楊欣薇 朱松青 繆秀祥 楊柳

摘 要：為了解決列車(chē)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損、潤(rùn)滑不良及扭簧變形等問(wèn)題，本文基于ADAMS仿真軟件，通過(guò)對(duì)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理的分析，確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真，并綜合考慮滾銷(xiāo)與絲杠的接觸剛度、摩擦系數(shù)及扭簧初始角度對(duì)門(mén)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(xiāo)受力都增加;摩擦系數(shù)的增加使電機(jī)的輸出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滾銷(xiāo)受力減小、后滾銷(xiāo)受力增加。該仿真分析能夠?yàn)楹罄m(xù)列車(chē)門(mén)系統(tǒng)的維修檢測(cè)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu);列車(chē)門(mén)系統(tǒng);仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(chē)門(mén)系統(tǒng)作為地鐵車(chē)輛上重要的組成部件，需要進(jìn)行頻繁的開(kāi)關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)，而且要承受運(yùn)行過(guò)程中的交變氣動(dòng)載荷和乘客擠壓力，因此極易發(fā)生故障而導(dǎo)致列車(chē)停運(yùn)，甚至引發(fā)人員傷亡事故。門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為承載荷載和傳遞動(dòng)力的主要承擔(dān)者，常常會(huì)遇到絲杠變形、潤(rùn)滑不良及扭簧變形等情況[1-2]，在實(shí)際運(yùn)行中又很難通過(guò)試驗(yàn)的方式監(jiān)測(cè)這些異常情況，因此，有必要對(duì)門(mén)系統(tǒng)的承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。

為了解決開(kāi)關(guān)門(mén)運(yùn)行過(guò)程中門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在的絲杠磨損、扭簧變形及潤(rùn)滑不良等問(wèn)題，本文依靠三維繪圖軟件SolidWorks構(gòu)建門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，并將其保存為中性文件，導(dǎo)入ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，在熟悉承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行零件之間約束條件的設(shè)定及目標(biāo)函數(shù)的確定[3]。借助ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和分析，并綜合考慮滾銷(xiāo)與絲杠的接觸剛度、摩擦系數(shù)及扭簧的初始角度對(duì)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響規(guī)律，為后續(xù)試驗(yàn)檢測(cè)提供一定的參考[4-5]。

1 模型的建立

本研究首先以塞拉門(mén)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為對(duì)象，傳動(dòng)裝置設(shè)于車(chē)廂內(nèi)側(cè)車(chē)門(mén)的頂部，塞拉門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)裝有導(dǎo)輪的攜門(mén)架可在滑道導(dǎo)軌上移動(dòng)并與傳動(dòng)裝置相連，借助電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)攜門(mén)架動(dòng)作，從而帶動(dòng)門(mén)扇移動(dòng)。

本研究在ADAMS中建立門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維物理模型，如圖1所示。首先，依據(jù)實(shí)際門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)，借助SolidWorks三維繪圖軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的繪圖，并對(duì)其進(jìn)行裝配且保存為中性文件格式，然后導(dǎo)入ADAMS中，進(jìn)行相關(guān)零件材料屬性、零件之間約束及驅(qū)動(dòng)條件的設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)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(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及工作原理，機(jī)架、邊掛架支架、中間支撐架與車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)不相關(guān)，在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，可簡(jiǎn)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(xiāo)與絲桿設(shè)置接觸;滾銷(xiāo)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(dǎo)柱與ADAMS中的ground（大地）固連;短導(dǎo)柱與邊掛架設(shè)置移動(dòng)副;邊掛架與長(zhǎng)導(dǎo)柱設(shè)置固連;長(zhǎng)導(dǎo)柱與滑筒設(shè)置移動(dòng)副;滑筒與攜門(mén)架設(shè)置固連;攜門(mén)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(dòng)架設(shè)置固連;傳動(dòng)架與螺母座設(shè)置旋轉(zhuǎn)副。

