城軌塞拉門綜合評價方法研究

貢智兵，王祖進

（南京康尼股份有限公司，江蘇 南京，210038）

0　引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，客室車門結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，使得客室車門故障診斷的需求顯得越來越急迫。因此，為了能夠迅速、準(zhǔn)確確定故障原因和部位，以最小的勞動消耗，有效地評價客室車門系統(tǒng)故障狀況，需要對車門系統(tǒng)的工作過程進行研究，匯總門系統(tǒng)性能的影響指標(biāo)。門系統(tǒng)的綜合評價是通過建立門系統(tǒng)的機電一體化虛擬樣機模型，并基于此模型對門系統(tǒng)在多種工況下的運行過程和性能指標(biāo)進行研究，進而建立綜合評價指標(biāo)體系[1-5]，實現(xiàn)對門系統(tǒng)的綜合評價[6-8]。

因此，本文采用虛擬樣機技術(shù)[9-13]，基于已建立的機電聯(lián)合虛擬樣機模型[14]，對門系統(tǒng)性能的影響指標(biāo)進行仿真分析，建立門系統(tǒng)的綜合評價指標(biāo)體系，從而建立二級模糊綜合評判模型[15]對門系統(tǒng)的性能進行綜合評價。

1　門系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系

已建立的門系統(tǒng)虛擬樣機模型如圖1所示。

1.1　手動關(guān)門力

為測量手動開關(guān)門力，在門扇前擋構(gòu)建Spring彈簧力，通過拖拽彈簧，使彈簧被拉長，由于力的作用是相互的，彈簧拉力傳遞到門扇，當(dāng)彈簧大力大于門扇運動阻力，門扇即可運動，通過測量彈簧張緊力即可間接獲得門扇開關(guān)門過程的動態(tài)變化力。

通過對長短導(dǎo)柱上的摩擦系數(shù)、電機的靜阻扭矩、扭簧剛度對手動關(guān)門力的影響程度進行仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）長導(dǎo)柱上的摩擦系數(shù)越大，即門系統(tǒng)在運行方向上的摩擦阻力越大，則手動關(guān)門力越大；

2）電機的靜阻扭矩越大，則手動關(guān)門力越大；

3）扭簧的剛度越大，則手動關(guān)門力越大。

1.2　關(guān)門防擠壓力

關(guān)門障礙物檢測時的關(guān)門防擠壓力大小與電機的電流大小有關(guān)，電流越大表明防擠壓力越大，電流越小則防擠壓力也越小。

通過對運動速度和電流限幅對關(guān)門防擠壓力的影響程度進行仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）運動速度越大，則電機驅(qū)動電流越大，即關(guān)門防擠壓力越大；

2）電流限幅越大，則電機驅(qū)動電流越大，即關(guān)門防擠壓力越大。

1.3　運動平穩(wěn)性

對門系統(tǒng)的開關(guān)門平穩(wěn)性進行仿真分析，主要對6個運動階段進行仿真研究，即：開門啟動段、開門加速段、開門到位段、關(guān)門啟動段、關(guān)門加速段、關(guān)門到位段。通過改變上述運動階段參考輸入速度的大小，得到不同運動速度下的接觸力曲線，對接觸力曲線的幅值和波動性進行分析，從而得到上述運動階段的速度對開關(guān)門運動平穩(wěn)性的影響。

已建立的虛擬樣機沒有考慮開關(guān)門堵轉(zhuǎn)情況，所有還需要對開關(guān)門堵轉(zhuǎn)進行仿真分析。在臺架立柱與攜門架上緩沖頭間建立接觸，如圖2所示。對開門堵轉(zhuǎn)仿真模型進行仿真分析，得到完整的開門過程電機轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電流曲線，如圖3、4所示。

圖1　門系統(tǒng)虛擬樣機Fig.1 Virtual prototype of the door system

圖2　開門堵轉(zhuǎn)仿真模型Fig.2 Simulation model of the open-door blocking

圖3　開門電機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of the motor speed for opening the door

圖4　開門電機電流仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the motor current for opening the door

對關(guān)門堵轉(zhuǎn)進行仿真分析，得到電機轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電流曲線，如圖5、6所示。

圖5　關(guān)門電機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the motor speed for closing the door

圖6　關(guān)門電機電流仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of the motor current for closing the door

通過對門系統(tǒng)開關(guān)門平穩(wěn)性的影響因素進行仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）開門啟動運動速度越大，則接觸力波動越大，即運動平穩(wěn)性越差；

