35D鎖塞拉門虛擬樣機建模方法研究

曾世文，王祖進，孫暢勵

(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，對車輛的穩定安全運行有著重要影響。鎖閉裝置的故障會直接導致列車延誤，甚至會造成人員傷亡，帶來難以想象的損失。35D鎖是城軌車門常見的鎖閉裝置之一，對35D鎖進行研究對提高車門系統穩定性、保障車輛運行安全有著重要作用[1-2]。

35D鎖傳統的研究方式多數基于運行使用情況對其常見的故障形式及原因進行統計，通過理論分析優化鎖閉結構及控制策略。這種方法往往耗時較長，且難以找到故障的根本原因，借助虛擬樣機技術有助于加深對35D鎖閉裝置結構的認識[3]，為后續35D鎖常見故障研究提供參考。

1 35D 鎖閉機構原理

35D鎖是一種利用摩擦制動原理實現鎖閉功能的鎖閉裝置，集傳動和鎖閉功能于一體，具有結構簡單，環境適應性強等優勢。如圖1所示為35D鎖閉機構模型。扭簧過盈套在絲桿軸和固定軸上，絲桿軸順時針轉動時，扭簧松圈，轉動超越。絲桿軸逆時針轉動時，扭簧抱緊，轉動禁止，絲桿軸制動。

圖1 35D 鎖閉機構Fig.1 35D locking mechanism

2 35D 鎖閉機構建模

2.1 三維裝配模型

基于SolidWorks對35D鎖閉機構進行三維模型裝配，并將裝配模型另存為.x_t格式導入RecurDyn多體動力學仿真軟件[4-5]，如圖2所示。

圖2 35D 鎖閉機構三維裝配模型Fig.2 3D assembly model of 35D locking mechanism

2.2 建立動力學仿真模型

2.2.1 扭簧柔性化處理

扭簧是35D鎖的主要作用部件，因此對扭簧進行柔性化處理[6]，如圖 3所示，并對扭簧的材料密度、泊松比、彈性模量等屬性進行設置。

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

2.2.2 材料屬性設置

根據35D鎖閉機構中各零部件的材料屬性，設置仿真模型中各剛性零部件的密度。為加快仿真模型的計算速度，利用 RecurDyn中的 merge功能，將固定連接在一起的零部件合并，對merge后零部件的質量、轉動慣量、質心位置等參數進行設置。

2.2.3 運動副設置

根據35D鎖閉機構的運動原理，對仿真模型中各零部件間的約束副進行設置，包括：固定副、旋轉副、接觸等。

2.2.4 添加載荷與驅動

對仿真模型中的載荷進行設置。在電機連接軸輸出端添加扭矩，大小為 40N.m，在電機連接軸輸入端添加驅動，驅動曲線如圖4所示。在撥環上添加驅動，驅動表達式為：

圖4 驅動曲線Fig.4 Driving curve

2.2.5 接觸參數設置

對仿真模型中的接觸參數進行設置，如表 1所示，其中K為接觸剛度、C為接觸阻尼、ud為動摩擦系數、us為靜摩擦系數、d為最大穿透深度、e為剛度指數。

表1 接觸副參數Tab.1 Contac t pair parameters

2.3 仿真分析

運行分析，使用扭矩進行驅動，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。調整接觸副參數，使得驅動扭矩為40N.m時，撥盤保持不動，修正后的接觸副參數如表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Tab.2 Modified contact pair parameters

對35D鎖閉機構的仿真模型進行分析，得到運動曲線驅動下，矩形扭簧的最大應力曲線，如圖6所示。

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

3 門系統動力學建模

3.1 城軌塞拉門（35D鎖）動力學模型搭建

將 35D鎖作為子系統導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）主要由承載驅動機構、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

門系統各零部件之間存在摩擦力。為了加快仿真計算的速度，本文通過對長導柱和短導柱上的圓柱副添加摩擦來模擬整個門系統開關門過程中的阻力。對塞拉門系統進行實驗測試，得到關門過程中電機的轉角以及電機的輸出扭矩曲線，如圖8、9所示。利用電機的輸出扭矩曲線來定義絲桿驅動扭矩的大小，同時取消驅動轉速，利用RecurDyn中的 AutoDesign功能對圓柱副上的摩擦系數進行自動優化。

圖8 電機的轉角曲線Fig.8 Angle curve of motor

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

3.2 仿真分析

對塞拉門系統進行實驗測試，得到電機的轉速曲線。以電機的轉速曲線（如圖10所示）作為絲桿驅動轉速，對機械系統仿真模型進行剛柔耦合仿真分析，得到絲桿驅動扭矩的仿真結果。

圖10 電機的輸出轉速曲線Fig.10 Output speed curve of motor

將仿真結果與實驗結果進行比較，如圖11-12所示，若誤差小于10%，說明所建模型能夠滿足精度要求；若誤差大于10%，說明所建模型與真實模型存在較大的誤差，需要對模型進行修正，主要對接觸副參數進行修正，修正后的接觸參數如表3所示，直至兩者誤差小于10%，至此，得到城軌塞拉門（35D鎖）虛擬樣機模型。

圖12 開門仿真與實驗結果對比Fig.12 comparison of simulation and experiment results of door opening

表3 修正后的接觸副參數Tab.3 modified contact pair parameters

4 結論

35D鎖是城軌車門常見的鎖閉機構之一，對車輛的穩定運行有著重要影響。本文基于RecurDyn軟件建立 35D鎖閉機構的剛柔耦合仿真模型，并將35D鎖閉機構作為子系統加入到城軌基型塞拉門仿真模型中，對門系統開關門過程的驅動扭矩進行了仿真，將仿真結果與實驗數據進行對比，根據對比結果對相關參數進行了調整，得到了高精度城軌塞拉門（35D鎖）動力學仿真模型，為后續35D鎖車門結構優化及常見故障研究提供思路。