2 承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真研究

由于一個(gè)Contact（接觸力）設(shè)置有8個(gè)參數(shù)，模型共有5個(gè)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(fù)雜。從Contact（接觸力）設(shè)置的8個(gè)參數(shù)分析來(lái)看，有2個(gè)主要關(guān)鍵參數(shù)：剛度，反映接觸材料的剛度問(wèn)題;摩擦系數(shù)，反映接觸的潤(rùn)滑情況。因此，后續(xù)研究將重點(diǎn)分析這兩個(gè)參數(shù)對(duì)鎖閉裝置特性的影響;只考慮其他參數(shù)不變的情況，改變?cè)搮?shù)對(duì)Contact（接觸力）接觸性能的影響，從中觀察其趨勢(shì)。

仿真系統(tǒng)中，模型的材料屬性如表1所示。

2.1 開(kāi)、關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)仿真

下面對(duì)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的接觸副進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行編程，最后實(shí)現(xiàn)塞拉門(mén)系統(tǒng)的開(kāi)、關(guān)運(yùn)動(dòng)仿真。正常開(kāi)、關(guān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)設(shè)置如圖3所示。運(yùn)動(dòng)方式如下：0.00～2.65 s，開(kāi)門(mén);2.65～3.00 s，停止;3.00～5.65 s，關(guān)門(mén);5.65～6.00 s，停止。

仿真結(jié)束后，輸出的電機(jī)扭矩及鎖銷(xiāo)受力圖如圖4和圖5所示。通過(guò)對(duì)圖5前滾銷(xiāo)的接觸受力分析可知，在關(guān)門(mén)過(guò)程中，絲杠驅(qū)動(dòng)鎖銷(xiāo)必須克服扭簧的作用力，因此鎖銷(xiāo)在關(guān)門(mén)時(shí)比開(kāi)門(mén)時(shí)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(xiāo)與絲杠的接觸剛度、滾銷(xiāo)與絲杠的摩擦系數(shù)、扭簧預(yù)緊，分析其不同條件下的仿真輸出，比較其參數(shù)變化對(duì)仿真的影響。參數(shù)設(shè)置如表2所示。

滾銷(xiāo)和絲杠的接觸剛度對(duì)電機(jī)輸出扭矩，前、后滾銷(xiāo)及攜門(mén)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(xiāo)和絲杠接觸剛度的增加，前、后滾銷(xiāo)受力峰值、均值逐漸增大;在一定范圍內(nèi)，滾銷(xiāo)和絲杠接觸剛度對(duì)電機(jī)輸出扭矩均值大小和攜門(mén)架滾輪受力的影響不大。

滾銷(xiāo)和絲杠之間的潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)電機(jī)輸出扭矩，前、后滾銷(xiāo)及攜門(mén)架滾輪受力的影響及電機(jī)輸出扭矩趨勢(shì)曲線(xiàn)如表4和圖7所示。

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

扭簧預(yù)緊力對(duì)電機(jī)的輸出扭矩，前、后滾銷(xiāo)和攜門(mén)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(yù)緊力對(duì)滾銷(xiāo)的受力影響做成曲線(xiàn)圖，如圖8所示。

由表5及圖8可知，隨著扭簧預(yù)緊力的增加，開(kāi)門(mén)時(shí)前滾銷(xiāo)力的均值減少，后滾銷(xiāo)力的均值增加;關(guān)門(mén)時(shí)，前滾銷(xiāo)力的均值減少，后滾銷(xiāo)力的均值增加;電機(jī)輸出扭矩和攜門(mén)架滾輪受力均值的變化不大。

3 結(jié)論

針對(duì)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行中存在的磨損、潤(rùn)滑不良及扭簧變形等問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理的分析，確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，在ADAMS中建立承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真。同時(shí)，綜合考慮滾銷(xiāo)與絲杠的接觸剛度、滾銷(xiāo)與絲杠的摩擦系數(shù)及扭簧的初始角度等因素，對(duì)門(mén)系統(tǒng)承載傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)輸出扭矩、前后滾銷(xiāo)受力均值、攜門(mén)架滾輪受力等一系列問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明，接觸剛度的增加（材料的不同）使前后滾銷(xiāo)受力都增加;摩擦系數(shù)（潤(rùn)滑）的增加使電機(jī)的輸出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滾銷(xiāo)受力減小、后滾銷(xiāo)受力增加。該仿真分析可以為后續(xù)試驗(yàn)檢測(cè)提供一定的參考價(jià)值。

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