基于Adams的列車門系統承載傳動機構動力學仿真研究

楊欣薇 朱松青 繆秀祥 楊柳

摘 要：為了解決列車門系統承載傳動機構的磨損、潤滑不良及扭簧變形等問題，本文基于ADAMS仿真軟件，通過對門系統承載傳動機構工作原理的分析，確定目標函數和約束條件，實現對該機構的動力學仿真，并綜合考慮滾銷與絲杠的接觸剛度、摩擦系數及扭簧初始角度對門系統的影響規律。結果表明，接觸剛度的增加使前后滾銷受力都增加;摩擦系數的增加使電機的輸出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滾銷受力減小、后滾銷受力增加。該仿真分析能夠為后續列車門系統的維修檢測提供一定參考。

關鍵詞：承載傳動機構;列車門系統;仿真分析

中圖分類號：U270.38 文獻標識碼：A文章編號：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

列車門系統作為地鐵車輛上重要的組成部件，需要進行頻繁的開關門運動，而且要承受運行過程中的交變氣動載荷和乘客擠壓力，因此極易發生故障而導致列車停運，甚至引發人員傷亡事故。門系統承載傳動機構作為承載荷載和傳遞動力的主要承擔者，常常會遇到絲杠變形、潤滑不良及扭簧變形等情況[1-2]，在實際運行中又很難通過試驗的方式監測這些異常情況，因此，有必要對門系統的承載傳動機構進行動力學研究。

為了解決開關門運行過程中門系統承載傳動機構存在的絲杠磨損、扭簧變形及潤滑不良等問題，本文依靠三維繪圖軟件SolidWorks構建門系統承載傳動機構模型，并將其保存為中性文件，導入ADAMS動力學仿真軟件中，在熟悉承載傳動機構的工作原理的基礎上，進行零件之間約束條件的設定及目標函數的確定[3]。借助ADAMS動力學仿真軟件對門系統承載傳動機構運行過程中的狀態進行動力學仿真和分析，并綜合考慮滾銷與絲杠的接觸剛度、摩擦系數及扭簧的初始角度對門系統承載傳動機構的影響規律，為后續試驗檢測提供一定的參考[4-5]。

1 模型的建立

本研究首先以塞拉門承載傳動機構為對象，傳動裝置設于車廂內側車門的頂部，塞拉門開關時裝有導輪的攜門架可在滑道導軌上移動并與傳動裝置相連，借助電動機驅動傳動機構帶動攜門架動作，從而帶動門扇移動。

本研究在ADAMS中建立門系統承載傳動機構的三維物理模型，如圖1所示。首先，依據實際門系統承載傳動機構參數，借助SolidWorks三維繪圖軟件進行簡化機構的繪圖，并對其進行裝配且保存為中性文件格式，然后導入ADAMS中，進行相關零件材料屬性、零件之間約束及驅動條件的設置，以實現門系統承載傳動機構的動力學仿真[6-8]。主要零部件之間的約束關系如圖2所示[9-10]。

根據門系統承載傳動結構及工作原理，機架、邊掛架支架、中間支撐架與車門運動不相關，在動力學分析時，可簡化省略。各零部件間的約束關系為：絲杠支架與ADAMS中的ground（大地）設置固定副;絲杠與絲杠支架設置旋轉副;滾銷與絲桿設置接觸;滾銷與螺母座設置旋轉副;絲桿與螺母設置螺旋副;絲桿與銅套設置接觸;螺母與螺母座設置旋轉副;短導柱與ADAMS中的ground（大地）固連;短導柱與邊掛架設置移動副;邊掛架與長導柱設置固連;長導柱與滑筒設置移動副;滑筒與攜門架設置固連;攜門架與上滑道設置接觸;上滑道與ADAMS中的ground（大地）固連;滑筒與傳動架設置固連;傳動架與螺母座設置旋轉副。

2 承載傳動機構仿真研究

由于一個Contact（接觸力）設置有8個參數，模型共有5個Contact（接觸力）設置，因此總的模型參數較多，若一一組合分析，則工作量大，分析復雜。從Contact（接觸力）設置的8個參數分析來看，有2個主要關鍵參數：剛度，反映接觸材料的剛度問題;摩擦系數，反映接觸的潤滑情況。因此，后續研究將重點分析這兩個參數對鎖閉裝置特性的影響;只考慮其他參數不變的情況，改變該參數對Contact（接觸力）接觸性能的影響，從中觀察其趨勢。

仿真系統中，模型的材料屬性如表1所示。

2.1 開、關門運動仿真

下面對門系統承載傳動機構中的接觸副進行參數設置，對驅動目標函數進行編程，最后實現塞拉門系統的開、關運動仿真。正常開、關門的驅動設置如圖3所示。運動方式如下：0.00～2.65 s，開門;2.65～3.00 s，停止;3.00～5.65 s，關門;5.65～6.00 s，停止。

仿真結束后，輸出的電機扭矩及鎖銷受力圖如圖4和圖5所示。通過對圖5前滾銷的接觸受力分析可知，在關門過程中，絲杠驅動鎖銷必須克服扭簧的作用力，因此鎖銷在關門時比開門時的受力大。

2.2 各種參變量下的仿真

下面設置不同的滾銷與絲杠的接觸剛度、滾銷與絲杠的摩擦系數、扭簧預緊，分析其不同條件下的仿真輸出，比較其參數變化對仿真的影響。參數設置如表2所示。

滾銷和絲杠的接觸剛度對電機輸出扭矩，前、后滾銷及攜門架滾輪受力的影響如表3、圖6所示。

由表3及圖6可知，隨著滾銷和絲杠接觸剛度的增加，前、后滾銷受力峰值、均值逐漸增大;在一定范圍內，滾銷和絲杠接觸剛度對電機輸出扭矩均值大小和攜門架滾輪受力的影響不大。

滾銷和絲杠之間的潤滑狀態對電機輸出扭矩，前、后滾銷及攜門架滾輪受力的影響及電機輸出扭矩趨勢曲線如表4和圖7所示。

由表4及圖7可看出，隨著滾銷和絲杠之間摩擦系數的增加，電機的輸出扭矩均值逐漸增大;在一定范圍內，滾銷受力均值大小和攜門架滾輪受力均值大小的變化不大。

扭簧預緊力對電機的輸出扭矩，前、后滾銷和攜門架滾輪受力的影響的仿真研究結果如表5所示，本研究把扭簧預緊力對滾銷的受力影響做成曲線圖，如圖8所示。

由表5及圖8可知，隨著扭簧預緊力的增加，開門時前滾銷力的均值減少，后滾銷力的均值增加;關門時，前滾銷力的均值減少，后滾銷力的均值增加;電機輸出扭矩和攜門架滾輪受力均值的變化不大。

3 結論

針對門系統承載傳動機構在長期運行中存在的磨損、潤滑不良及扭簧變形等問題，本文通過對門系統承載傳動機構工作原理的分析，確定目標函數和約束條件，在ADAMS中建立承載傳動機構的參數化數學模型，實現門系統承載傳動機構的動力學仿真。同時，綜合考慮滾銷與絲杠的接觸剛度、滾銷與絲杠的摩擦系數及扭簧的初始角度等因素，對門系統承載傳動機構的電機輸出扭矩、前后滾銷受力均值、攜門架滾輪受力等一系列問題進行詳細分析。結果表明，接觸剛度的增加（材料的不同）使前后滾銷受力都增加;摩擦系數（潤滑）的增加使電機的輸出扭矩增加;扭簧初始角度的增加使前滾銷受力減小、后滾銷受力增加。該仿真分析可以為后續試驗檢測提供一定的參考價值。

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