2）開門加速越快，則接觸力波動越大，即運動平穩(wěn)性越差；

3）開門到位運動速度越大，則接觸力波動越大，即運動平穩(wěn)性越差；

4）關(guān)門啟動運動速度越大，則接觸力波動越大，即運動平穩(wěn)性越差；

5）關(guān)門加速越快，則接觸力波動越大，即運動平穩(wěn)性越差；

6）關(guān)門到位運動速度過大或者過小，會導(dǎo)致接觸力波動變大，即運動平穩(wěn)性變差。

1.4　綜合評價指標(biāo)體系

根據(jù)上述對手動關(guān)門力、關(guān)門防擠壓力和開關(guān)門運動平穩(wěn)性影響因素的仿真分析，可以建立城軌塞拉門的綜合評價指標(biāo)體系，如圖7所示。綜合評價指標(biāo)體系包括3個一級指標(biāo)：手動關(guān)門力、關(guān)門防擠壓力、開關(guān)門運動平穩(wěn)性，其中手動關(guān)門力包括3個二級指標(biāo)：摩擦阻力、電機靜阻扭矩、扭簧剛度；關(guān)門防擠壓力包括2個二級指標(biāo)：電流限幅、運動速度；開關(guān)門運動平穩(wěn)性包括6個二級指標(biāo)：開門啟動速度、開門加速速度、開門到位速度、關(guān)門啟動速度、關(guān)門加速速度、關(guān)門到位速度。

圖7　城軌塞拉門綜合評價指標(biāo)體系Fig.7 Comprehensive evaluation index system of the city track sliding plug door

2　門系統(tǒng)模糊綜合評判模型

根據(jù)上述門系統(tǒng)性能的綜合評價指標(biāo)體系，建立相應(yīng)的二級模糊綜合評判模型。

2.1　確定模型條件

建立模糊綜合評價模型前，需要確立評價因素集、評語(評價等級)集和權(quán)重集。首先，根據(jù)圖7，建立二級評價因素集：, 其中：ni為Ui中評價因素的個數(shù)。其次，根據(jù)評價的具體要求，將評價指標(biāo)的評價值分成s個等級，即用來表示評語集。然后，確定U和Ui中每個因素在綜合評價過程中的重要程度，設(shè)U中每個因素相對U的權(quán)重集為:同理，確定Ui的權(quán)重集為

2.2　計算評價指標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)對影響因素的仿真分析結(jié)果，對上述綜合評價指標(biāo)分配權(quán)重，分配結(jié)果如表1、2所示。

表1　一級評價指標(biāo)權(quán)重分配Table 1 Weight distribution of the level 1 evaluation index

表2　二級評價指標(biāo)權(quán)重分配Table 2 Weight distribution of the level 2 evaluation index

2.3　評判矩陣

對某一門系統(tǒng)確定評價等級的過程等同于確定門系統(tǒng)對每個評價等級vi的隸屬度值的過程。對每一個評價指標(biāo)Ui進行單指標(biāo)評價，得出單指標(biāo)評價矩陣：，其中ini表示Ui中的元素個數(shù)，s表示評價等級個數(shù)，rij表示指標(biāo)對評語vi的隸屬度。本文采用德爾菲法確定各評價指標(biāo)對相應(yīng)評語的隸屬度。算出Ui的最終評語：。然后將每個Ui作為單獨元素，Ei作為單指標(biāo)評價向量，構(gòu)成從U到V的模糊評價矩陣從而得出U的最終評語向量：E =W?R。

3　綜合評價實例

以某個城軌基型塞拉門臺架為例，對其進行綜合評價。該門系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)的具體數(shù)值為：手動關(guān)門力：140 N；摩擦阻力：0.04；電機靜阻扭矩：190 N·mm；扭簧剛度：5.52N·mm/°；關(guān)門防擠壓力：130 N；電流限幅：1.72 A；運動速度：272 mm/s；開門啟動速度：248 mm/s；開門加速度：500 mm/s2；開門到位速度：90 mm/s；關(guān)門啟動速度：140 mm/s；關(guān)門加速度：600 mm/s2；關(guān)門到位速度：225 mm/s。

首先，得到各評價指標(biāo)的權(quán)重向量如下：

然后，確定評價標(biāo)準(zhǔn)集隸屬度，如表3所示。

表3　評價標(biāo)準(zhǔn)集隸屬度Table 3 Membership degree of the evaluation standard set

則可得到：

根據(jù)權(quán)重向量，可以得出：

最后，將上述評價向量當(dāng)作第二層的指標(biāo)評價矩陣，可以得出二級評價結(jié)果如下：0.55850.08540.07530.0101]，根據(jù)最大隸屬度評判準(zhǔn)則，對該門系統(tǒng)性能的最終評價為較好。

4　結(jié)論

基于已建立的機電聯(lián)合仿真模型，對影響手動關(guān)門力大小、關(guān)門防擠壓力大小、開關(guān)門運動平穩(wěn)性的因素進行了仿真分析，建立了綜合評價指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊綜合評判法解決了門系統(tǒng)性能的綜合評價問題。在引入實例的基礎(chǔ)上，通過量化和科學(xué)計算，最終得出了合理的評判結(jié)果，實現(xiàn)了門系統(tǒng)的綜合評價。