下降，使电磁锁处于机械保持解锁状态，左滑动门和右滑动门打开。
地铁站台门在运行过程中，发现电磁锁的行程开关有时会发生损坏，降低了站台门的安全性。
随机抽取150个损坏的行程开关，对其进行解剖分析，其中升降板撞击行程开关造成损坏的占90个，行程开关线圈烧坏的占30个，行程开关质量问题的占15个，安装问题占9个，其它原因占6个，按照损坏原因所占比例从大到小进行数据统计如表1所示。
表1 行程开关损坏原因统计表
根据行程开关发生损坏数据统计表，做巴雷特累计频率曲线（排列图），如图4所示。
由图4中看出：按照累计频率分为主要因素A类（0～80%）、次要因素B类（80%～90%）和一般因素C类（90%～100%）。由分析得出：升降板撞击行程开关是行程开关损坏的最主要因素。
在以往的电磁锁设计中，常常忽视升降板上部的滑道曲线的设计。结果给行程开关造成了很大破坏，产生了很大的噪声并降低了行程开关的寿命。可以采用组合型运动规律对滑道曲线进行优化设计。具体的可以采用变形正弦加速度曲线[9-10]，变形正弦加速度曲线是正弦加速度与等速规律组合。
4.1 变形正弦加速度曲线的构建方法（推程）
在电磁锁中：M为升降板的最大行程；
m为在某时刻t升降板的行程；
h为升降板运动时行程开关滚轮的最大位移；
s为行程开关的滚轮在某时刻t的位移；
v为行程开关的滚轮在某时刻t的速度；
a为行程开关的滚轮在某时刻t的加速度；
j为行程开关的滚轮在某时刻t的跃度。
图5所示为变形正弦加速度曲线的运动线图。变形正弦加速度曲线的加速度由3段曲线依次衔接。
图5 正弦加速度与等速规律组合（推程）
在0～M/4段是正弦函数的第一、二象限曲线，其幅值为R、周期为M/2。
在M/4～3M/4段是水平直线段，其幅值等于零。
在3M/4～M段是正弦函数的第三、四象限曲线，其幅值为R、周期为M/2。
1）在第一段曲线可以得出：
4.2 变形正弦加速度曲线的建立（推程）
由图5可以看出，本文所构建的变形正弦加速度曲线、速度曲线和位移曲线连续，跃度曲线没有无穷大阶跃断点，既避免了刚性冲击，也避免了柔性冲击，不会给行程开关带来冲击性损害。本文依靠计算机所构建的变形正弦加速度曲线具有优良的动力特性和运动特性，可以推广使用到很多需要特殊要求的机械设计场合中。
由于发明了一种机械保持解锁状态的电磁锁，使电磁锁在解锁过程中的电保持解锁状态转化为机械保持解锁状态，使电磁锁的加电时间大大缩短，避免了电磁锁线圈被烧坏的可能；
把左卡片和右卡片分别设计在升降板的前面和后面，避免了应力集中，延长了电磁锁的寿命；
在电磁铁衔铁和升降板的连接处加了一个万向节，避免了电磁铁衔铁不动作的情况，使电磁锁不再出现卡死现象；
同时针对行程开关被撞击易损坏的情况，重新设计了与行程开关相对应的升降板上面的滑道曲线，避免了对行程开关的刚性冲击和柔性冲击，降低噪声的同时，延长了行程开关的寿命。实践证明：该机械保持解锁状态的电磁锁的研制，解决了北京地铁7号线屏蔽门电磁锁出现的问题，有力地保障了列车的安全运行。