基于Adams的列車門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)動力學仿真研究

楊欣薇 朱松青 繆秀祥 楊柳

摘 要：為了解決列車門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)的磨損、潤滑不良及扭簧變形等問題，本文基于ADAMS仿真軟件，通過對門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)工作原理的分析，確定目標函數(shù)和約束條件，實現(xiàn)對該機構(gòu)的動力學仿真，并綜合考慮滾銷與絲杠的接觸剛度、摩擦系數(shù)及扭簧初始角度對門系統(tǒng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，接觸剛度的增加使前后滾銷受力都增加;摩擦系數(shù)的增加使電機的輸出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滾銷受力減小、后滾銷受力增加。該仿真分析能夠為后續(xù)列車門系統(tǒng)的維修檢測提供一定參考。

關(guān)鍵詞：承載傳動機構(gòu);列車門系統(tǒng);仿真分析

中圖分類號：U270.38 文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0044-06

Abstract： In order to solve the problems of wear， poor lubrication and torsion spring deformation of the load-bearing transmission mechanism of the train door system， based on ADAMS simulation software， through the analysis of the working principle of the load-bearing transmission mechanism of the door system， the objective function and constraint conditions were determined to realize the dynamics of the mechanism simulation in this paper， and the influence of the contact stiffness， friction coefficient and the initial angle of the torsion spring on the door system were comprehensively considered. The results show that the increase in contact stiffness increases the force on the front and rear roller pins; the increase in friction coefficient increases the output torque of the motor; the increase in the initial angle of the torsion spring reduces the force on the front roller pin and the force on the rear roller pin. The simulation analysis can provide a certain reference for the subsequent maintenance and testing of the train door system.

Keywords： load-bearing transmission mechanism;train door system;simulation analysis

列車門系統(tǒng)作為地鐵車輛上重要的組成部件，需要進行頻繁的開關(guān)門運動，而且要承受運行過程中的交變氣動載荷和乘客擠壓力，因此極易發(fā)生故障而導致列車停運，甚至引發(fā)人員傷亡事故。門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)作為承載荷載和傳遞動力的主要承擔者，常常會遇到絲杠變形、潤滑不良及扭簧變形等情況[1-2]，在實際運行中又很難通過試驗的方式監(jiān)測這些異常情況，因此，有必要對門系統(tǒng)的承載傳動機構(gòu)進行動力學研究。

為了解決開關(guān)門運行過程中門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)存在的絲杠磨損、扭簧變形及潤滑不良等問題，本文依靠三維繪圖軟件SolidWorks構(gòu)建門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)模型，并將其保存為中性文件，導入ADAMS動力學仿真軟件中，在熟悉承載傳動機構(gòu)的工作原理的基礎(chǔ)上，進行零件之間約束條件的設(shè)定及目標函數(shù)的確定[3]。借助ADAMS動力學仿真軟件對門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)運行過程中的狀態(tài)進行動力學仿真和分析，并綜合考慮滾銷與絲杠的接觸剛度、摩擦系數(shù)及扭簧的初始角度對門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)的影響規(guī)律，為后續(xù)試驗檢測提供一定的參考[4-5]。

1 模型的建立

本研究首先以塞拉門承載傳動機構(gòu)為對象，傳動裝置設(shè)于車廂內(nèi)側(cè)車門的頂部，塞拉門開關(guān)時裝有導輪的攜門架可在滑道導軌上移動并與傳動裝置相連，借助電動機驅(qū)動傳動機構(gòu)帶動攜門架動作，從而帶動門扇移動。

本研究在ADAMS中建立門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)的三維物理模型，如圖1所示。首先，依據(jù)實際門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)參數(shù)，借助SolidWorks三維繪圖軟件進行簡化機構(gòu)的繪圖，并對其進行裝配且保存為中性文件格式，然后導入ADAMS中，進行相關(guān)零件材料屬性、零件之間約束及驅(qū)動條件的設(shè)置，以實現(xiàn)門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)的動力學仿真[6-8]。主要零部件之間的約束關(guān)系如圖2所示[9-10]。

根據(jù)門系統(tǒng)承載傳動結(jié)構(gòu)及工作原理，機架、邊掛架支架、中間支撐架與車門運動不相關(guān)，在動力學分析時，可簡化省略。各零部件間的約束關(guān)系為：絲杠支架與ADAMS中的ground（大地）設(shè)置固定副;絲杠與絲杠支架設(shè)置旋轉(zhuǎn)副;滾銷與絲桿設(shè)置接觸;滾銷與螺母座設(shè)置旋轉(zhuǎn)副;絲桿與螺母設(shè)置螺旋副;絲桿與銅套設(shè)置接觸;螺母與螺母座設(shè)置旋轉(zhuǎn)副;短導柱與ADAMS中的ground（大地）固連;短導柱與邊掛架設(shè)置移動副;邊掛架與長導柱設(shè)置固連;長導柱與滑筒設(shè)置移動副;滑筒與攜門架設(shè)置固連;攜門架與上滑道設(shè)置接觸;上滑道與ADAMS中的ground（大地）固連;滑筒與傳動架設(shè)置固連;傳動架與螺母座設(shè)置旋轉(zhuǎn)副。

