35D鎖塞拉門虛擬樣機(jī)建模方法研究

曾世文，王祖進(jìn)，孫暢勵(lì)

(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(duì)車輛的穩(wěn)定安全運(yùn)行有著重要影響。鎖閉裝置的故障會(huì)直接導(dǎo)致列車延誤，甚至?xí)斐扇藛T傷亡，帶來(lái)難以想象的損失。35D鎖是城軌車門常見的鎖閉裝置之一，對(duì)35D鎖進(jìn)行研究對(duì)提高車門系統(tǒng)穩(wěn)定性、保障車輛運(yùn)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(yùn)行使用情況對(duì)其常見的故障形式及原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)理論分析優(yōu)化鎖閉結(jié)構(gòu)及控制策略。這種方法往往耗時(shí)較長(zhǎng)，且難以找到故障的根本原因，借助虛擬樣機(jī)技術(shù)有助于加深對(duì)35D鎖閉裝置結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)[3]，為后續(xù)35D鎖常見故障研究提供參考。

1 35D 鎖閉機(jī)構(gòu)原理

35D鎖是一種利用摩擦制動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)鎖閉功能的鎖閉裝置，集傳動(dòng)和鎖閉功能于一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。如圖1所示為35D鎖閉機(jī)構(gòu)模型。扭簧過(guò)盈套在絲桿軸和固定軸上，絲桿軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭簧松圈，轉(zhuǎn)動(dòng)超越。絲桿軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，扭簧抱緊，轉(zhuǎn)動(dòng)禁止，絲桿軸制動(dòng)。

圖1 35D 鎖閉機(jī)構(gòu)Fig.1 35D locking mechanism

2 35D 鎖閉機(jī)構(gòu)建模

2.1 三維裝配模型

基于SolidWorks對(duì)35D鎖閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維模型裝配，并將裝配模型另存為.x_t格式導(dǎo)入RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件[4-5]，如圖2所示。

圖2 35D 鎖閉機(jī)構(gòu)三維裝配模型Fig.2 3D assembly model of 35D locking mechanism

2.2 建立動(dòng)力學(xué)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(duì)扭簧進(jìn)行柔性化處理[6]，如圖 3所示，并對(duì)扭簧的材料密度、泊松比、彈性模量等屬性進(jìn)行設(shè)置。

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

2.2.2 材料屬性設(shè)置

根據(jù)35D鎖閉機(jī)構(gòu)中各零部件的材料屬性，設(shè)置仿真模型中各剛性零部件的密度。為加快仿真模型的計(jì)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(duì)merge后零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)副設(shè)置

根據(jù)35D鎖閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，對(duì)仿真模型中各零部件間的約束副進(jìn)行設(shè)置，包括：固定副、旋轉(zhuǎn)副、接觸等。

2.2.4 添加載荷與驅(qū)動(dòng)

對(duì)仿真模型中的載荷進(jìn)行設(shè)置。在電機(jī)連接軸輸出端添加扭矩，大小為 40N.m，在電機(jī)連接軸輸入端添加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)曲線如圖4所示。在撥環(huán)上添加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)表達(dá)式為：

圖4 驅(qū)動(dòng)曲線Fig.4 Driving curve

2.2.5 接觸參數(shù)設(shè)置

對(duì)仿真模型中的接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表 1所示，其中K為接觸剛度、C為接觸阻尼、ud為動(dòng)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(yùn)行分析，使用扭矩進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(diào)整接觸副參數(shù)，使得驅(qū)動(dòng)扭矩為40N.m時(shí)，撥盤保持不動(dòng)，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(duì)35D鎖閉機(jī)構(gòu)的仿真模型進(jìn)行分析，得到運(yùn)動(dòng)曲線驅(qū)動(dòng)下，矩形扭簧的最大應(yīng)力曲線，如圖6所示。

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

3 門系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

3.1 城軌塞拉門（35D鎖）動(dòng)力學(xué)模型搭建

將 35D鎖作為子系統(tǒng)導(dǎo)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、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(shè)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(jì)算的速度，本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)柱和短導(dǎo)柱上的圓柱副添加摩擦來(lái)模擬整個(gè)門系統(tǒng)開關(guān)門過(guò)程中的阻力。對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到關(guān)門過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)角以及電機(jī)的輸出扭矩曲線，如圖8、9所示。利用電機(jī)的輸出扭矩曲線來(lái)定義絲桿驅(qū)動(dòng)扭矩的大小，同時(shí)取消驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，利用RecurDyn中的 AutoDesign功能對(duì)圓柱副上的摩擦系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。

圖8 電機(jī)的轉(zhuǎn)角曲線Fig.8 Angle curve of motor

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

3.2 仿真分析

對(duì)塞拉門系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線。以電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線（如圖10所示）作為絲桿驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治觯玫浇z桿驅(qū)動(dòng)扭矩的仿真結(jié)果。

圖10 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速曲線Fig.10 Output speed curve of motor

將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖11-12所示，若誤差小于10%，說(shuō)明所建模型能夠滿足精度要求；若誤差大于10%，說(shuō)明所建模型與真實(shí)模型存在較大的誤差，需要對(duì)模型進(jìn)行修正，主要對(duì)接觸副參數(shù)進(jìn)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(jī)模型。

圖12 開門仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(jié)論

35D鎖是城軌車門常見的鎖閉機(jī)構(gòu)之一，對(duì)車輛的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響。本文基于RecurDyn軟件建立 35D鎖閉機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ停?5D鎖閉機(jī)構(gòu)作為子系統(tǒng)加入到城軌基型塞拉門仿真模型中，對(duì)門系統(tǒng)開關(guān)門過(guò)程的驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行了仿真，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，得到了高精度城軌塞拉門（35D鎖）動(dòng)力學(xué)仿真模型，為后續(xù)35D鎖車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化及常見故障研究提供思路。