地鐵車輛客室塞拉門動力學性能仿真分析

王伯銘 陳 婧 李智澤 曾星瑜

（1.西南交通大學機械工程學院，610031，成都；2.重慶市軌道交通（集團）有限公司車輛公司，400042，重慶∥第一作者，副教授）

塞拉門系統因其突出的綜合性能，在地鐵車輛上得到了大量應用，但它同時也具有結構復雜、在實際使用過程中開關門性能較差等不足，且其“關門難”而造成的列車誤點問題嚴重影響了地鐵車輛的正常運營。因此，有必要對地鐵車輛的塞拉門系統進行分析以研究與其關門性能有關的因素，并對其安裝精度提出必要的要求。

1 塞拉門結構及控制原理

地鐵車輛客室塞拉門主要由工作機構、密封裝置、控制系統等三大部分組成，具體包括車門承載導向裝置、車門驅動傳動裝置、左右門扇、門上密封膠條、平衡輪組、緊急解鎖裝置、操作裝置、乘務員鑰匙開關、密封壓條等機械部件，以及電子門控單元、指示燈等電氣部件。塞拉門系統主要技術參數如下：

·供電電壓，DC 1500V；

·電壓變化范圍，DC 1000～1800V；

·供電方式，DC 1500V架空接觸網供電；

·客室塞拉門數量，5組對開；

·塞拉門凈開尺寸（寬×高），（1595±2）mm×2022mm；

·塞拉門控制電壓，DC（70%～125%）×110V；

·塞拉門最大防擠壓力，≤150N；

·塞拉門手動最大操作力，≤100N；

·塞拉門開關門時間，（3±0.5）s；

·塞拉門操作緊急手柄最大扭矩，≤10Nm。

從圖1所示的塞拉門工作原理圖可以看出，攜門架與長導柱和門扇聯接，滾輪在滑道中運動實現門扇的縱橫向運動。塞拉門通過一個由門控器控制的電機來驅動，在絲桿螺母的傳動下，攜門架帶動門扇在開門和關門的過程中平行擺動，實現門扇的擺塞運動。

為了防止車門在運動過程中夾傷乘客和門零部件受力過大而損壞，塞拉門的門控系統設有障礙物檢測功能。即對門制器設定車門的最大受力臨界值。如果在某次關門（或開門）過程中，門控器檢測到某個位置車門的阻力超過或者達到預設的臨界值，便認為車門門扇受到了障礙物阻擋，門控器會發出一個指令信號令電機反向驅動，使門扇打開至規定距離，以便排除障礙物。然而，門控器并不能識別車門受到的阻力是否真正來自于障礙物或被夾住的人。實際使用情況顯示，該功能在一定程度上降低了車門的關門性能。

圖1 車門傳動系統工作原理圖

2 塞拉門虛擬樣機的建立

塞拉門機構零件組成較多，個別零件結構復雜，直接利用ADAMS（機械系統動力學分析）軟件建模功能很難完成三維實體建模。利用三維建模軟件Pro／E建立城市軌道交通車輛客室塞拉門系統的三維實體模型，并完成零部件的裝配和干涉檢驗，最終完成整機建模，參見圖2。

圖2 塞拉門裝配三維模型

將建好的三維模型轉換成ADAMS可以識別的數據格式導入到ADAMS軟件。在確認沒有裝配體模型丟失或失真的情況下，設置各構件的材料密度、構件之間的約束等，使各個獨立的構件形成有機整體，反映機構運動結構特點。完成上述前處理后，得到塞拉門系統的ADAMS仿真模型。

3 塞拉門系統運動學分析

由車門的工作原理可知，車門門扇的運動軌跡與滑道形狀一致。將車門的關門終點定義為坐標系原點，Z軸方向為平行于門扇方向，X軸方向為垂直于門扇方向，則車門門扇的運動軌跡如圖3所示。

