基于RecurDyn的城軌微動塞拉門系統動力學仿真

陳健飛，王云霞，貢智兵，王祖進，施晶晶

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基于RecurDyn的城軌微動塞拉門系統動力學仿真

陳健飛1,2，王云霞2*，貢智兵1，王祖進1，施晶晶1

（1. 南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京 210038；2. 南京工程學院機械工程學院，江蘇 南京 211167）

基于RecurDyn多體動力學分析軟件，對城軌微動塞拉門系統構建虛擬樣機，模擬微動塞拉門系統運動過程，提出一種構建接近真實工況動力學模型的方法。將導入RecurDyn的三維裝配模型進行部件模塊劃分，設置材料屬性；根據實際運動關系，在各部件之間添加運動副以及接觸副；并設置門系統所受載荷、驅動等參數。其后通過物理樣機實驗采集數據，將仿真結果與實驗數據比對，并對仿真分析參數修正，最終獲取接近真實工況的動力學仿真模型。

RecurDyn；微動塞拉門；虛擬樣機；動力學模型

0 引言

隨著世界經濟的高速發展，軌道交通行業憑借其輕污染、低能耗、安全可靠等優勢在世界范圍內得到越來越廣泛的重視[1-3]。軌道列車門系統為軌道列車核心部件之一[4]，而微動塞拉門解決了傳統塞拉門關門難、門系統重量重的問題，也克服了傳統外掛門隔音密封效果不好的缺陷[5]。

微動塞拉門系統目前仍然采用傳統結構設計以及物理實驗的方法，即結構設計—物理樣機驗證—結構修改—樣機再驗證的方法，如此反復，使得設計周期過長，研發成本過高。隨著虛擬樣機技術的不斷發展，利用虛擬樣機可以大幅度減少設計以及實驗周期，縮短研發時間，降低研發成本[6-12]。因此利用RecurDyn等多體動力學軟件構建微動塞拉門系統的虛擬樣機[13-16]，利用仿真模型模擬真實工況，可以為結構設計以及實驗提供理論依據，最終達到代替部分物理實驗的目的。

1 微動塞拉門系統機構分析

通過SolidWorks軟件對微動塞拉門系統進行零部件三維模型構建和裝配。如圖1所示，微動塞拉門系統組成部分主要包括：驅動機構、承載導軌組件、左右門扇、承載小車組件等，并將該模型轉化為RecurDyn通用格式文件，用以構建動力學模型。

圖1 微動塞拉門裝配模型

微動塞拉門系統驅動機構如圖2所示。由電機驅動絲桿旋轉，通過絲桿將電機的驅動力經由螺母組件、H傳動架以及鉸鏈座傳遞至左右門扇上，實現對門扇的開門關門驅動作用。

微動塞拉門左右門扇通過攜門架與承載小車連接，承載小車上的承載輪、防跳輪分別支撐承載導軌上下兩端，如圖3所示。

圖3 微動塞拉門承載小車

微動塞拉門系統開關門過程中具有微塞拉動作，為了實現門扇X-Y方向上的同步運動，門系統導向主要由位于承載導軌組件下部的上滑道機構以及門扇下端的下滑道機構組成，如圖4所示。門扇上部與導向輪連接，上滑道與承載導軌連接，攜門架與左右門扇以及承載小車連接；下滑道與門扇連接，車體門框下端與導向輪連接。導向輪分別在上滑道以及下滑道內部運動，實現門扇直線運動以及微塞拉動作。

圖4 微動塞拉門導向機構

2 構建動力學仿真模型

2.1 材料屬性設置

為提高整個模型的仿真運算速度，將具有相同運動關系的零部件合并在一起，通過RecurDyn軟件中的merge功能得以實現，依據合并前的零部件材料屬性參數對merge后各body設定整合后的零部件相對材料參數，具體包括部件質量、質心坐標、轉動慣量等。

2.2 運動副設置

根據微動塞拉門系統各零部件之間運動關系，對各部件運動副進行設定，如表1所示。

2.3 接觸副設置

定義微動塞拉門系統接觸副，主要包括：螺母組件內部接觸、螺母組件與變導程絲桿接觸、導向輪與上下滑道內側接觸、承載輪與承載導軌下導軌接觸、防跳輪與承載導軌上導軌接觸、壓輪與車體接觸。具體接觸類型以及接觸參數初步設置，如表2所示。

2.4 載荷驅動設置

對微動塞拉門系統設置載荷，如圖5所示。在仿真模型的螺母組件的塑料螺母與螺母座之間建立扭簧力（Rotational Spring），模擬螺母組件內部扭簧作用力。在模型的左右門扇之間沿著門扇運動方向建立變剛度彈簧模擬門扇護指膠條反彈力，通過實驗獲取膠條反彈力變形與作用力的關系曲線，根據此關系設定變剛度彈簧剛度曲線?？紤]左右門扇在實際工況下，為保證門系統在關門狀態下的密封效果，門扇會調整為V型狀態，即門扇下端護指膠條會先接觸產生反彈力，因此動力學模型根據工況的V型來設定變剛度彈簧依次產生作用的順序，以模擬門扇V型工況。在仿真模型的門框周邊與車體之間建立均布載荷模擬周邊膠條與車體之間的作用力，均布載荷建立方向為車體的垂直方向。對絲桿與車體之間的旋轉副增加驅動速度，模擬電機對絲桿的驅動作用。

