地鐵車(chē)輛客室塞拉門(mén)動(dòng)力學(xué)性能仿真分析

王伯銘 陳 婧 李智澤 曾星瑜

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031，成都；2.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司車(chē)輛公司，400042，重慶∥第一作者，副教授）

塞拉門(mén)系統(tǒng)因其突出的綜合性能，在地鐵車(chē)輛上得到了大量應(yīng)用，但它同時(shí)也具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在實(shí)際使用過(guò)程中開(kāi)關(guān)門(mén)性能較差等不足，且其“關(guān)門(mén)難”而造成的列車(chē)誤點(diǎn)問(wèn)題嚴(yán)重影響了地鐵車(chē)輛的正常運(yùn)營(yíng)。因此，有必要對(duì)地鐵車(chē)輛的塞拉門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行分析以研究與其關(guān)門(mén)性能有關(guān)的因素，并對(duì)其安裝精度提出必要的要求。

1 塞拉門(mén)結(jié)構(gòu)及控制原理

地鐵車(chē)輛客室塞拉門(mén)主要由工作機(jī)構(gòu)、密封裝置、控制系統(tǒng)等三大部分組成，具體包括車(chē)門(mén)承載導(dǎo)向裝置、車(chē)門(mén)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置、左右門(mén)扇、門(mén)上密封膠條、平衡輪組、緊急解鎖裝置、操作裝置、乘務(wù)員鑰匙開(kāi)關(guān)、密封壓條等機(jī)械部件，以及電子門(mén)控單元、指示燈等電氣部件。塞拉門(mén)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

·供電電壓，DC 1500V；

·電壓變化范圍，DC 1000～1800V；

·供電方式，DC 1500V架空接觸網(wǎng)供電；

·客室塞拉門(mén)數(shù)量，5組對(duì)開(kāi)；

·塞拉門(mén)凈開(kāi)尺寸（寬×高），（1595±2）mm×2022mm；

·塞拉門(mén)控制電壓，DC（70%～125%）×110V；

·塞拉門(mén)最大防擠壓力，≤150N；

·塞拉門(mén)手動(dòng)最大操作力，≤100N；

·塞拉門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間，（3±0.5）s；

·塞拉門(mén)操作緊急手柄最大扭矩，≤10Nm。

從圖1所示的塞拉門(mén)工作原理圖可以看出，攜門(mén)架與長(zhǎng)導(dǎo)柱和門(mén)扇聯(lián)接，滾輪在滑道中運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)門(mén)扇的縱橫向運(yùn)動(dòng)。塞拉門(mén)通過(guò)一個(gè)由門(mén)控器控制的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，在絲桿螺母的傳動(dòng)下，攜門(mén)架帶動(dòng)門(mén)扇在開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)的過(guò)程中平行擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)門(mén)扇的擺塞運(yùn)動(dòng)。

為了防止車(chē)門(mén)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中夾傷乘客和門(mén)零部件受力過(guò)大而損壞，塞拉門(mén)的門(mén)控系統(tǒng)設(shè)有障礙物檢測(cè)功能。即對(duì)門(mén)制器設(shè)定車(chē)門(mén)的最大受力臨界值。如果在某次關(guān)門(mén)（或開(kāi)門(mén)）過(guò)程中，門(mén)控器檢測(cè)到某個(gè)位置車(chē)門(mén)的阻力超過(guò)或者達(dá)到預(yù)設(shè)的臨界值，便認(rèn)為車(chē)門(mén)門(mén)扇受到了障礙物阻擋，門(mén)控器會(huì)發(fā)出一個(gè)指令信號(hào)令電機(jī)反向驅(qū)動(dòng)，使門(mén)扇打開(kāi)至規(guī)定距離，以便排除障礙物。然而，門(mén)控器并不能識(shí)別車(chē)門(mén)受到的阻力是否真正來(lái)自于障礙物或被夾住的人。實(shí)際使用情況顯示，該功能在一定程度上降低了車(chē)門(mén)的關(guān)門(mén)性能。

圖1 車(chē)門(mén)傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖

2 塞拉門(mén)虛擬樣機(jī)的建立

塞拉門(mén)機(jī)構(gòu)零件組成較多，個(gè)別零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接利用ADAMS（機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析）軟件建模功能很難完成三維實(shí)體建模。利用三維建模軟件Pro／E建立城市軌道交通車(chē)輛客室塞拉門(mén)系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，并完成零部件的裝配和干涉檢驗(yàn)，最終完成整機(jī)建模，參見(jiàn)圖2。