2 承載傳動機構(gòu)仿真研究

由于一個Contact（接觸力）設(shè)置有8個參數(shù)，模型共有5個Contact（接觸力）設(shè)置，因此總的模型參數(shù)較多，若一一組合分析，則工作量大，分析復雜。從Contact（接觸力）設(shè)置的8個參數(shù)分析來看，有2個主要關(guān)鍵參數(shù)：剛度，反映接觸材料的剛度問題;摩擦系數(shù)，反映接觸的潤滑情況。因此，后續(xù)研究將重點分析這兩個參數(shù)對鎖閉裝置特性的影響;只考慮其他參數(shù)不變的情況，改變該參數(shù)對Contact（接觸力）接觸性能的影響，從中觀察其趨勢。

仿真系統(tǒng)中，模型的材料屬性如表1所示。

2.1 開、關(guān)門運動仿真

下面對門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)中的接觸副進行參數(shù)設(shè)置，對驅(qū)動目標函數(shù)進行編程，最后實現(xiàn)塞拉門系統(tǒng)的開、關(guān)運動仿真。正常開、關(guān)門的驅(qū)動設(shè)置如圖3所示。運動方式如下：0.00～2.65 s，開門;2.65～3.00 s，停止;3.00～5.65 s，關(guān)門;5.65～6.00 s，停止。

仿真結(jié)束后，輸出的電機扭矩及鎖銷受力圖如圖4和圖5所示。通過對圖5前滾銷的接觸受力分析可知，在關(guān)門過程中，絲杠驅(qū)動鎖銷必須克服扭簧的作用力，因此鎖銷在關(guān)門時比開門時的受力大。

2.2 各種參變量下的仿真

下面設(shè)置不同的滾銷與絲杠的接觸剛度、滾銷與絲杠的摩擦系數(shù)、扭簧預緊，分析其不同條件下的仿真輸出，比較其參數(shù)變化對仿真的影響。參數(shù)設(shè)置如表2所示。

滾銷和絲杠的接觸剛度對電機輸出扭矩，前、后滾銷及攜門架滾輪受力的影響如表3、圖6所示。

由表3及圖6可知，隨著滾銷和絲杠接觸剛度的增加，前、后滾銷受力峰值、均值逐漸增大;在一定范圍內(nèi)，滾銷和絲杠接觸剛度對電機輸出扭矩均值大小和攜門架滾輪受力的影響不大。

滾銷和絲杠之間的潤滑狀態(tài)對電機輸出扭矩，前、后滾銷及攜門架滾輪受力的影響及電機輸出扭矩趨勢曲線如表4和圖7所示。

由表4及圖7可看出，隨著滾銷和絲杠之間摩擦系數(shù)的增加，電機的輸出扭矩均值逐漸增大;在一定范圍內(nèi)，滾銷受力均值大小和攜門架滾輪受力均值大小的變化不大。

扭簧預緊力對電機的輸出扭矩，前、后滾銷和攜門架滾輪受力的影響的仿真研究結(jié)果如表5所示，本研究把扭簧預緊力對滾銷的受力影響做成曲線圖，如圖8所示。

由表5及圖8可知，隨著扭簧預緊力的增加，開門時前滾銷力的均值減少，后滾銷力的均值增加;關(guān)門時，前滾銷力的均值減少，后滾銷力的均值增加;電機輸出扭矩和攜門架滾輪受力均值的變化不大。

3 結(jié)論

針對門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)在長期運行中存在的磨損、潤滑不良及扭簧變形等問題，本文通過對門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)工作原理的分析，確定目標函數(shù)和約束條件，在ADAMS中建立承載傳動機構(gòu)的參數(shù)化數(shù)學模型，實現(xiàn)門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)的動力學仿真。同時，綜合考慮滾銷與絲杠的接觸剛度、滾銷與絲杠的摩擦系數(shù)及扭簧的初始角度等因素，對門系統(tǒng)承載傳動機構(gòu)的電機輸出扭矩、前后滾銷受力均值、攜門架滾輪受力等一系列問題進行詳細分析。結(jié)果表明，接觸剛度的增加（材料的不同）使前后滾銷受力都增加;摩擦系數(shù)（潤滑）的增加使電機的輸出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滾銷受力減小、后滾銷受力增加。該仿真分析可以為后續(xù)試驗檢測提供一定的參考價值。

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