城市軌道交通車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)傳動(dòng)部件動(dòng)力學(xué)仿真研究

嚴(yán) 俊 許秀鋒

(1. 上海地鐵維護(hù)保障有限公司， 200070， 上海； 2. 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院， 200092， 上?！蔚谝蛔髡?， 高級(jí)工程師)

傳動(dòng)部件是城市軌道交通車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)完成開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作的主要結(jié)構(gòu)，其安全性直接影響車(chē)門(mén)系統(tǒng)正常運(yùn)行[1-3]。本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立門(mén)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)門(mén)扇開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中絲桿所受驅(qū)動(dòng)扭矩及主要零部件的強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，為零部件選型及門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 門(mén)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建立

1.1 模型導(dǎo)入

門(mén)系統(tǒng)主要由承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、門(mén)扇組件、下擺臂組件、電氣控制單元、端部解鎖裝置等結(jié)構(gòu)組成[4-5]。本文主要對(duì)門(mén)系統(tǒng)傳動(dòng)部件進(jìn)行研究，為提高仿真精度和效率，將門(mén)扇傳動(dòng)組件以外的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示，然后將模型導(dǎo)入RecurDyn中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析[6]。

圖1 簡(jiǎn)化后的門(mén)系統(tǒng)模型

1.2 參數(shù)設(shè)置

在門(mén)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鎖閉組件動(dòng)作，通過(guò)傳動(dòng)架、鉸鏈座、滑筒以及攜門(mén)架將驅(qū)動(dòng)力傳遞到門(mén)扇上，從而驅(qū)動(dòng)門(mén)扇實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作。根據(jù)門(mén)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析，在模型中添加約束副，各零部件之間主要通過(guò)固定副Fixed、鉸接Revolute、移動(dòng)副Translate、螺旋副Screw、接觸Contact等組成[7]。

本文針對(duì)門(mén)系統(tǒng)傳動(dòng)部件進(jìn)行研究，計(jì)算接觸區(qū)域設(shè)置主要集中在上滑道、平衡輪和下擺臂滾輪，零部件之間主要接觸及其參數(shù)[8]設(shè)置如表1所示，由試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方式共同確定。添加絲桿轉(zhuǎn)速曲線作為模型驅(qū)動(dòng)。

表1 接觸參數(shù)設(shè)置

2 模型參數(shù)驗(yàn)證

模型搭建完成后，需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，因此建立了手動(dòng)關(guān)門(mén)模型來(lái)驗(yàn)證參數(shù)的正確性。

2.1 手動(dòng)關(guān)門(mén)模型建立

機(jī)械部分零部件之間的傳動(dòng)阻力主要是通過(guò)設(shè)置接觸參數(shù)以及鉸接參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此構(gòu)建手動(dòng)關(guān)門(mén)模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)量門(mén)系統(tǒng)運(yùn)行阻力進(jìn)行比對(duì)，可以驗(yàn)證模型參數(shù)的正確性。

在門(mén)扇前擋添加彈簧力，當(dāng)彈簧力大于門(mén)扇運(yùn)動(dòng)阻力時(shí)，門(mén)扇即可運(yùn)動(dòng)。由于力的作用是相互的，通過(guò)讀取彈簧張緊力即可間接獲得門(mén)扇開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化力[9]。

2.2 手動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)模型仿真分析

彈簧張緊力仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 彈簧張緊力曲線圖

由圖2可得，穩(wěn)定后的彈簧張緊力保持在130 N左右，試驗(yàn)測(cè)得的門(mén)扇直線段正常開(kāi)關(guān)門(mén)力約為120 N左右，則其誤差為8.33%。該誤差值在工程允許范圍內(nèi)，證明虛擬樣機(jī)模型接觸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)副參數(shù)設(shè)置的正確性。

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 絲桿輸入扭矩

門(mén)扇開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中的絲桿驅(qū)動(dòng)扭矩如圖3中曲線1所示，圖中曲線2為絲桿的角速度曲線圖。

圖中可見(jiàn)，電機(jī)輸出扭矩在0、2.5以及2.6 s三個(gè)時(shí)刻存在三個(gè)異常峰值點(diǎn)，此時(shí)是電機(jī)啟動(dòng)或關(guān)停瞬間，機(jī)械系統(tǒng)自平衡會(huì)引起沖擊，因此電機(jī)輸出扭矩過(guò)大。研究開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中電機(jī)輸出扭矩可將此種情況忽略。

圖3 絲桿驅(qū)動(dòng)扭矩曲線圖

為研究一個(gè)開(kāi)關(guān)門(mén)周期過(guò)程中絲桿輸入扭矩變化情況，根據(jù)絲桿輸入速度將開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)分別分為4個(gè)時(shí)間段：加速—?jiǎng)蛩佟獪p速—?jiǎng)蛩?，每個(gè)時(shí)間段絲桿輸入扭轉(zhuǎn)如表2所示。

表2 絲桿輸入扭矩

3.2 強(qiáng)度計(jì)算

螺母副組件是門(mén)系統(tǒng)傳動(dòng)部件的主要組成部分，基于門(mén)系統(tǒng)絲桿扭矩變化情況，對(duì)傳動(dòng)部件中的螺母、螺母套以及傳動(dòng)架等主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

