基于RecurDyn的城軌微動塞拉門系統(tǒng)動力學(xué)仿真

陳健飛，王云霞，貢智兵，王祖進(jìn)，施晶晶

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基于RecurDyn的城軌微動塞拉門系統(tǒng)動力學(xué)仿真

陳健飛1,2，王云霞2*，貢智兵1，王祖進(jìn)1，施晶晶1

（1. 南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210038；2. 南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

基于RecurDyn多體動力學(xué)分析軟件，對城軌微動塞拉門系統(tǒng)構(gòu)建虛擬樣機(jī)，模擬微動塞拉門系統(tǒng)運(yùn)動過程，提出一種構(gòu)建接近真實(shí)工況動力學(xué)模型的方法。將導(dǎo)入RecurDyn的三維裝配模型進(jìn)行部件模塊劃分，設(shè)置材料屬性；根據(jù)實(shí)際運(yùn)動關(guān)系，在各部件之間添加運(yùn)動副以及接觸副；并設(shè)置門系統(tǒng)所受載荷、驅(qū)動等參數(shù)。其后通過物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對，并對仿真分析參數(shù)修正，最終獲取接近真實(shí)工況的動力學(xué)仿真模型。

RecurDyn；微動塞拉門；虛擬樣機(jī)；動力學(xué)模型

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，軌道交通行業(yè)憑借其輕污染、低能耗、安全可靠等優(yōu)勢在世界范圍內(nèi)得到越來越廣泛的重視[1-3]。軌道列車門系統(tǒng)為軌道列車核心部件之一[4]，而微動塞拉門解決了傳統(tǒng)塞拉門關(guān)門難、門系統(tǒng)重量重的問題，也克服了傳統(tǒng)外掛門隔音密封效果不好的缺陷[5]。

微動塞拉門系統(tǒng)目前仍然采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及物理實(shí)驗(yàn)的方法，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—物理樣機(jī)驗(yàn)證—結(jié)構(gòu)修改—樣機(jī)再驗(yàn)證的方法，如此反復(fù)，使得設(shè)計(jì)周期過長，研發(fā)成本過高。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用虛擬樣機(jī)可以大幅度減少設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)周期，縮短研發(fā)時間，降低研發(fā)成本[6-12]。因此利用RecurDyn等多體動力學(xué)軟件構(gòu)建微動塞拉門系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)[13-16]，利用仿真模型模擬真實(shí)工況，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)，最終達(dá)到代替部分物理實(shí)驗(yàn)的目的。

1 微動塞拉門系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分析

通過SolidWorks軟件對微動塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行零部件三維模型構(gòu)建和裝配。如圖1所示，微動塞拉門系統(tǒng)組成部分主要包括：驅(qū)動機(jī)構(gòu)、承載導(dǎo)軌組件、左右門扇、承載小車組件等，并將該模型轉(zhuǎn)化為RecurDyn通用格式文件，用以構(gòu)建動力學(xué)模型。

圖1 微動塞拉門裝配模型

微動塞拉門系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖2所示。由電機(jī)驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，通過絲桿將電機(jī)的驅(qū)動力經(jīng)由螺母組件、H傳動架以及鉸鏈座傳遞至左右門扇上，實(shí)現(xiàn)對門扇的開門關(guān)門驅(qū)動作用。

微動塞拉門左右門扇通過攜門架與承載小車連接，承載小車上的承載輪、防跳輪分別支撐承載導(dǎo)軌上下兩端，如圖3所示。

圖3 微動塞拉門承載小車

微動塞拉門系統(tǒng)開關(guān)門過程中具有微塞拉動作，為了實(shí)現(xiàn)門扇X-Y方向上的同步運(yùn)動，門系統(tǒng)導(dǎo)向主要由位于承載導(dǎo)軌組件下部的上滑道機(jī)構(gòu)以及門扇下端的下滑道機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。門扇上部與導(dǎo)向輪連接，上滑道與承載導(dǎo)軌連接，攜門架與左右門扇以及承載小車連接；下滑道與門扇連接，車體門框下端與導(dǎo)向輪連接。導(dǎo)向輪分別在上滑道以及下滑道內(nèi)部運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)門扇直線運(yùn)動以及微塞拉動作。

圖4 微動塞拉門導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

2 構(gòu)建動力學(xué)仿真模型

2.1 材料屬性設(shè)置

為提高整個模型的仿真運(yùn)算速度，將具有相同運(yùn)動關(guān)系的零部件合并在一起，通過RecurDyn軟件中的merge功能得以實(shí)現(xiàn)，依據(jù)合并前的零部件材料屬性參數(shù)對merge后各body設(shè)定整合后的零部件相對材料參數(shù)，具體包括部件質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)、轉(zhuǎn)動慣量等。

