城軌門(mén)系統(tǒng)接觸參數(shù)實(shí)驗(yàn)獲取方法研究

貢智兵，王祖進(jìn)

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城軌門(mén)系統(tǒng)接觸參數(shù)實(shí)驗(yàn)獲取方法研究

貢智兵，王祖進(jìn)

（南京康尼股份有限公司，江蘇 南京 210038）

在城軌門(mén)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中需要對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行不斷修正，以提高門(mén)系統(tǒng)仿真精度。為了使門(mén)系統(tǒng)仿真更精確、符合實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)門(mén)系統(tǒng)中主要接觸副的接觸剛度和接觸阻尼通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法獲取。獲取接觸參數(shù)后，在同類(lèi)門(mén)系統(tǒng)仿真過(guò)程中不再需要對(duì)接觸參數(shù)的值進(jìn)行多次修正，提高了門(mén)系統(tǒng)仿真的精度。

城軌門(mén)系統(tǒng)；虛擬樣機(jī)；實(shí)驗(yàn)裝置；接觸參數(shù)

0 引言

軌道車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)[1]虛擬樣機(jī)模型是一個(gè)復(fù)雜的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，其中傳動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)零部件間的接觸對(duì)是影響建模精度的主要因素，而接觸對(duì)本身的仿真精度主要由接觸剛度和接觸阻尼決定。

目前文獻(xiàn)中對(duì)接觸剛度的測(cè)量主要有兩種測(cè)量方法：一種是直接法[2-3]，就是直接測(cè)量接觸面間的負(fù)載和位移，然后得到剛度；另一種方法是間接法[4-5]，就是測(cè)量某個(gè)物理量，然后通過(guò)該物理量跟接觸剛度之間的關(guān)系間接求得接觸剛度，例如超聲測(cè)量[6]和接觸諧振測(cè)量[7]。接觸阻尼的測(cè)量主要是采用間接測(cè)量法，也就是測(cè)量某個(gè)物理量，然后通過(guò)該物理量和接觸阻尼之間的關(guān)系求得接觸阻尼，例如對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，提取諧振頻率，通過(guò)諧振頻率和阻尼間的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到接觸阻尼值[8]；又例如通過(guò)繪制“載荷-位移”曲線(xiàn)，即遲滯回線(xiàn)來(lái)表征接觸阻尼特性[9-10]。

上述接觸剛度直接測(cè)量法的缺點(diǎn)是只能測(cè)量接觸剛度，無(wú)法測(cè)得接觸阻尼；間接測(cè)量方法得到的接觸剛度和接觸阻尼值的精度取決于間接量的實(shí)驗(yàn)精度，后續(xù)數(shù)據(jù)推導(dǎo)過(guò)程中也會(huì)引入理想假設(shè)誤差，最終得到的剛度和阻尼值的精度很難評(píng)估，而且實(shí)驗(yàn)測(cè)得到的剛度和阻尼值是用于仿真建模的，仿真中直接采用實(shí)驗(yàn)值很難得到高精度的模型。此外，上述方法測(cè)量的接觸對(duì)象都是平板類(lèi)零件和球形零件，不適用于絲桿螺旋傳動(dòng)等特殊類(lèi)型接觸。

因此，本文對(duì)接觸剛度和接觸阻尼進(jìn)行直接測(cè)量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法得到接觸剛度值和接觸阻尼值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

對(duì)門(mén)系統(tǒng)中的接觸副進(jìn)行定義，具體包括：鎖閉組件和絲桿間的接觸、尼龍滾輪和上滑道間的接觸、擺臂滾輪和下導(dǎo)軌間的接觸。

為了獲取鎖閉組件和絲桿間的接觸參數(shù)、擺臂滾輪和下導(dǎo)軌間的接觸參數(shù)、尼龍滾輪和上滑道間的接觸參數(shù)，設(shè)計(jì)了下圖所示的接觸參數(shù)獲取實(shí)驗(yàn)裝置。鎖閉組件和絲桿間的接觸參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置包括：絲桿、鎖閉組件、重物塊、直線(xiàn)軸承、長(zhǎng)導(dǎo)柱、運(yùn)動(dòng)滑塊、尼龍繩、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、計(jì)時(shí)裝置等。滾輪和導(dǎo)軌間接觸參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置包括：滑筒組件、攜門(mén)架、機(jī)架、掛架、上滑道、下導(dǎo)軌、長(zhǎng)導(dǎo)柱、尼龍繩、重物塊、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、計(jì)時(shí)裝置等。

