35D鎖塞拉門虛擬樣機建模方法研究

曾世文，王祖進，孫暢勵

(南京康尼股份有限公司，江蘇 南京 210038)

0 引言

鎖閉裝置是城軌車門的主要零部件之一，對車輛的穩(wěn)定安全運行有著重要影響。鎖閉裝置的故障會直接導致列車延誤，甚至會造成人員傷亡，帶來難以想象的損失。35D鎖是城軌車門常見的鎖閉裝置之一，對35D鎖進行研究對提高車門系統(tǒng)穩(wěn)定性、保障車輛運行安全有著重要作用[1-2]。

35D鎖傳統(tǒng)的研究方式多數(shù)基于運行使用情況對其常見的故障形式及原因進行統(tǒng)計，通過理論分析優(yōu)化鎖閉結構及控制策略。這種方法往往耗時較長，且難以找到故障的根本原因，借助虛擬樣機技術有助于加深對35D鎖閉裝置結構的認識[3]，為后續(xù)35D鎖常見故障研究提供參考。

1 35D 鎖閉機構原理

35D鎖是一種利用摩擦制動原理實現(xiàn)鎖閉功能的鎖閉裝置，集傳動和鎖閉功能于一體，具有結構簡單，環(huán)境適應性強等優(yōu)勢。如圖1所示為35D鎖閉機構模型。扭簧過盈套在絲桿軸和固定軸上，絲桿軸順時針轉動時，扭簧松圈，轉動超越。絲桿軸逆時針轉動時，扭簧抱緊，轉動禁止，絲桿軸制動。

圖1 35D 鎖閉機構Fig.1 35D locking mechanism

2 35D 鎖閉機構建模

2.1 三維裝配模型

基于SolidWorks對35D鎖閉機構進行三維模型裝配，并將裝配模型另存為.x_t格式導入RecurDyn多體動力學仿真軟件[4-5]，如圖2所示。

圖2 35D 鎖閉機構三維裝配模型Fig.2 3D assembly model of 35D locking mechanism

2.2 建立動力學仿真模型

2.2.1 扭簧柔性化處理

扭簧是35D鎖的主要作用部件，因此對扭簧進行柔性化處理[6]，如圖 3所示，并對扭簧的材料密度、泊松比、彈性模量等屬性進行設置。

圖3 扭簧柔性化Fig.3 Flexibility of torsion spring

2.2.2 材料屬性設置

根據(jù)35D鎖閉機構中各零部件的材料屬性，設置仿真模型中各剛性零部件的密度。為加快仿真模型的計算速度，利用 RecurDyn中的 merge功能，將固定連接在一起的零部件合并，對merge后零部件的質量、轉動慣量、質心位置等參數(shù)進行設置。

2.2.3 運動副設置

根據(jù)35D鎖閉機構的運動原理，對仿真模型中各零部件間的約束副進行設置，包括：固定副、旋轉副、接觸等。

2.2.4 添加載荷與驅動

對仿真模型中的載荷進行設置。在電機連接軸輸出端添加扭矩，大小為 40N.m，在電機連接軸輸入端添加驅動，驅動曲線如圖4所示。在撥環(huán)上添加驅動，驅動表達式為：

圖4 驅動曲線Fig.4 Driving curve

2.2.5 接觸參數(shù)設置

對仿真模型中的接觸參數(shù)進行設置，如表 1所示，其中K為接觸剛度、C為接觸阻尼、ud為動摩擦系數(shù)、us為靜摩擦系數(shù)、d為最大穿透深度、e為剛度指數(shù)。

表1 接觸副參數(shù)Tab.1 Contac t pair parameters

2.3 仿真分析

運行分析，使用扭矩進行驅動，扭矩大小從5N.m逐步增大至40N.m，得到撥盤的位移曲線，如圖5所示。調整接觸副參數(shù)，使得驅動扭矩為40N.m時，撥盤保持不動，修正后的接觸副參數(shù)如表2所示。

圖5 撥盤位移曲線Fig.5 Dial displacement curve

表2 修正后的接觸副參數(shù)Tab.2 Modified contact pair parameters

對35D鎖閉機構的仿真模型進行分析，得到運動曲線驅動下，矩形扭簧的最大應力曲線，如圖6所示。

圖6 矩形扭簧最大應力曲線Fig.6 Maximum stress curve of rectangular torsion spring

3 門系統(tǒng)動力學建模

3.1 城軌塞拉門（35D鎖）動力學模型搭建

將 35D鎖作為子系統(tǒng)導入城軌塞拉門模型中，建立城軌塞拉門（35D鎖）仿真模型[7-8]。城軌塞拉門（35D鎖）主要由承載驅動機構、平衡輪組件、門扇、下擺臂組件、上滑道組件等組成，如圖7所示，設置模型材料屬性，添加約束副和接觸副[9-11]。

圖7 城軌塞拉門三維裝配模型Fig.7 3D assembly model of plug door in Urban Rail Transit

門系統(tǒng)各零部件之間存在摩擦力。為了加快仿真計算的速度，本文通過對長導柱和短導柱上的圓柱副添加摩擦來模擬整個門系統(tǒng)開關門過程中的阻力。對塞拉門系統(tǒng)進行實驗測試，得到關門過程中電機的轉角以及電機的輸出扭矩曲線，如圖8、9所示。利用電機的輸出扭矩曲線來定義絲桿驅動扭矩的大小，同時取消驅動轉速，利用RecurDyn中的 AutoDesign功能對圓柱副上的摩擦系數(shù)進行自動優(yōu)化。

圖8 電機的轉角曲線Fig.8 Angle curve of motor

圖9 電機的輸出扭矩曲線Fig.9 Output torque curve of motor

3.2 仿真分析

對塞拉門系統(tǒng)進行實驗測試，得到電機的轉速曲線。以電機的轉速曲線（如圖10所示）作為絲桿驅動轉速，對機械系統(tǒng)仿真模型進行剛柔耦合仿真分析，得到絲桿驅動扭矩的仿真結果。

圖10 電機的輸出轉速曲線Fig.10 Output speed curve of motor

將仿真結果與實驗結果進行比較，如圖11-12所示，若誤差小于10%，說明所建模型能夠滿足精度要求；若誤差大于10%，說明所建模型與真實模型存在較大的誤差，需要對模型進行修正，主要對接觸副參數(shù)進行修正，修正后的接觸參數(shù)如表3所示，直至兩者誤差小于10%，至此，得到城軌塞拉門（35D鎖）虛擬樣機模型。

圖12 開門仿真與實驗結果對比Fig.12 comparison of simulation and experiment results of door opening

表3 修正后的接觸副參數(shù)Tab.3 modified contact pair parameters

4 結論

35D鎖是城軌車門常見的鎖閉機構之一，對車輛的穩(wěn)定運行有著重要影響。本文基于RecurDyn軟件建立 35D鎖閉機構的剛柔耦合仿真模型，并將35D鎖閉機構作為子系統(tǒng)加入到城軌基型塞拉門仿真模型中，對門系統(tǒng)開關門過程的驅動扭矩進行了仿真，將仿真結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)對比結果對相關參數(shù)進行了調整，得到了高精度城軌塞拉門（35D鎖）動力學仿真模型，為后續(xù)35D鎖車門結構優(yōu)化及常見故障研究提供思路。