貨運(yùn)動(dòng)車車門動(dòng)力學(xué)仿真研究

馬洪偉 王祖進(jìn) 孫暢勵(lì)

摘 要：基于RecurDyn 軟件的動(dòng)力學(xué)分析功能，對(duì)高速貨運(yùn)動(dòng)車車門運(yùn)行過(guò)程中所受載荷進(jìn)行了研究。首先建立了門系統(tǒng)三維模型并導(dǎo)入RecurDyn 軟件，設(shè)置材料屬性，根據(jù)門系統(tǒng)工作要求在模型中添加運(yùn)動(dòng)副、接觸副、模型驅(qū)動(dòng)。然后為了使仿真結(jié)果更加貼合實(shí)際工況，在模型中添加了摩擦力。最后仿真得到了車門工作過(guò)程中絲桿所受的驅(qū)動(dòng)扭矩曲線。本文的研究成果為后續(xù)貨運(yùn)動(dòng)車車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型提供了參考。

關(guān)鍵詞：貨運(yùn)動(dòng)車車門;動(dòng)力學(xué)仿真;驅(qū)動(dòng)負(fù)載;電機(jī)選型

0 引言

隨著我國(guó)電子商務(wù)的興起，快遞行業(yè)飛速發(fā)展，高速貨運(yùn)動(dòng)車因其低成本、大容量、大載重、時(shí)速高等特點(diǎn)，逐漸成為一種新型貨物運(yùn)輸方式[1-3]。車門系統(tǒng)作為貨運(yùn)動(dòng)車的主要組成部件之一，對(duì)車輛的安全、可靠運(yùn)行有著重要影響，車門的穩(wěn)定運(yùn)行，是貨運(yùn)動(dòng)車高效、快速運(yùn)輸貨物的保障。

與城軌列車車門相比，貨運(yùn)動(dòng)車車門開(kāi)度大、重量大、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜[4]，車門系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載較大，易出現(xiàn)卡滯、動(dòng)力不足等情況，因此對(duì)貨運(yùn)車門系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程絲桿所受負(fù)載進(jìn)行研究十分必要。本文利于虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于RecurDyn 軟件建立貨運(yùn)動(dòng)車車門動(dòng)力學(xué)仿真模型，模擬得到車門運(yùn)行所需扭矩，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及后續(xù)貨運(yùn)動(dòng)車車門研究提供參考依據(jù)。

1 動(dòng)力學(xué)仿真模型建模

貨運(yùn)動(dòng)車車門系統(tǒng)主要包括：邊部罩板組件、門扇組件、下擺臂組件、電機(jī)、承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、下滑道組件等。

基于SolidWorks 軟件完成貨運(yùn)動(dòng)車門系統(tǒng)三維建模和裝配，另存為x_t 格式后導(dǎo)入RecurDyn 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立車門動(dòng)力學(xué)仿真模型[5-7]，如圖1 所示，根據(jù)三維模型設(shè)置動(dòng)力學(xué)模型中各零部件的材料屬性。

2 模型參數(shù)設(shè)置

2.1 主要運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)置

2.1.1 承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為門系統(tǒng)的主要組成組件，是驅(qū)動(dòng)門扇完成開(kāi)閉動(dòng)作的主要作用部件，電動(dòng)開(kāi)關(guān)門時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的左/右旋螺母組件通過(guò)攜門架帶動(dòng)門扇運(yùn)動(dòng)，在上滑道和掛架組件的約束下完成開(kāi)閉動(dòng)作。

2.1.2 下部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

門扇下導(dǎo)軌和曲線塊安裝在車體上，擺臂組件安裝在門扇上，滾輪在曲線塊和下導(dǎo)軌內(nèi)外輪廓面的約束下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)門扇下部的直線和擺塞動(dòng)作。

2.2 接觸參數(shù)設(shè)置

對(duì)門系統(tǒng)接觸副進(jìn)行定義[8-10]，主要包括：上滾輪與上滑道之間的接觸、螺母組件與攜門架之間的接觸、攜門架與線軌座之間的接觸、下滾輪與曲線塊及下導(dǎo)軌之間的接觸等。接觸類型選擇幾何表面接觸（Geo Surface Contact）。

