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?， 高級工程師)

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

1 門系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建立

1.1 模型導(dǎo)入

門系統(tǒng)主要由承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、門扇組件、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]。本文主要對門系統(tǒng)傳動(dòng)部件進(jìn)行研究，為提高仿真精度和效率，將門扇傳動(dòng)組件以外的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，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 簡化后的門系統(tǒng)模型

1.2 參數(shù)設(shè)置

在門系統(tǒng)開關(guān)門過程中，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，通過傳動(dòng)架、鉸鏈座、滑筒以及攜門架將驅(qū)動(dòng)力傳遞到門扇上，從而驅(qū)動(dòng)門扇實(shí)現(xiàn)開關(guān)門動(dòng)作。根據(jù)門系統(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]。

本文針對門系統(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，需要對模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，因此建立了手動(dòng)關(guān)門模型來驗(yàn)證參數(shù)的正確性。

2.1 手動(dòng)關(guān)門模型建立

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

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

2.2 手動(dòng)開關(guān)門模型仿真分析

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)測得的門扇直線段正常開關(guān)門力約為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

門扇開關(guān)門過程中的絲桿驅(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，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)輸出扭矩過大。研究開關(guān)門過程中電機(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)開關(guān)門周期過程中絲桿輸入扭矩變化情況，根據(jù)絲桿輸入速度將開門和關(guān)門分別分為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

螺母副組件是門系統(tǒng)傳動(dòng)部件的主要組成部分，基于門系統(tǒng)絲桿扭矩變化情況，對傳動(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。

左右門扇分別通過絲桿-螺母傳動(dòng)帶動(dòng)門扇開關(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開關(guān)門過程絲桿輸入扭矩變化情況，將開關(guān)門過程中分三種工況：

工況一：門扇加減速運(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)，門扇仍在塞拉段，電機(jī)最大輸出扭矩9.40 N·m。

工況三：門扇直線段運(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，在開關(guān)門過程中，螺母副強(qiáng)度滿足要求，不易出現(xiàn)異常。

4 結(jié)語

門系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，傳動(dòng)部件為門扇傳遞動(dòng)力完成開關(guān)門動(dòng)作，對門系統(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，搭建門系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，研究車門工作過程中絲桿所受扭矩，并對主要零部件強(qiáng)度進(jìn)行校核，為后續(xù)電機(jī)選型、門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了經(jīng)驗(yàn)。