基于RecurDyn的车厢门系统涉水动力学仿真研究

曾世文，杨欣薇

(南京康尼股份有限公司，江苏 南京 210038)

0 引言

地铁车辆在运行过程中需要经历长期的地下行车过程，时常需要接受极端天气的考验，当夏季来临的时候，暴雨天气作为较为典型且常见的极端天气，会造成道路积水等状况的发生，可能会导致车门进水以后无法正常开门状况的发生。为了进一步提高地铁车辆在面对极端天气时运行的安全性与可靠性，需对列车门系统进行门系统进水动力学仿真研究。

近年来对于交通器械涉水分析的研究较少，中山大学的吕鸿冠[1]等人提出一种高精度且适用于汽车涉水的SPH模型，西北工业大学的田晶[2]等人针对水陆两栖飞机涉水结构LORA的流程和模型进行研究，均取得了较好的研究效果。本文针对地铁车辆门系统，采用RecurDyn的仿真分析功能，对于塞拉门系统进行涉水状态下的仿真分析，最终得出门系统在涉水状态下的受力情况，为进一步提高门系统的可靠性提供参考。

1 运行工况分析

以郑州 5号线所使用的塞拉门系统为分析对象，其开度为1.4 m，压条间距离1.595 m，实际门扇为弯门，弯门静水压力小于直门静水压力，考虑极限工况，即分析其直门静水压力。

设定车门外侧水高1.5 m，内侧水高1.1 m，由伯努利原理可知，车门外侧水流速度增加，水流静压力减少[3]，因此计算时考虑极限工况，即假设车门外侧水流速度为0时，车门受水压力。

2 开门动力学仿真计算

2.1 模型简化

门系统主要由承载驱动机构、门扇组件、下摆臂等结构组成[4]，根据门系统的实际部件组构，对其进行塞拉门模型的简化建模，建模效果如图1所示。

图1 塞拉门模型Fig.1 plug door model

2.2 运动关系设置

2.2.1 承载驱动机构

承载驱动机构主要由机架、丝杆、长导柱、短导柱、滑筒、携门架等组成，他们之间主要通过固定副Fixed、铰接Revolute、圆柱副Cylindrical、球铰副Spherical、接触Contact等组成[5]。双门承载驱动机构运动关系设置如图2所示。

图2 双门承载驱动机构连接设置图Fig.2 connection setting diagram of double door bearing driving mechanism

2.2.2 下摆臂

下摆臂组件和下滑道之间主要由固定副Fixed、铰接Revolute、接触Contact等组成[6]，下摆臂组件和下滑道之间运动关系如图3所示。

图3 下摆臂组件和下滑道运动关系设置图Fig.3 diagram of lower swing arm assembly and glide path

2.3 参数设置

本次计算不考虑RevJoint铰接副摩擦力，只考虑圆柱副Cylindrical的摩擦力，将圆柱副摩擦系数设置为0.3，以将整个门系统的运动摩擦阻力等效均摊到圆柱副中去。

本次计算接触区域设置主要集中在丝杆、上滑道、下滑道以及平衡轮处，其中接触刚度是在保证运动形式正确，不发生接触失效的情况下取的较小值，接触阻尼根据经验取刚度值的千分之二，动静态门槛速度是采用RecurDyn原厂工程师兼顾计算速度和结果精度的推荐值，动静摩擦系数是在考虑计算速度和参考文献情况下取的值[7]，力指数根据经验对于金属接触取1.5，对于非金属接触取 2，最大穿透深度是在保证运动形式正确的情况下根据经验取的值。

2.4 驱动函数和负载的施加

2.4.1 实际运动曲线输入

根据门扇运动速度曲线定义丝杆的输入速度，仿真模拟门扇先关门后开门的开关门过程[8]，3.00 s为开关门时间分界点，0-3.00 s为关门过程，3.00-6.00 s为开门过程，得到丝杆输入速度曲线如图4所示。

图4 丝杆输入转速曲线Fig.4 screw input speed curve

2.4.2 胶条力、水压力和扭簧力

由于密封，门板在开关门的时候，存在门板和门框胶条之间的挤压力，以及作用于门板法向的周边胶条挤压力，因此首先需对门板施加胶条反弹力[9]。其次需对门扇施加螺母和螺母座之间扭簧力[10]。门外侧水高度1.5 m，内侧水高1.1 m，最后等效作用点度距地高0.655 m，方向为从外向内，对左右门扇分别施加的静水压力为3907.5 N。

3 动力学分析结果

3.1 塞拉门丝杆输入扭矩

根据前文所述参数，对塞拉门系统开门阶段进行仿真，得到丝杆驱动扭矩曲线如图5所示。

图5 塞拉门丝杆驱动扭矩曲线图Fig.5 driving torque curve of screw rod of sliding plug door

由图5可得，正常开门扭矩约为3 N.m;外部水高1.5 m，内侧水高1.1 m时，开门扭矩需要约为60 N·m，远大于电机最大扭矩20 N·m，所以门扇打不开。

3.2 塞拉门门扇开门阻力

根据前文所述参数，对塞拉门系统开门阶段进行仿真，得到塞拉门手动开门阻力曲线如图 6所示。

由图6可得，门扇承受7815 N水压载荷时，左右门扇各施加约2861 N载荷，才可以打开门扇。

图6 塞拉门手动开门阻力Fig.6 manual opening resistance of sliding plug door

4 结论

本文基于 RecurDyn软件对地铁车辆门系统展开了涉水情况下的仿真受力分析，得到门系统涉水时，门扇直线段开门水的阻力较小，影响开门的主要是开门初始阶段，车厢内外有压差时，产生的水压力较大，影响门扇开门。门系统涉水时，门外部水高1.4 m，内侧水高1.1 m时，开门扭矩需要约为60 N·m，远大于电机最大峰值扭矩20 N·m，所以门扇打不开，门扇解锁情况下，左右门扇各施加约2861 N载荷，才可以打开门扇。