2.3 摩擦力設(shè)置

門扇在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到摩擦力，為使模型仿真結(jié)果更加貼合實(shí)際工況，在部分約束副中添加摩擦系數(shù)，主要參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

3 仿真分析

門系統(tǒng)工作過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)門扇開(kāi)閉動(dòng)作，因此在模型中以絲桿轉(zhuǎn)速作為模型驅(qū)動(dòng)，為提高模型可信度，采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)架采集速度曲線作為輸入轉(zhuǎn)速。在貨運(yùn)車門系統(tǒng)臺(tái)架上進(jìn)行電動(dòng)開(kāi)門實(shí)驗(yàn)，獲取10 組電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線并進(jìn)行均值處理，如圖2所示。

設(shè)置仿真時(shí)間3s，運(yùn)行仿真得到開(kāi)門過(guò)程中絲桿所受驅(qū)動(dòng)扭矩，如圖3 所示，由圖可知，在開(kāi)門啟動(dòng)階段，絲桿所受扭矩較大，最大扭矩5199N*mm，進(jìn)入高速段后，扭矩相對(duì)較小，在接近開(kāi)到位位置時(shí)，扭矩再次上升，最大扭矩為5421N*mm。

4 結(jié)論

車門是貨運(yùn)動(dòng)車的主要組成部件之一，對(duì)貨運(yùn)動(dòng)車的運(yùn)輸安全性及快速性有著重要影響。若車門出現(xiàn)開(kāi)關(guān)卡滯、驅(qū)動(dòng)不足等情況，將直接影響車輛運(yùn)輸?shù)男屎唾|(zhì)量，因此需要對(duì)車門運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)載進(jìn)行研究。本文基于RecurDyn 軟件對(duì)貨運(yùn)動(dòng)車車門開(kāi)門過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，模擬得到了車門運(yùn)行中絲桿所受的扭矩，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及后續(xù)貨運(yùn)動(dòng)車車門研究提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊帥， 王偉， 龐學(xué)苗， 等. 貨運(yùn)動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 鐵路采購(gòu)與物流， 2014， （012）： 33-34.

[2] 丁立卿， 熊力， 梁永廷，等. 高速貨運(yùn)動(dòng)車組的研制[J]. 中國(guó)鐵路， 2017， （11）： 96-103.

[3] 張志榮， 王娜， 燕春光，等. 時(shí)速250km 以上貨運(yùn)動(dòng)車組貨運(yùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 041（002）： 17-23.

[4] 李洪輝. 高速貨運(yùn)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能研究[D]. 西南交通大學(xué)，2019.

[5] Li Y， Dai S， Zheng Y， et al. Modeling and Kinematics Simulation of a Mecanum Wheel Platform in RecurDyn [J]. Journal of Robotics，2018， （1）： 1-7.

[6] 趙貞蓮， 張瑞成， 姜棟， 李海龍. 分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛差速控制技術(shù)研究[J]. 建筑機(jī)械， 2019， （04）： 81-85+4.

[7] CHEN B， SUN X， ZHENG K， et al. A rigid flexible coupling dynamics simulation of one type of tracked vehicle based on the RecurDyn[C]. 2017 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation （ICMA）， 2017.

[8] 王祖進(jìn)， 史翔， 貢智兵， 等. 城軌塞拉門機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建立方法研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通， 2018， （4）： 22-25.

[9] 陳健飛， 王云霞， 貢智兵， 等. 基于RecurDyn 的城軌微動(dòng)塞拉門系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 軟件， 2018， 39（12）： 32-36.

[10] 燕春光， 鄧功勛， 溫博閣， 等. 350 km/h 高速貨運(yùn)動(dòng)車組載物動(dòng)力學(xué)性能分析[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)版）， 2020，034（001）： 33-38， 45.

（南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210038）