左右門(mén)扇分別通過(guò)絲桿-螺母?jìng)鲃?dòng)帶動(dòng)門(mén)扇開(kāi)關(guān)，理論上兩個(gè)螺母受力情況一樣。在有限元分析時(shí)，為簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算效率和求解精度，提取其中一組螺母、螺母套以及傳動(dòng)架進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2.1 有限元模型建立

基于ANSYS Workbench建立的螺母副有限元模型[10-12]如圖4所示，采用二階六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共離散成32 428個(gè)單元和166 341個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 網(wǎng)格離散模型

設(shè)置模型邊界條件，螺母套在絲桿上，用圓柱副Cylindrical表示；傳動(dòng)架和鉸鏈板鉸接，用Revolute表示，最后約束情況如圖5所示。

圖5 約束施加

根據(jù)表2開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程絲桿輸入扭矩變化情況，將開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中分三種工況：

工況一：門(mén)扇加減速運(yùn)動(dòng)，電機(jī)最大輸出扭矩15.05 N·m。

工況二：絲桿勻速運(yùn)動(dòng)，門(mén)扇仍在塞拉段，電機(jī)最大輸出扭矩9.40 N·m。

工況三：門(mén)扇直線段運(yùn)行，電機(jī)最大輸出扭矩1.85 N·m。

已知螺母導(dǎo)程72 mm，外徑18 mm，分度圓直徑16 mm，由以下公式

式中：

T1——輸出扭矩；

Fa——軸向力；

Ft——圓周力；

d1——分度圓直徑；

p——絲桿導(dǎo)程；

β——絲桿分度圓導(dǎo)程角。

計(jì)算得到單個(gè)螺母承受的軸向推力Fa為1 344 N。

當(dāng)工況一電機(jī)輸出15.05 N·m時(shí)，單個(gè)螺母承受扭矩7.5 N·m，載荷加載如圖6所示。

圖6 載荷施加示意圖

3.2.2 分析結(jié)果

以工況一為例對(duì)螺母副應(yīng)力變化進(jìn)行分析。

1) 變形云圖。螺母副整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化云圖如圖7所示。由圖可知，結(jié)構(gòu)最大位移為2.87 mm，位于傳動(dòng)架和螺母套連接處。

2) 傳動(dòng)架應(yīng)力變化。傳動(dòng)架應(yīng)力變化如圖8所示，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在和鉸鏈板連接的拐角處。不考慮模型簡(jiǎn)化、約束以及邊緣效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力集中，傳動(dòng)架最大應(yīng)力約為97 MPa，傳動(dòng)架所用材料6063 T5的屈服強(qiáng)度為110 MPa，安全系數(shù)S=110/97=1.13。

圖7 變形云圖

圖8 傳動(dòng)架應(yīng)力云圖

3) 螺母應(yīng)力變化。如圖9所示，螺母應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在齒輪端面以及側(cè)面根部。不考慮模型簡(jiǎn)化、約束以及邊緣效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力集中，螺母最大應(yīng)力約為35 MPa，螺母所用材料尼龍PA66的屈服強(qiáng)度為80 MPa，安全系數(shù)S=80/35=2.29。

圖9 螺母應(yīng)力云圖

4) 螺母座應(yīng)力變化。如圖10所示，螺母座應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在和傳動(dòng)架連接的拐角根部。不考慮模型簡(jiǎn)化、約束以及邊緣效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力集中，螺母最大應(yīng)力約為95 MPa，安全系數(shù)S=110/95=1.16。

圖10 螺母座應(yīng)力云圖

工況二、三的有限元分析結(jié)果如表3所示。

表3 有限元分析結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1) 門(mén)扇加、減速階段絲桿最大輸入扭矩約為15 N·m，絲桿勻速運(yùn)動(dòng)階段電機(jī)最大輸出扭矩為9.4 N·m，門(mén)扇直線段運(yùn)行階段電機(jī)最大輸出扭矩為1.85 N·m。

2) 門(mén)扇加、減速運(yùn)行時(shí)，螺母副最大位移為2.87 mm，最小安全系數(shù)為1.13；絲桿勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺母副最大位移為1.81 mm，最小安全系數(shù)為1.80；門(mén)扇直線段運(yùn)行時(shí)，最大變形為0.35 mm，最小安全系數(shù)為9.19。根據(jù)UIC 566-90-3標(biāo)準(zhǔn)中安全系數(shù)需要滿足大于1.1的要求可知，在開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，螺母副強(qiáng)度滿足要求，不易出現(xiàn)異常。

4 結(jié)語(yǔ)

門(mén)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)部件為門(mén)扇傳遞動(dòng)力完成開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作，對(duì)門(mén)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要影響。本文基于RecurDyn的動(dòng)力學(xué)功能，搭建門(mén)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，研究車(chē)門(mén)工作過(guò)程中絲桿所受扭矩，并對(duì)主要零部件強(qiáng)度進(jìn)行校核，為后續(xù)電機(jī)選型、門(mén)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了經(jīng)驗(yàn)。