圖1 鎖閉組件和絲桿間接觸參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 滾輪和導(dǎo)軌間接觸參數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)原理

使用重物塊通過(guò)鋼絲繩拉動(dòng)鎖閉組件在絲桿上做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量鎖閉組件從絲桿的一端運(yùn)動(dòng)到另一端的時(shí)間間隔。然后在RecurDyn軟件中建立相同的動(dòng)力學(xué)仿真模型[11-14]，絲桿和鎖閉組件間建立接觸對(duì)。

使用重物塊通過(guò)鋼絲繩拉動(dòng)滑筒在長(zhǎng)導(dǎo)柱上做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)配重塊對(duì)掛架施加的拉力來(lái)增大滾輪和導(dǎo)軌間的正壓力，測(cè)量滑筒從長(zhǎng)導(dǎo)柱的一端運(yùn)動(dòng)到另一端的時(shí)間間隔。然后在RecurDyn軟件中建立相同的動(dòng)力學(xué)仿真模型，滾輪和導(dǎo)軌間建立接觸對(duì)。

通過(guò)調(diào)整接觸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)仿真模型的運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔和實(shí)際物理樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔相等，從而得到絲桿和鎖閉組件間接觸對(duì)的參數(shù)、滾輪和導(dǎo)軌間接觸對(duì)的參數(shù)。改變重物塊的重量對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終得到接近實(shí)際接觸效果的參數(shù)組合。

3 物理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1，標(biāo)定長(zhǎng)導(dǎo)柱和運(yùn)動(dòng)滑塊間的摩擦系數(shù)。斷開(kāi)鎖閉組件與運(yùn)動(dòng)滑塊間的連接，讓重物塊僅拉著運(yùn)動(dòng)滑塊沿長(zhǎng)導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。分2種工況進(jìn)行，工況1：重物塊為2.5N，滑塊運(yùn)動(dòng)10次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況2：重物塊為5N，滑塊運(yùn)動(dòng)10次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)1（運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔，單位：ms）

Tab.1 Experiment 1 (motion time interval, unit: ms)

實(shí)驗(yàn)2，獲取塑料螺母和絲桿間的接觸參數(shù)。鎖閉組件中僅塑料螺母與絲桿接觸，讓重物塊拉著運(yùn)動(dòng)滑塊沿長(zhǎng)導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。分2種工況進(jìn)行，工況1：重物塊為10N，滑塊運(yùn)動(dòng)20次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況2：重物塊為12.5N，滑塊運(yùn)動(dòng)20次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)3，獲取滾動(dòng)銷(xiāo)和絲桿間的接觸參數(shù)。鎖閉組件中僅滾動(dòng)銷(xiāo)和銅套與絲桿接觸，讓重物塊拉著運(yùn)動(dòng)滑塊沿長(zhǎng)導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。分3種工況進(jìn)行，工況1：重物塊為10N，滑塊運(yùn)動(dòng)20次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況2：重物塊為12.5N，滑塊運(yùn)動(dòng)20次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況3：重物塊為15N，滑塊運(yùn)動(dòng)20次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)2（運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔，單位：ms）

Tab.2 Experiment 2 (motion time interval, unit: ms)

表3 實(shí)驗(yàn)3（運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔，單位：ms）

Tab.3 Experiment 3 (motion time interval, unit: ms)

實(shí)驗(yàn)4，驗(yàn)證鎖閉組件和絲桿間的接觸參數(shù)。鎖閉組件與絲桿接觸，讓重物塊拉著運(yùn)動(dòng)滑塊沿長(zhǎng)導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)，重物塊為40N，滑塊運(yùn)動(dòng)20次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)4（運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔，單位：ms）

Tab.4 Experiment 4 (motion time interval, unit: ms)

實(shí)驗(yàn)5，獲取下導(dǎo)軌和擺臂滾輪間的接觸參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置中共有兩個(gè)接觸對(duì)，均為下導(dǎo)軌和擺臂滾輪間的接觸。讓重物塊拉著滑筒沿長(zhǎng)導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。分3種工況進(jìn)行，工況1：兩個(gè)配重塊分別為20N，重物塊為5N，滑筒運(yùn)動(dòng)10次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況2：兩個(gè)配重塊分別為20N，重物塊為5N，滑筒運(yùn)動(dòng)10次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況3：兩個(gè)配重塊分別為20N，重物塊為10N，滑筒運(yùn)動(dòng)10次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)5（運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔，單位：ms）

