基于RecurDyn的車廂門系統(tǒng)涉水動力學(xué)仿真研究

曾世文，楊欣薇

(南京康尼股份有限公司，江蘇 南京 210038)

0 引言

地鐵車輛在運行過程中需要經(jīng)歷長期的地下行車過程，時常需要接受極端天氣的考驗，當(dāng)夏季來臨的時候，暴雨天氣作為較為典型且常見的極端天氣，會造成道路積水等狀況的發(fā)生，可能會導(dǎo)致車門進水以后無法正常開門狀況的發(fā)生。為了進一步提高地鐵車輛在面對極端天氣時運行的安全性與可靠性，需對列車門系統(tǒng)進行門系統(tǒng)進水動力學(xué)仿真研究。

近年來對于交通器械涉水分析的研究較少，中山大學(xué)的呂鴻冠[1]等人提出一種高精度且適用于汽車涉水的SPH模型，西北工業(yè)大學(xué)的田晶[2]等人針對水陸兩棲飛機涉水結(jié)構(gòu)LORA的流程和模型進行研究，均取得了較好的研究效果。本文針對地鐵車輛門系統(tǒng)，采用RecurDyn的仿真分析功能，對于塞拉門系統(tǒng)進行涉水狀態(tài)下的仿真分析，最終得出門系統(tǒng)在涉水狀態(tài)下的受力情況，為進一步提高門系統(tǒng)的可靠性提供參考。

1 運行工況分析

以鄭州 5號線所使用的塞拉門系統(tǒng)為分析對象，其開度為1.4 m，壓條間距離1.595 m，實際門扇為彎門，彎門靜水壓力小于直門靜水壓力，考慮極限工況，即分析其直門靜水壓力。

設(shè)定車門外側(cè)水高1.5 m，內(nèi)側(cè)水高1.1 m，由伯努利原理可知，車門外側(cè)水流速度增加，水流靜壓力減少[3]，因此計算時考慮極限工況，即假設(shè)車門外側(cè)水流速度為0時，車門受水壓力。

2 開門動力學(xué)仿真計算

2.1 模型簡化

門系統(tǒng)主要由承載驅(qū)動機構(gòu)、門扇組件、下擺臂等結(jié)構(gòu)組成[4]，根據(jù)門系統(tǒng)的實際部件組構(gòu)，對其進行塞拉門模型的簡化建模，建模效果如圖1所示。

圖1 塞拉門模型Fig.1 plug door model

2.2 運動關(guān)系設(shè)置

2.2.1 承載驅(qū)動機構(gòu)

承載驅(qū)動機構(gòu)主要由機架、絲桿、長導(dǎo)柱、短導(dǎo)柱、滑筒、攜門架等組成，他們之間主要通過固定副Fixed、鉸接Revolute、圓柱副Cylindrical、球鉸副Spherical、接觸Contact等組成[5]。雙門承載驅(qū)動機構(gòu)運動關(guān)系設(shè)置如圖2所示。

圖2 雙門承載驅(qū)動機構(gòu)連接設(shè)置圖Fig.2 connection setting diagram of double door bearing driving mechanism

2.2.2 下擺臂

下擺臂組件和下滑道之間主要由固定副Fixed、鉸接Revolute、接觸Contact等組成[6]，下擺臂組件和下滑道之間運動關(guān)系如圖3所示。

圖3 下擺臂組件和下滑道運動關(guān)系設(shè)置圖Fig.3 diagram of lower swing arm assembly and glide path

2.3 參數(shù)設(shè)置

本次計算不考慮RevJoint鉸接副摩擦力，只考慮圓柱副Cylindrical的摩擦力，將圓柱副摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，以將整個門系統(tǒng)的運動摩擦阻力等效均攤到圓柱副中去。

本次計算接觸區(qū)域設(shè)置主要集中在絲桿、上滑道、下滑道以及平衡輪處，其中接觸剛度是在保證運動形式正確，不發(fā)生接觸失效的情況下取的較小值，接觸阻尼根據(jù)經(jīng)驗取剛度值的千分之二，動靜態(tài)門檻速度是采用RecurDyn原廠工程師兼顧計算速度和結(jié)果精度的推薦值，動靜摩擦系數(shù)是在考慮計算速度和參考文獻情況下取的值[7]，力指數(shù)根據(jù)經(jīng)驗對于金屬接觸取1.5，對于非金屬接觸取 2，最大穿透深度是在保證運動形式正確的情況下根據(jù)經(jīng)驗取的值。

2.4 驅(qū)動函數(shù)和負載的施加

2.4.1 實際運動曲線輸入

根據(jù)門扇運動速度曲線定義絲桿的輸入速度，仿真模擬門扇先關(guān)門后開門的開關(guān)門過程[8]，3.00 s為開關(guān)門時間分界點，0-3.00 s為關(guān)門過程，3.00-6.00 s為開門過程，得到絲桿輸入速度曲線如圖4所示。

圖4 絲桿輸入轉(zhuǎn)速曲線Fig.4 screw input speed curve

2.4.2 膠條力、水壓力和扭簧力

由于密封，門板在開關(guān)門的時候，存在門板和門框膠條之間的擠壓力，以及作用于門板法向的周邊膠條擠壓力，因此首先需對門板施加膠條反彈力[9]。其次需對門扇施加螺母和螺母座之間扭簧力[10]。門外側(cè)水高度1.5 m，內(nèi)側(cè)水高1.1 m，最后等效作用點度距地高0.655 m，方向為從外向內(nèi)，對左右門扇分別施加的靜水壓力為3907.5 N。

3 動力學(xué)分析結(jié)果

3.1 塞拉門絲桿輸入扭矩

根據(jù)前文所述參數(shù)，對塞拉門系統(tǒng)開門階段進行仿真，得到絲桿驅(qū)動扭矩曲線如圖5所示。

圖5 塞拉門絲桿驅(qū)動扭矩曲線圖Fig.5 driving torque curve of screw rod of sliding plug door

由圖5可得，正常開門扭矩約為3 N.m;外部水高1.5 m，內(nèi)側(cè)水高1.1 m時，開門扭矩需要約為60 N·m，遠大于電機最大扭矩20 N·m，所以門扇打不開。

3.2 塞拉門門扇開門阻力

根據(jù)前文所述參數(shù)，對塞拉門系統(tǒng)開門階段進行仿真，得到塞拉門手動開門阻力曲線如圖 6所示。

由圖6可得，門扇承受7815 N水壓載荷時，左右門扇各施加約2861 N載荷，才可以打開門扇。

圖6 塞拉門手動開門阻力Fig.6 manual opening resistance of sliding plug door

4 結(jié)論

本文基于 RecurDyn軟件對地鐵車輛門系統(tǒng)展開了涉水情況下的仿真受力分析，得到門系統(tǒng)涉水時，門扇直線段開門水的阻力較小，影響開門的主要是開門初始階段，車廂內(nèi)外有壓差時，產(chǎn)生的水壓力較大，影響門扇開門。門系統(tǒng)涉水時，門外部水高1.4 m，內(nèi)側(cè)水高1.1 m時，開門扭矩需要約為60 N·m，遠大于電機最大峰值扭矩20 N·m，所以門扇打不開，門扇解鎖情況下，左右門扇各施加約2861 N載荷，才可以打開門扇。