圖3 門扇的運動軌跡

在ADAMS進行的運動學仿真中設定電機的速度為常值233mm／s，理論分析得出車門沿垂直門板面方向的位移s和速度v與關門時間t的函數關系分別為：

則理論的位移與速度曲線如圖4及圖5所示。

通過ADAMS仿真得出車門關門時的運動規律如圖6所示。可以看到，車門的仿真結果與理論分析結果基本一致。

圖4 關門位移的理論值

圖5 關門速度的理論值

仿真得出車門對應的加速度曲線如圖7所示。可以看出，車門關門過程中沿滑道直線部分的運行平穩，只在進出塞拉行程時的沖擊比較大。該仿真結果與實際情況相符。

圖6 車門關閉時位移與速度的仿真曲線

圖7 關門過程中車門沿垂直門板面方向加速度曲線

4 塞拉門系統動力學分析

地鐵車輛客室塞拉門設定的最大防擠壓力為Fmax＝150N，定義其方向與門板面平行；通過試驗測得的車門的機械阻力為Fm＝70N。當車門受到的機械阻力低于70N時，不會對車門的開關產生影響。在動力學仿真過程中，根據設定的車門關門速度曲線，在ADAMS軟件中為模型添加的直線電機驅動函數表達式為：step（time，0，120，0.5，315）＋step（time，1.55，0，2.15，－170）。仿真得出車門關門的速度、位移曲線如圖8所示。

圖8 車門關門的速度、位移與時間的關系

4.1 摩擦力對車門關門性能的影響

從圖8可以看出，車門在2.1s時開始進入滑道的塞拉行程，在2.75s時達到最大塞拉角即35°，此后車門沿35°塞拉角方向直線運動，且車門垂直于門扇方向的速度為100mm／s。對應圖9為車門的摩擦系數依次為0.01、0.05、0.10、0.15時的受力曲線。表明車門在進入塞拉行程過程中受到的荷載沖擊較大，且隨著摩擦力的增大沖擊力不斷變大。當動摩擦系數為0.15時，車門受到的機械阻力達到的最大峰值為77.76N＞Fm＝70N，但是其持續時間比較短；其他的情況下車門受到的機械阻力均保持在70N以下。

圖9 不同摩擦力下車門受到的機械阻力

通過上述對摩擦力的分析可知，當車門攜門架與長導柱之間的動摩擦系數在0.01～0.15、靜摩擦系數在0～0.2的范圍內時，車門的機械阻力基本保持在70N以下。因此，摩擦力的變化對車門障礙物檢測功能的影響處于一個臨界狀態，即偶爾會造成車門誤開的現象。這與實際情況基本吻合。

4.2 車門的運動軌跡對車門關門性能的影響

圖10表示在車門上滑道的塞拉角分別為35°、37°、38°的情況下，車門關門過程中受到的平行于門扇方向的機械阻力。可以看出，三種情況下車門受到沖擊力的趨勢大體相同；當車門進入塞拉行程后，由于運動方向的不斷變化，使門扇速度和加速度不斷變化，導致車門受到不同程度的沖擊力。

圖10 在不同塞拉角下車門平行于門扇方向的機械阻力

由圖10可知，三種情況下車門受到的最大沖擊力為53.67N、82.98N、162.10N。因此，當塞拉角為35°時，車門不會出現“障礙物再開門”的錯誤動作；當塞拉角為37°時，車門的關門阻力超過了安全值，但其持續時間較短，超出的差值也只有約13N，故車門可能會產生“障礙物再開門”的錯誤動作；當塞拉角為38°時，車門的受力遠遠超過了安全值，導致車門在關門的過程中一定會發生“障礙物再開門”的錯誤動作。

通過上述分析得出，為保證塞拉門的關門性能，車門的塞拉角誤差應小于2°。

5 密封橡膠受力分析

在車門關閉的終點附近，車門密封膠條開始與接觸面相接觸，兩扇門對接的互指膠條也要相互接觸，為了達到密封要求，密封膠條、互指膠條都要產生一定的壓縮變形量，以便獲得預定的壓緊力。然而，這個密封彈力在滿足車門密封要求的同時卻成了車門關門運動的阻力。此外，車門在不斷地被關緊的過程中周邊密封壓條在擠壓變形的同時與密封面產生摩擦力，這個摩擦力也會阻礙車門的關門運動。