圖2 塞拉門(mén)裝配三維模型

將建好的三維模型轉(zhuǎn)換成ADAMS可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入到ADAMS軟件。在確認(rèn)沒(méi)有裝配體模型丟失或失真的情況下，設(shè)置各構(gòu)件的材料密度、構(gòu)件之間的約束等，使各個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件形成有機(jī)整體，反映機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。完成上述前處理后，得到塞拉門(mén)系統(tǒng)的ADAMS仿真模型。

3 塞拉門(mén)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由車(chē)門(mén)的工作原理可知，車(chē)門(mén)門(mén)扇的運(yùn)動(dòng)軌跡與滑道形狀一致。將車(chē)門(mén)的關(guān)門(mén)終點(diǎn)定義為坐標(biāo)系原點(diǎn)，Z軸方向?yàn)槠叫杏陂T(mén)扇方向，X軸方向?yàn)榇怪庇陂T(mén)扇方向，則車(chē)門(mén)門(mén)扇的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 門(mén)扇的運(yùn)動(dòng)軌跡

在ADAMS進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真中設(shè)定電機(jī)的速度為常值233mm／s，理論分析得出車(chē)門(mén)沿垂直門(mén)板面方向的位移s和速度v與關(guān)門(mén)時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系分別為：

則理論的位移與速度曲線如圖4及圖5所示。

通過(guò)ADAMS仿真得出車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖6所示?？梢钥吹?，車(chē)門(mén)的仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。

圖4 關(guān)門(mén)位移的理論值

圖5 關(guān)門(mén)速度的理論值

仿真得出車(chē)門(mén)對(duì)應(yīng)的加速度曲線如圖7所示?？梢钥闯觯?chē)門(mén)關(guān)門(mén)過(guò)程中沿滑道直線部分的運(yùn)行平穩(wěn)，只在進(jìn)出塞拉行程時(shí)的沖擊比較大。該仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖6 車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)位移與速度的仿真曲線

圖7 關(guān)門(mén)過(guò)程中車(chē)門(mén)沿垂直門(mén)板面方向加速度曲線

4 塞拉門(mén)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

地鐵車(chē)輛客室塞拉門(mén)設(shè)定的最大防擠壓力為Fmax＝150N，定義其方向與門(mén)板面平行；通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的車(chē)門(mén)的機(jī)械阻力為Fm＝70N。當(dāng)車(chē)門(mén)受到的機(jī)械阻力低于70N時(shí)，不會(huì)對(duì)車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)產(chǎn)生影響。在動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中，根據(jù)設(shè)定的車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)速度曲線，在ADAMS軟件中為模型添加的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)表達(dá)式為：step（time，0，120，0.5，315）＋step（time，1.55，0，2.15，－170）。仿真得出車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)的速度、位移曲線如圖8所示。

圖8 車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)的速度、位移與時(shí)間的關(guān)系

4.1 摩擦力對(duì)車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)性能的影響

從圖8可以看出，車(chē)門(mén)在2.1s時(shí)開(kāi)始進(jìn)入滑道的塞拉行程，在2.75s時(shí)達(dá)到最大塞拉角即35°，此后車(chē)門(mén)沿35°塞拉角方向直線運(yùn)動(dòng)，且車(chē)門(mén)垂直于門(mén)扇方向的速度為100mm／s。對(duì)應(yīng)圖9為車(chē)門(mén)的摩擦系數(shù)依次為0.01、0.05、0.10、0.15時(shí)的受力曲線。表明車(chē)門(mén)在進(jìn)入塞拉行程過(guò)程中受到的荷載沖擊較大，且隨著摩擦力的增大沖擊力不斷變大。當(dāng)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15時(shí)，車(chē)門(mén)受到的機(jī)械阻力達(dá)到的最大峰值為77.76N＞Fm＝70N，但是其持續(xù)時(shí)間比較短；其他的情況下車(chē)門(mén)受到的機(jī)械阻力均保持在70N以下。