2.2 運(yùn)動副設(shè)置

根據(jù)微動塞拉門系統(tǒng)各零部件之間運(yùn)動關(guān)系，對各部件運(yùn)動副進(jìn)行設(shè)定，如表1所示。

2.3 接觸副設(shè)置

定義微動塞拉門系統(tǒng)接觸副，主要包括：螺母組件內(nèi)部接觸、螺母組件與變導(dǎo)程絲桿接觸、導(dǎo)向輪與上下滑道內(nèi)側(cè)接觸、承載輪與承載導(dǎo)軌下導(dǎo)軌接觸、防跳輪與承載導(dǎo)軌上導(dǎo)軌接觸、壓輪與車體接觸。具體接觸類型以及接觸參數(shù)初步設(shè)置，如表2所示。

2.4 載荷驅(qū)動設(shè)置

對微動塞拉門系統(tǒng)設(shè)置載荷，如圖5所示。在仿真模型的螺母組件的塑料螺母與螺母座之間建立扭簧力（Rotational Spring），模擬螺母組件內(nèi)部扭簧作用力。在模型的左右門扇之間沿著門扇運(yùn)動方向建立變剛度彈簧模擬門扇護(hù)指膠條反彈力，通過實(shí)驗(yàn)獲取膠條反彈力變形與作用力的關(guān)系曲線，根據(jù)此關(guān)系設(shè)定變剛度彈簧剛度曲線?？紤]左右門扇在實(shí)際工況下，為保證門系統(tǒng)在關(guān)門狀態(tài)下的密封效果，門扇會調(diào)整為V型狀態(tài)，即門扇下端護(hù)指膠條會先接觸產(chǎn)生反彈力，因此動力學(xué)模型根據(jù)工況的V型來設(shè)定變剛度彈簧依次產(chǎn)生作用的順序，以模擬門扇V型工況。在仿真模型的門框周邊與車體之間建立均布載荷模擬周邊膠條與車體之間的作用力，均布載荷建立方向?yàn)檐圀w的垂直方向。對絲桿與車體之間的旋轉(zhuǎn)副增加驅(qū)動速度，模擬電機(jī)對絲桿的驅(qū)動作用。

表1 運(yùn)動副設(shè)定

Tab.1 Motion pair setting

表2 接觸參數(shù)設(shè)定

Tab.2 Contact parameters setting

圖5 微動塞拉門載荷施加

2.5 摩擦系數(shù)設(shè)置

設(shè)定微動塞拉門模型的運(yùn)動副的摩擦系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)仿真模型摩擦力接近真實(shí)工況中的運(yùn)動阻力。為了提高模型的分析速度，僅對模型中承載小車與承載輪以及門扇與導(dǎo)向輪共8個旋轉(zhuǎn)副設(shè)定摩擦系數(shù)。

通過城軌門系統(tǒng)手動關(guān)門力實(shí)驗(yàn)獲取物理樣機(jī)關(guān)門阻力，由EN14752要求人從車內(nèi)或車外施加不超過150 N的力，以不超過50 mm/s的速度關(guān)門，其實(shí)驗(yàn)方法如圖6所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)所得手動關(guān)門力約80 N。

構(gòu)建微動塞拉門系統(tǒng)手動關(guān)門動力學(xué)模型，手動測量開關(guān)門力時，系統(tǒng)中的阻力主要由兩部分組成，一部分是電機(jī)的靜態(tài)摩擦扭矩引起，另一部分是機(jī)械部分零部件之間的傳動阻力，其中電機(jī)的靜態(tài)摩擦扭矩為0.12 N×m，為模擬電機(jī)的靜態(tài)摩擦扭矩對手動開關(guān)門力的影響，在絲桿段添加0.12 N×m，為模擬手動開關(guān)門力，在門扇前檔邊沿構(gòu)建彈簧力，通過拖拽彈簧，使彈簧拉力傳遞到門扇，當(dāng)彈簧力大于門扇運(yùn)動阻力，門扇即可運(yùn)動，通過測量彈簧張緊力即可間接獲得門扇開關(guān)門過程的動態(tài)變化力，手動關(guān)門動力學(xué)模型如圖7所示。通過調(diào)整仿真模型運(yùn)動副摩擦系數(shù)，使得仿真手動關(guān)門力于勻速段約80N貼近實(shí)驗(yàn)所得，仿真彈簧張緊力曲線如圖8所示。

圖6 手動關(guān)門實(shí)驗(yàn)

圖7 手動關(guān)門動力學(xué)模型

圖8 手動關(guān)門仿真數(shù)據(jù)

