基于Adams的列车门系统承载传动机构动力学仿真研究

杨欣薇 朱松青 缪秀祥 杨柳

摘 要：为了解决列车门系统承载传动机构的磨损、润滑不良及扭簧变形等问题，本文基于ADAMS仿真软件，通过对门系统承载传动机构工作原理的分析，确定目标函数和约束条件，实现对该机构的动力学仿真，并综合考虑滚销与丝杠的接触刚度、摩擦系数及扭簧初始角度对门系统的影响规律。结果表明，接触刚度的增加使前后滚销受力都增加;摩擦系数的增加使电机的输出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滚销受力减小、后滚销受力增加。该仿真分析能够为后续列车门系统的维修检测提供一定参考。

关键词：承载传动机构;列车门系统;仿真分析

中图分类号：U270.38 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0044-06

Abstract： In order to solve the problems of wear， poor lubrication and torsion spring deformation of the load-bearing transmission mechanism of the train door system， based on ADAMS simulation software， through the analysis of the working principle of the load-bearing transmission mechanism of the door system， the objective function and constraint conditions were determined to realize the dynamics of the mechanism simulation in this paper， and the influence of the contact stiffness， friction coefficient and the initial angle of the torsion spring on the door system were comprehensively considered. The results show that the increase in contact stiffness increases the force on the front and rear roller pins; the increase in friction coefficient increases the output torque of the motor; the increase in the initial angle of the torsion spring reduces the force on the front roller pin and the force on the rear roller pin. The simulation analysis can provide a certain reference for the subsequent maintenance and testing of the train door system.

Keywords： load-bearing transmission mechanism;train door system;simulation analysis

列车门系统作为地铁车辆上重要的组成部件，需要进行频繁的开关门运动，而且要承受运行过程中的交变气动载荷和乘客挤压力，因此极易发生故障而导致列车停运，甚至引发人员伤亡事故。门系统承载传动机构作为承载荷载和传递动力的主要承担者，常常会遇到丝杠变形、润滑不良及扭簧变形等情况[1-2]，在实际运行中又很难通过试验的方式监测这些异常情况，因此，有必要对门系统的承载传动机构进行动力学研究。

为了解决开关门运行过程中门系统承载传动机构存在的丝杠磨损、扭簧变形及润滑不良等问题，本文依靠三维绘图软件SolidWorks构建门系统承载传动机构模型，并将其保存为中性文件，导入ADAMS动力学仿真软件中，在熟悉承载传动机构的工作原理的基础上，进行零件之间约束条件的设定及目标函数的确定[3]。借助ADAMS动力学仿真软件对门系统承载传动机构运行过程中的状态进行动力学仿真和分析，并综合考虑滚销与丝杠的接触刚度、摩擦系数及扭簧的初始角度对门系统承载传动机构的影响规律，为后续试验检测提供一定的参考[4-5]。

1 模型的建立

本研究首先以塞拉门承载传动机构为对象，传动装置设于车厢内侧车门的顶部，塞拉门开关时装有导轮的携门架可在滑道导轨上移动并与传动装置相连，借助电动机驱动传动机构带动携门架动作，从而带动门扇移动。

本研究在ADAMS中建立门系统承载传动机构的三维物理模型，如图1所示。首先，依据实际门系统承载传动机构参数，借助SolidWorks三维绘图软件进行简化机构的绘图，并对其进行装配且保存为中性文件格式，然后导入ADAMS中，進行相关零件材料属性、零件之间约束及驱动条件的设置，以实现门系统承载传动机构的动力学仿真[6-8]。主要零部件之间的约束关系如图2所示[9-10]。