5.1 密封膠條力學模型的建立

近似認為密封膠條的所有位置變形均勻一致，密封橡膠的彈力與變形量之間滿足胡克定律，密封膠條的長度等于門扇垂向尺寸，忽略車門的彎曲角度。則車門受到的來自于密封膠條變形的總阻力為：

其中，

式中：

Fz——周邊密封膠條變形阻力，N；

fz——周邊密封膠條摩擦阻力，N；

Fh——互指膠條變形阻力，N；

f（z）——門扇在垂直方向的位移函數，mm；

E——橡膠的彈性模量，MPa；

h——門扇高度，mm；

w——單個門扇寬度，mm；

lz，lh——分別為周邊密封膠條和互指密封膠條的單位長度，mm；

Az，Ah——分別為周邊密封膠條和互指密封膠條的單位截面積，mm2；

e，f——分別為周邊密封膠條和互指密封膠條的額定壓縮量，mm；

μ——周邊密封膠條密封面之間的滑動摩擦系數。

由于塞拉門在車門關閉過程中f＜e，整理可得：

將地鐵客室塞拉門系統的主要參數（見表1）代入式（4）～（7）中，可以得出在額定變形量下，密封膠條的各個變形受力，如圖11所示。從圖中可以看出，當車門的安裝誤差為零時，車門的密封膠條沿平行于車門方向的受力最大為64.35N。

5.2 周邊密封膠條變形量對車門關門性能的影響

如圖12所示，車門的互指膠條在額定變形量下，周邊密封膠條的變形量分別比額定變形量大0 mm、1mm、2mm、3mm時單個門扇的受力分布曲線。可以看到，車門的最大受力值依次為64.35N、70N、75.69N、81.36N。而車門周邊密封膠條的變形量受車門外擺尺寸（56mm）的影響。

表1 車門的主要參數

圖11 額定變形量下密封膠條受到各個力的分布圖

圖12 周邊密封膠條不同變形量的受力分布圖

通過上述分析知，周邊密封膠條變形量的變化對車門受力的影響比較緩慢；當密封膠條的變形量比額定值大3mm時變形力最大，其值比安全值大11.36N，可造成車門誤開的現象，此時車門外擺尺寸為53mm。因此，車門的外擺尺寸要盡量控制在54～56mm之間，以降低車門的關門受力，提高關門質量。

5.3 互指膠條變形量對車門關門性能的影響

圖13為車門的周邊密封膠條在額定變形量下，互指膠條的變形量分別比額定變形量大0mm、1 mm、2mm時單個門扇的受力分布曲線。可知車門的最大受力值依次為64.35N、82.35N、100.35N。而車門互指膠條的變形量受車門密封尺寸的影響，車門密封要求的兩扇門頁互指膠條之間的尺寸為（44.3±4）mm。

圖13 互指密封膠條不同變形量的受力分布圖

通過上述分析知，互指膠條變形量的變化對車門受力的影響比較大，當單扇門頁的密封膠條的變形量比額定值大1mm（即車門互指膠條的密封尺寸為43.3mm）時，密封膠條的受力就會比預定值大12.35N，嚴重影響車門的關門性能。因此，車門的密封尺寸最好嚴格達到規定尺寸44.3mm，從而保證車門的安裝質量，提高車門的關門性能。

6 結論

（1）由車門長導柱與攜門架軸承之間摩擦系數的改變而引起的摩擦力變化對車門關門性能的影響不是很大；

（2）車門門扇運動軌跡對車門受力的影響較大，為了保證車門關門準確性，車門塞拉角誤差應不大于2°；

（3）車門門扇外擺最優安裝尺寸的公差范圍是0～－2mm，而車門密封尺寸是車門密封要求中最重要的尺寸，其誤差應盡量控制為零。

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