城市軌道交通車輛門系統傳動部件動力學仿真研究

嚴 俊 許秀鋒

(1. 上海地鐵維護保障有限公司， 200070， 上海； 2. 同濟大學機械與能源工程學院， 200092， 上海∥第一作者， 高級工程師)

傳動部件是城市軌道交通車輛門系統完成開關門動作的主要結構，其安全性直接影響車門系統正常運行[1-3]。本文基于虛擬樣機技術，建立門系統傳動機構動力學模型，對門扇開關門過程中絲桿所受驅動扭矩及主要零部件的強度進行仿真分析，為零部件選型及門系統結構優化設計提供參考。

1 門系統虛擬樣機建立

1.1 模型導入

門系統主要由承載驅動機構、門扇組件、下擺臂組件、電氣控制單元、端部解鎖裝置等結構組成[4-5]。本文主要對門系統傳動部件進行研究，為提高仿真精度和效率，將門扇傳動組件以外的結構進行簡化，如圖1所示，然后將模型導入RecurDyn中進行動力學仿真分析[6]。

圖1 簡化后的門系統模型

1.2 參數設置

在門系統開關門過程中，電機驅動絲桿轉動，承載驅動機構帶動鎖閉組件動作，通過傳動架、鉸鏈座、滑筒以及攜門架將驅動力傳遞到門扇上，從而驅動門扇實現開關門動作。根據門系統運動分析，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、移動副Translate、螺旋副Screw、接觸Contact等組成[7]。

本文針對門系統傳動部件進行研究，計算接觸區域設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[8]設置如表1所示，由試驗和仿真相結合的方式共同確定。添加絲桿轉速曲線作為模型驅動。

表1 接觸參數設置

2 模型參數驗證

模型搭建完成后，需要對模型參數進行驗證，因此建立了手動關門模型來驗證參數的正確性。

2.1 手動關門模型建立

機械部分零部件之間的傳動阻力主要是通過設置接觸參數以及鉸接參數來實現，因此構建手動關門模型與實驗測量門系統運行阻力進行比對，可以驗證模型參數的正確性。

在門扇前擋添加彈簧力，當彈簧力大于門扇運動阻力時，門扇即可運動。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門過程中的動態變化力[9]。

2.2 手動開關門模型仿真分析

彈簧張緊力仿真結果如圖2所示。

圖2 彈簧張緊力曲線圖

由圖2可得，穩定后的彈簧張緊力保持在130 N左右，試驗測得的門扇直線段正常開關門力約為120 N左右，則其誤差為8.33%。該誤差值在工程允許范圍內，證明虛擬樣機模型接觸參數、運動副參數設置的正確性。

3 動力學仿真分析

3.1 絲桿輸入扭矩

門扇開關門過程中的絲桿驅動扭矩如圖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，電機輸出扭矩在0、2.5以及2.6 s三個時刻存在三個異常峰值點，此時是電機啟動或關停瞬間，機械系統自平衡會引起沖擊，因此電機輸出扭矩過大。研究開關門過程中電機輸出扭矩可將此種情況忽略。

圖3 絲桿驅動扭矩曲線圖

為研究一個開關門周期過程中絲桿輸入扭矩變化情況，根據絲桿輸入速度將開門和關門分別分為4個時間段：加速—勻速—減速—勻速，每個時間段絲桿輸入扭轉如表2所示。

表2 絲桿輸入扭矩

3.2 強度計算

螺母副組件是門系統傳動部件的主要組成部分，基于門系統絲桿扭矩變化情況，對傳動部件中的螺母、螺母套以及傳動架等主要零部件進行強度校核。

左右門扇分別通過絲桿-螺母傳動帶動門扇開關，理論上兩個螺母受力情況一樣。在有限元分析時，為簡化模型，提高計算效率和求解精度，提取其中一組螺母、螺母套以及傳動架進行強度校核。

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劃分網格，共離散成32 428個單元和166 341個節點。

圖4 網格離散模型

設置模型邊界條件，螺母套在絲桿上，用圓柱副Cylindrical表示；傳動架和鉸鏈板鉸接，用Revolute表示，最后約束情況如圖5所示。

圖5 約束施加

根據表2開關門過程絲桿輸入扭矩變化情況，將開關門過程中分三種工況：

工況一：門扇加減速運動，電機最大輸出扭矩15.05 N·m。

工況二：絲桿勻速運動，門扇仍在塞拉段，電機最大輸出扭矩9.40 N·m。

工況三：門扇直線段運行，電機最大輸出扭矩1.85 N·m。

已知螺母導程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——絲桿導程；

β——絲桿分度圓導程角。

計算得到單個螺母承受的軸向推力Fa為1 344 N。

當工況一電機輸出15.05 N·m時，單個螺母承受扭矩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 分析結果

以工況一為例對螺母副應力變化進行分析。

1) 變形云圖。螺母副整體結構應力變化云圖如圖7所示。由圖可知，結構最大位移為2.87 mm，位于傳動架和螺母套連接處。

2) 傳動架應力變化。傳動架應力變化如圖8所示，應力集中主要出現在和鉸鏈板連接的拐角處。不考慮模型簡化、約束以及邊緣效應導致應力集中，傳動架最大應力約為97 MPa，傳動架所用材料6063 T5的屈服強度為110 MPa，安全系數S=110/97=1.13。

圖7 變形云圖

圖8 傳動架應力云圖

3) 螺母應力變化。如圖9所示，螺母應力集中主要出現在齒輪端面以及側面根部。不考慮模型簡化、約束以及邊緣效應導致應力集中，螺母最大應力約為35 MPa，螺母所用材料尼龍PA66的屈服強度為80 MPa，安全系數S=80/35=2.29。

圖9 螺母應力云圖

4) 螺母座應力變化。如圖10所示，螺母座應力集中主要出現在和傳動架連接的拐角根部。不考慮模型簡化、約束以及邊緣效應導致應力集中，螺母最大應力約為95 MPa，安全系數S=110/95=1.16。

圖10 螺母座應力云圖

工況二、三的有限元分析結果如表3所示。

表3 有限元分析結果

根據仿真結果可得出以下結論：

1) 門扇加、減速階段絲桿最大輸入扭矩約為15 N·m，絲桿勻速運動階段電機最大輸出扭矩為9.4 N·m，門扇直線段運行階段電機最大輸出扭矩為1.85 N·m。

2) 門扇加、減速運行時，螺母副最大位移為2.87 mm，最小安全系數為1.13；絲桿勻速運動時，螺母副最大位移為1.81 mm，最小安全系數為1.80；門扇直線段運行時，最大變形為0.35 mm，最小安全系數為9.19。根據UIC 566-90-3標準中安全系數需要滿足大于1.1的要求可知，在開關門過程中，螺母副強度滿足要求，不易出現異常。

4 結語

門系統運動過程中，傳動部件為門扇傳遞動力完成開關門動作，對門系統的正常運行有著重要影響。本文基于RecurDyn的動力學功能，搭建門系統傳動機構模型，研究車門工作過程中絲桿所受扭矩，并對主要零部件強度進行校核，為后續電機選型、門系統結構優化提供了經驗。