表1 運動副設定

Tab.1 Motion pair setting

表2 接觸參數設定

Tab.2 Contact parameters setting

圖5 微動塞拉門載荷施加

2.5 摩擦系數設置

設定微動塞拉門模型的運動副的摩擦系數，以實現仿真模型摩擦力接近真實工況中的運動阻力。為了提高模型的分析速度，僅對模型中承載小車與承載輪以及門扇與導向輪共8個旋轉副設定摩擦系數。

通過城軌門系統手動關門力實驗獲取物理樣機關門阻力，由EN14752要求人從車內或車外施加不超過150 N的力，以不超過50 mm/s的速度關門，其實驗方法如圖6所示，經實驗所得手動關門力約80 N。

構建微動塞拉門系統手動關門動力學模型，手動測量開關門力時，系統中的阻力主要由兩部分組成，一部分是電機的靜態摩擦扭矩引起，另一部分是機械部分零部件之間的傳動阻力，其中電機的靜態摩擦扭矩為0.12 N×m，為模擬電機的靜態摩擦扭矩對手動開關門力的影響，在絲桿段添加0.12 N×m，為模擬手動開關門力，在門扇前檔邊沿構建彈簧力，通過拖拽彈簧，使彈簧拉力傳遞到門扇，當彈簧力大于門扇運動阻力，門扇即可運動，通過測量彈簧張緊力即可間接獲得門扇開關門過程的動態變化力，手動關門動力學模型如圖7所示。通過調整仿真模型運動副摩擦系數，使得仿真手動關門力于勻速段約80N貼近實驗所得，仿真彈簧張緊力曲線如圖8所示。

圖6 手動關門實驗

圖7 手動關門動力學模型

圖8 手動關門仿真數據

3 仿真分析驗證

3.1 真實數據采集

對微動塞拉門樣機進行電動開關門實驗，如圖9所示，通過數據采集模塊讀取門系統電機數據，采集多組電機轉速以及電流曲線，如圖10所示。

圖9 微動塞拉門試驗樣機

圖10 微動塞拉門系統關門電機數據曲線

3.2 分析與驗證

對微動塞拉門系統臺架試驗所獲取得電機轉速曲線取均值，如圖11所示，將電流轉換為扭矩，并將此速度均值曲線作為微動塞拉門關門時絲桿驅動轉速。對微動塞拉門機械系統進行動力學仿真分析，獲取絲桿的驅動扭矩曲線，并將該曲線與所采集的電機扭矩曲線進行對比分析，如圖12所示。仿真數據與實驗采集數據之間的誤差在10%以內認為較為準確，圖中所示分析數據除最終鎖閉點誤差外已基本達到10%范圍之內，而鎖閉接觸點位置由于該動力學模型為開環系統，無扭矩反饋，故此接觸位置由于速度存在使得零件接觸位置出現輕微穿透，使得扭矩陡然上升，擬合分析的接觸參數修正如表3所示。

圖11 分析驅動速度曲線圖

圖12 仿真分析曲線與樣機采集曲線

表3 接觸參數修正

Tab.3 Correction contact parameter

4 結論

本文基于RecurDyn動力學仿真分析軟件對微動塞拉門系統構建機械系統的動力學仿真模型，提出了一種擬合真實工況的模型構建方法。分別分析了微動塞拉門系統各部分之間運動關系，并根據運動關系設定運動副、接觸副、系統內部載荷、外部載荷以及系統驅動。通過物理樣機各性能試驗采集相關性能數據對初步設定的各參數進行優化，得到接近真實工況的動力學模型，該模型能夠較為準確的反應微動塞拉門系統運動過程中各部件相互關系，對各部件運動姿態、受力情況給出定量的理論依據，有助于大大減少試驗周期，降低研發成本。

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Dynamic Simulation of Jiggle Sliding Plug Door System for Urban Rail Micro Motion Based on RecurDyn

CHEN Jian-fei1.2, WANG Yun-xia2*, GONG Zhi-bing1, WANG Zu-jin1, SHI Jing-jing1

(1. Nanjing Kangni Mechanical & Electrical Co. Ltd., Nanjing 210038, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing, 21167, China)

Based on multi-body dynamics analysis software RecurDyn, a virtual prototype was constructed to simulate the movement process of the Jiggle Sliding Plug Door system of urban rail. There was proposed a method to construct a dynamic model close to the real working condition. The three-dimensional assembly model imported into RecurDyn was divided into component modules, and the material properties were set. According to the actual motion relationship, the motion pairs and contact pairs were added between the components, and the load and drive of the door system were set. Then the simulation results were compared with the experimental data, and the simulation analysis parameters were modified. Finally, the dynamic simulation model close to the real working condition is obtained..

RecurDyn; Jiggle sliding plug door; Virtual prototype; Dynamic model

TP271+.2

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.008

校級創新基金重大項目“面向服務的智造資源智能響應與服務技術的研究”(CKJA201509)

陳健飛(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：軌道車輛門系統；貢智兵(1980-)，男，博士，工程師，主要研究方向：軌道車輛門系統；王祖進(1988-)，男，博士，工程師，主要研究方向：軌道車輛門系統；施晶晶：(1988-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：軌道車輛門系統。

王云霞(1976-)，女，博士，教授，主要研究方向：智能制造。

陳健飛，王云霞，貢智兵，等. 基于RecurDyn的城軌微動塞拉門系統動力學仿真[J]. 軟件，2018，39（12）：32-36