根据门系统承载传动结构及工作原理，机架、边挂架支架、中间支撑架与车门运动不相关，在动力学分析时，可简化省略。各零部件间的约束关系为：丝杠支架与ADAMS中的ground（大地）设置固定副;丝杠与丝杠支架设置旋转副;滚销与丝杆设置接触;滚销与螺母座设置旋转副;丝杆与螺母设置螺旋副;丝杆与铜套设置接触;螺母与螺母座设置旋转副;短导柱与ADAMS中的ground（大地）固连;短导柱与边挂架设置移动副;边挂架与长导柱设置固连;长导柱与滑筒设置移动副;滑筒与携门架设置固连;携门架与上滑道设置接触;上滑道与ADAMS中的ground（大地）固连;滑筒与传动架设置固连;传动架与螺母座设置旋转副。

2 承载传动机构仿真研究

由于一个Contact（接触力）设置有8个参数，模型共有5个Contact（接触力）设置，因此总的模型参数较多，若一一组合分析，则工作量大，分析复杂。从Contact（接触力）设置的8个参数分析来看，有2个主要关键参数：刚度，反映接触材料的刚度问题;摩擦系数，反映接触的润滑情况。因此，后续研究将重点分析这两个参数对锁闭装置特性的影响;只考虑其他参数不变的情况，改变该参数对Contact（接触力）接触性能的影响，从中观察其趋势。

仿真系统中，模型的材料属性如表1所示。

2.1 开、关门运动仿真

下面对门系统承载传动机构中的接触副进行参数设置，對驱动目标函数进行编程，最后实现塞拉门系统的开、关运动仿真。正常开、关门的驱动设置如图3所示。运动方式如下：0.00～2.65 s，开门;2.65～3.00 s，停止;3.00～5.65 s，关门;5.65～6.00 s，停止。

仿真结束后，输出的电机扭矩及锁销受力图如图4和图5所示。通过对图5前滚销的接触受力分析可知，在关门过程中，丝杠驱动锁销必须克服扭簧的作用力，因此锁销在关门时比开门时的受力大。

2.2 各种参变量下的仿真

下面设置不同的滚销与丝杠的接触刚度、滚销与丝杠的摩擦系数、扭簧预紧，分析其不同条件下的仿真输出，比较其参数变化对仿真的影响。参数设置如表2所示。

滚销和丝杠的接触刚度对电机输出扭矩，前、后滚销及携门架滚轮受力的影响如表3、图6所示。

由表3及图6可知，随着滚销和丝杠接触刚度的增加，前、后滚销受力峰值、均值逐渐增大;在一定范围内，滚销和丝杠接触刚度对电机输出扭矩均值大小和携门架滚轮受力的影响不大。

滚销和丝杠之间的润滑状态对电机输出扭矩，前、后滚销及携门架滚轮受力的影响及电机输出扭矩趋势曲线如表4和图7所示。

由表4及图7可看出，随着滚销和丝杠之间摩擦系数的增加，电机的输出扭矩均值逐渐增大;在一定范围内，滚销受力均值大小和携门架滚轮受力均值大小的变化不大。

扭簧预紧力对电机的输出扭矩，前、后滚销和携门架滚轮受力的影响的仿真研究结果如表5所示，本研究把扭簧预紧力对滚销的受力影响做成曲线图，如图8所示。

由表5及图8可知，随着扭簧预紧力的增加，开门时前滚销力的均值减少，后滚销力的均值增加;关门时，前滚销力的均值减少，后滚销力的均值增加;电机输出扭矩和携门架滚轮受力均值的变化不大。

3 结论

针对门系统承载传动机构在长期运行中存在的磨损、润滑不良及扭簧变形等问题，本文通过对门系统承载传动机构工作原理的分析，确定目标函数和约束条件，在ADAMS中建立承载传动机构的参数化数学模型，实现门系统承载传动机构的动力学仿真。同时，综合考虑滚销与丝杠的接触刚度、滚销与丝杠的摩擦系数及扭簧的初始角度等因素，对门系统承载传动机构的电机输出扭矩、前后滚销受力均值、携门架滚轮受力等一系列问题进行详细分析。结果表明，接触刚度的增加（材料的不同）使前后滚销受力都增加;摩擦系数（润滑）的增加使电机的输出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滚销受力减小、后滚销受力增加。该仿真分析可以为后续试验检测提供一定的参考价值。

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