3 仿真分析驗(yàn)證

3.1 真實(shí)數(shù)據(jù)采集

對微動塞拉門樣機(jī)進(jìn)行電動開關(guān)門實(shí)驗(yàn)，如圖9所示，通過數(shù)據(jù)采集模塊讀取門系統(tǒng)電機(jī)數(shù)據(jù)，采集多組電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電流曲線，如圖10所示。

圖9 微動塞拉門試驗(yàn)樣機(jī)

圖10 微動塞拉門系統(tǒng)關(guān)門電機(jī)數(shù)據(jù)曲線

3.2 分析與驗(yàn)證

對微動塞拉門系統(tǒng)臺架試驗(yàn)所獲取得電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線取均值，如圖11所示，將電流轉(zhuǎn)換為扭矩，并將此速度均值曲線作為微動塞拉門關(guān)門時絲桿驅(qū)動轉(zhuǎn)速。對微動塞拉門機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，獲取絲桿的驅(qū)動扭矩曲線，并將該曲線與所采集的電機(jī)扭矩曲線進(jìn)行對比分析，如圖12所示。仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)之間的誤差在10%以內(nèi)認(rèn)為較為準(zhǔn)確，圖中所示分析數(shù)據(jù)除最終鎖閉點(diǎn)誤差外已基本達(dá)到10%范圍之內(nèi)，而鎖閉接觸點(diǎn)位置由于該動力學(xué)模型為開環(huán)系統(tǒng)，無扭矩反饋，故此接觸位置由于速度存在使得零件接觸位置出現(xiàn)輕微穿透，使得扭矩陡然上升，擬合分析的接觸參數(shù)修正如表3所示。

圖11 分析驅(qū)動速度曲線圖

圖12 仿真分析曲線與樣機(jī)采集曲線

表3 接觸參數(shù)修正

Tab.3 Correction contact parameter

4 結(jié)論

本文基于RecurDyn動力學(xué)仿真分析軟件對微動塞拉門系統(tǒng)構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型，提出了一種擬合真實(shí)工況的模型構(gòu)建方法。分別分析了微動塞拉門系統(tǒng)各部分之間運(yùn)動關(guān)系，并根據(jù)運(yùn)動關(guān)系設(shè)定運(yùn)動副、接觸副、系統(tǒng)內(nèi)部載荷、外部載荷以及系統(tǒng)驅(qū)動。通過物理樣機(jī)各性能試驗(yàn)采集相關(guān)性能數(shù)據(jù)對初步設(shè)定的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到接近真實(shí)工況的動力學(xué)模型，該模型能夠較為準(zhǔn)確的反應(yīng)微動塞拉門系統(tǒng)運(yùn)動過程中各部件相互關(guān)系，對各部件運(yùn)動姿態(tài)、受力情況給出定量的理論依據(jù)，有助于大大減少試驗(yàn)周期，降低研發(fā)成本。

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Dynamic Simulation of Jiggle Sliding Plug Door System for Urban Rail Micro Motion Based on RecurDyn

CHEN Jian-fei1.2, WANG Yun-xia2*, GONG Zhi-bing1, WANG Zu-jin1, SHI Jing-jing1

(1. Nanjing Kangni Mechanical & Electrical Co. Ltd., Nanjing 210038, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing, 21167, China)

Based on multi-body dynamics analysis software RecurDyn, a virtual prototype was constructed to simulate the movement process of the Jiggle Sliding Plug Door system of urban rail. There was proposed a method to construct a dynamic model close to the real working condition. The three-dimensional assembly model imported into RecurDyn was divided into component modules, and the material properties were set. According to the actual motion relationship, the motion pairs and contact pairs were added between the components, and the load and drive of the door system were set. Then the simulation results were compared with the experimental data, and the simulation analysis parameters were modified. Finally, the dynamic simulation model close to the real working condition is obtained..

RecurDyn; Jiggle sliding plug door; Virtual prototype; Dynamic model

TP271+.2

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.008

校級創(chuàng)新基金重大項(xiàng)目“面向服務(wù)的智造資源智能響應(yīng)與服務(wù)技術(shù)的研究”(CKJA201509)

陳健飛(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：軌道車輛門系統(tǒng)；貢智兵(1980-)，男，博士，工程師，主要研究方向：軌道車輛門系統(tǒng)；王祖進(jìn)(1988-)，男，博士，工程師，主要研究方向：軌道車輛門系統(tǒng)；施晶晶：(1988-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：軌道車輛門系統(tǒng)。

王云霞(1976-)，女，博士，教授，主要研究方向：智能制造。

陳健飛，王云霞，貢智兵，等. 基于RecurDyn的城軌微動塞拉門系統(tǒng)動力學(xué)仿真[J]. 軟件，2018，39（12）：32-36