圖9 不同摩擦力下車(chē)門(mén)受到的機(jī)械阻力

通過(guò)上述對(duì)摩擦力的分析可知，當(dāng)車(chē)門(mén)攜門(mén)架與長(zhǎng)導(dǎo)柱之間的動(dòng)摩擦系數(shù)在0.01～0.15、靜摩擦系數(shù)在0～0.2的范圍內(nèi)時(shí)，車(chē)門(mén)的機(jī)械阻力基本保持在70N以下。因此，摩擦力的變化對(duì)車(chē)門(mén)障礙物檢測(cè)功能的影響處于一個(gè)臨界狀態(tài)，即偶爾會(huì)造成車(chē)門(mén)誤開(kāi)的現(xiàn)象。這與實(shí)際情況基本吻合。

4.2 車(chē)門(mén)的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)性能的影響

圖10表示在車(chē)門(mén)上滑道的塞拉角分別為35°、37°、38°的情況下，車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)過(guò)程中受到的平行于門(mén)扇方向的機(jī)械阻力?？梢钥闯觯N情況下車(chē)門(mén)受到?jīng)_擊力的趨勢(shì)大體相同；當(dāng)車(chē)門(mén)進(jìn)入塞拉行程后，由于運(yùn)動(dòng)方向的不斷變化，使門(mén)扇速度和加速度不斷變化，導(dǎo)致車(chē)門(mén)受到不同程度的沖擊力。

圖10 在不同塞拉角下車(chē)門(mén)平行于門(mén)扇方向的機(jī)械阻力

由圖10可知，三種情況下車(chē)門(mén)受到的最大沖擊力為53.67N、82.98N、162.10N。因此，當(dāng)塞拉角為35°時(shí)，車(chē)門(mén)不會(huì)出現(xiàn)“障礙物再開(kāi)門(mén)”的錯(cuò)誤動(dòng)作；當(dāng)塞拉角為37°時(shí)，車(chē)門(mén)的關(guān)門(mén)阻力超過(guò)了安全值，但其持續(xù)時(shí)間較短，超出的差值也只有約13N，故車(chē)門(mén)可能會(huì)產(chǎn)生“障礙物再開(kāi)門(mén)”的錯(cuò)誤動(dòng)作；當(dāng)塞拉角為38°時(shí)，車(chē)門(mén)的受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了安全值，導(dǎo)致車(chē)門(mén)在關(guān)門(mén)的過(guò)程中一定會(huì)發(fā)生“障礙物再開(kāi)門(mén)”的錯(cuò)誤動(dòng)作。

通過(guò)上述分析得出，為保證塞拉門(mén)的關(guān)門(mén)性能，車(chē)門(mén)的塞拉角誤差應(yīng)小于2°。

5 密封橡膠受力分析

在車(chē)門(mén)關(guān)閉的終點(diǎn)附近，車(chē)門(mén)密封膠條開(kāi)始與接觸面相接觸，兩扇門(mén)對(duì)接的互指膠條也要相互接觸，為了達(dá)到密封要求，密封膠條、互指膠條都要產(chǎn)生一定的壓縮變形量，以便獲得預(yù)定的壓緊力。然而，這個(gè)密封彈力在滿足車(chē)門(mén)密封要求的同時(shí)卻成了車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)的阻力。此外，車(chē)門(mén)在不斷地被關(guān)緊的過(guò)程中周邊密封壓條在擠壓變形的同時(shí)與密封面產(chǎn)生摩擦力，這個(gè)摩擦力也會(huì)阻礙車(chē)門(mén)的關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)。

5.1 密封膠條力學(xué)模型的建立

近似認(rèn)為密封膠條的所有位置變形均勻一致，密封橡膠的彈力與變形量之間滿足胡克定律，密封膠條的長(zhǎng)度等于門(mén)扇垂向尺寸，忽略車(chē)門(mén)的彎曲角度。則車(chē)門(mén)受到的來(lái)自于密封膠條變形的總阻力為：