Tab.5 Experiment 5 (motion time interval, unit: ms)

實(shí)驗(yàn)6，獲取上滑道和尼龍滾輪間的接觸參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置中共有兩個(gè)接觸對(duì)，一個(gè)為下導(dǎo)軌和擺臂滾輪間的接觸，另一個(gè)為上滑道和尼龍滾輪間的接觸。讓重物塊拉著滑筒沿長(zhǎng)導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。分4種工況進(jìn)行，工況1：兩個(gè)配重塊分別為20N，重物塊為5N，滑筒運(yùn)動(dòng)5次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況2：兩個(gè)配重塊分別為20N，重物塊為10N，滑筒運(yùn)動(dòng)5次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況3：兩個(gè)配重塊分別為10N，重物塊為5N，滑筒運(yùn)動(dòng)10次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔；工況4：兩個(gè)配重塊分別為10N，重物塊為7.5N，滑筒運(yùn)動(dòng)10次，記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 實(shí)驗(yàn)6（運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔，單位：ms）

Tab.6 Experiment 6 (motion time interval, unit: ms)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型（圖3）進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，得到運(yùn)動(dòng)滑塊與長(zhǎng)導(dǎo)柱間的摩擦系數(shù)為0.0204。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型（圖4）進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，得到塑料螺母與絲桿間的接觸參數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型（圖5）進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，得到滾動(dòng)銷(xiāo)與絲桿間的接觸參數(shù)以及銅套與絲桿間的接觸參數(shù)。

圖3 仿真模型1

圖4 仿真模型2

圖5 仿真模型3

根據(jù)實(shí)驗(yàn)4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型（圖6）進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，對(duì)鎖閉組件與絲桿間的接觸 參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行 修正。

圖6 仿真模型4

根據(jù)實(shí)驗(yàn)5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型（圖7）進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，得到下導(dǎo)軌和擺臂滾輪間的接觸參數(shù)。

圖7 仿真模型5

根據(jù)實(shí)驗(yàn)6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型（圖8）進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，得到上滑道和尼龍滾輪間的接觸參數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述接觸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表7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)。

圖8 仿真模型6

6 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的測(cè)量方法，對(duì)門(mén)系統(tǒng)中主要接觸副的接觸剛度和接觸阻尼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和仿真分析，實(shí)驗(yàn)裝置和門(mén)系統(tǒng)的接觸形式相同，不需要數(shù)據(jù)推導(dǎo)，能夠?qū)β菪齻鲃?dòng)等特殊類(lèi)型的接觸進(jìn)行測(cè)量，在獲取接觸參數(shù)的同時(shí)也能夠?qū)佑|參數(shù)的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在門(mén)系統(tǒng)仿真模型中不再需要對(duì)接觸參數(shù)的值進(jìn)行修正，為建立高精度的門(mén)系統(tǒng)仿真模型提供了基礎(chǔ)。

表7 接觸副參數(shù)設(shè)置

Tab.7 Contact pair parameters setting

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Study on Experimental Method for Obtaining the Contact Parameters of the City Track Door

GONG Zhi-bing, WANG Zu-jin

(Nanjing Kangni Mechanical & Electrical Co. Ltd., Nanjing 210038, China)

During the dynamic simulation of the city track door, the contact parameters need to be constantly revised to improve the accuracy of the door system simulation. In order to make the door system simulation more accurate and accord with the actual working conditions, an experimental device was designed. The contact stiffness and contact damping of the main contact pairs in the door system were obtained through a combination of experimental and simulation methods. After obtaining the contact parameters, it is no longer necessary to perform multiple corrections on the values of the contact parameters in the simulation process of the same door system, which improves the precision of the door system simulation.

City track door; Virtual prototype; Experimental device; Contact parameters

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.016

貢智兵(1980-)，男，博士，工程師，主要研究方向：軌道車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)；王祖進(jìn)(1988-)，男，博士，工程師，主要研究方向：軌道車(chē)輛門(mén)系統(tǒng)。

本文著錄格式：貢智兵，王祖進(jìn). 城軌門(mén)系統(tǒng)接觸參數(shù)實(shí)驗(yàn)獲取方法研究[J]. 軟件，2018，39（7）：79-83