其中，

式中：

Fz——周邊密封膠條變形阻力，N；

fz——周邊密封膠條摩擦阻力，N；

Fh——互指膠條變形阻力，N；

f（z）——門(mén)扇在垂直方向的位移函數(shù)，mm；

E——橡膠的彈性模量，MPa；

h——門(mén)扇高度，mm；

w——單個(gè)門(mén)扇寬度，mm；

lz，lh——分別為周邊密封膠條和互指密封膠條的單位長(zhǎng)度，mm；

Az，Ah——分別為周邊密封膠條和互指密封膠條的單位截面積，mm2；

e，f——分別為周邊密封膠條和互指密封膠條的額定壓縮量，mm；

μ——周邊密封膠條密封面之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

由于塞拉門(mén)在車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中f＜e，整理可得：

將地鐵客室塞拉門(mén)系統(tǒng)的主要參數(shù)（見(jiàn)表1）代入式（4）～（7）中，可以得出在額定變形量下，密封膠條的各個(gè)變形受力，如圖11所示。從圖中可以看出，當(dāng)車(chē)門(mén)的安裝誤差為零時(shí)，車(chē)門(mén)的密封膠條沿平行于車(chē)門(mén)方向的受力最大為64.35N。

5.2 周邊密封膠條變形量對(duì)車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)性能的影響

如圖12所示，車(chē)門(mén)的互指膠條在額定變形量下，周邊密封膠條的變形量分別比額定變形量大0 mm、1mm、2mm、3mm時(shí)單個(gè)門(mén)扇的受力分布曲線?？梢钥吹剑?chē)門(mén)的最大受力值依次為64.35N、70N、75.69N、81.36N。而車(chē)門(mén)周邊密封膠條的變形量受車(chē)門(mén)外擺尺寸（56mm）的影響。

表1 車(chē)門(mén)的主要參數(shù)

圖11 額定變形量下密封膠條受到各個(gè)力的分布圖

圖12 周邊密封膠條不同變形量的受力分布圖

通過(guò)上述分析知，周邊密封膠條變形量的變化對(duì)車(chē)門(mén)受力的影響比較緩慢；當(dāng)密封膠條的變形量比額定值大3mm時(shí)變形力最大，其值比安全值大11.36N，可造成車(chē)門(mén)誤開(kāi)的現(xiàn)象，此時(shí)車(chē)門(mén)外擺尺寸為53mm。因此，車(chē)門(mén)的外擺尺寸要盡量控制在54～56mm之間，以降低車(chē)門(mén)的關(guān)門(mén)受力，提高關(guān)門(mén)質(zhì)量。

5.3 互指膠條變形量對(duì)車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)性能的影響

圖13為車(chē)門(mén)的周邊密封膠條在額定變形量下，互指膠條的變形量分別比額定變形量大0mm、1 mm、2mm時(shí)單個(gè)門(mén)扇的受力分布曲線?？芍?chē)門(mén)的最大受力值依次為64.35N、82.35N、100.35N。而車(chē)門(mén)互指膠條的變形量受車(chē)門(mén)密封尺寸的影響，車(chē)門(mén)密封要求的兩扇門(mén)頁(yè)互指膠條之間的尺寸為（44.3±4）mm。

圖13 互指密封膠條不同變形量的受力分布圖

通過(guò)上述分析知，互指膠條變形量的變化對(duì)車(chē)門(mén)受力的影響比較大，當(dāng)單扇門(mén)頁(yè)的密封膠條的變形量比額定值大1mm（即車(chē)門(mén)互指膠條的密封尺寸為43.3mm）時(shí)，密封膠條的受力就會(huì)比預(yù)定值大12.35N，嚴(yán)重影響車(chē)門(mén)的關(guān)門(mén)性能。因此，車(chē)門(mén)的密封尺寸最好嚴(yán)格達(dá)到規(guī)定尺寸44.3mm，從而保證車(chē)門(mén)的安裝質(zhì)量，提高車(chē)門(mén)的關(guān)門(mén)性能。

6 結(jié)論

（1）由車(chē)門(mén)長(zhǎng)導(dǎo)柱與攜門(mén)架軸承之間摩擦系數(shù)的改變而引起的摩擦力變化對(duì)車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)性能的影響不是很大；

（2）車(chē)門(mén)門(mén)扇運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)車(chē)門(mén)受力的影響較大，為了保證車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)準(zhǔn)確性，車(chē)門(mén)塞拉角誤差應(yīng)不大于2°；

（3）車(chē)門(mén)門(mén)扇外擺最優(yōu)安裝尺寸的公差范圍是0～－2mm，而車(chē)門(mén)密封尺寸是車(chē)門(mén)密封要求中最重要的尺寸，其誤差應(yīng)盡量控制為零。

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