基于多体动力学仿真技术的自动扶梯系统制动性能分析外文翻译资料

 2022-01-09 21:20:31

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基于多体动力学仿真技术的自动扶梯系统制动性能分析

摘 要

一种由操作制动器和辅助制动器组成的自动扶梯制动系统是直接影响乘客安全的最关键的部件之一。因此，在早期设计阶段了解清楚自动扶梯系统的制动性能势在必行。本文讨论了多体动力学仿真在自动扶梯产业中的应用。该研究提出了一种有效的多体动力学仿真建模方法，该方法考虑了阶梯带，扶手带和客运负荷的动态效应，当采用传统方法时，这需要相当大的计算资源。该方法还包括带有齿轮箱，主传动链带，操作制动系统和辅助制动系统的驱动机器的综合仿真建模，以评估自动扶梯在系统级别的制动性能。仿真模型通过实际测量数据进行验证，并用于研究潜在的最坏情况制动情况。结果讨论了这些制动方案对自动扶梯系统的动态影响。

关键词：辅助制动器；制动性能；实验设计；自动扶梯系统；多体动力学；操作制动器；相对坐标公式

1.介绍

自动扶梯的制动系统的启动使得移动的自动扶梯在短时间的制动时间内以运行速度停止。从乘客安全的角度来看，制动系统是最关键的部件。如果装载的自动扶梯在正常操作制动事件或辅助制动事件期间发生强硬性的停止，则乘客可能会感到不舒服或有跌倒的风险，尤其是在下行自动扶梯中。

我们已经进行了若干工程努力来确定自动扶梯的制动对乘客安全的影响。欧洲标准（EN115：1995 A1：1998，EN115-1：2008）[1,2]建议根据不同的额定速度和最大减速度确定各种制停的距离，以确保自动扶梯的安全停止。 美国安全规范（ASME A17.1,2004）[3]也规定了一定的最大减速度作为制动性能要求。Al-Sharif [4]进行了一项实验调查，以了解自动扶梯停止期间乘客乘坐舒适性与运动学之间的关系。他得出结论的是行驶方向减速度的最大值是决定乘客乘坐舒适性的最重要指标。

在自动扶梯卸载和装载的情况下以步进带直接测量停止距离和减速度，以证明符合自动扶梯制动性能的安全规范。然而，测量过程不仅耗时，而且在有乘客的负载条件下也需要相当大的努力。

当自动扶梯在短暂的制动时间内停止时，乘客和自动扶梯系统都会经历最严重的内部冲击力。如果自动扶梯安全部件的设计不适合，会造成巨大内部冲击力的危急情况，则可能导致故障模式，从而会有伤害乘客的事故发生。因此，在早期设计阶段，了解自动扶梯安全组件的系统级动态行为至关重要。一种典型的自动扶梯系统如图1所示

图1 自动扶梯系统

现代工程技术和高性能计算系统的发展使得计算分析能够在每个行业中快速取代传统的反复试验设计和测试过程，从而最大限度地缩短开发时间和成本。 在过去的二十年中，Park等人[5-7]进行了几项开创性的试验，以使用计算分析方法研究自动扶梯系统的动态特性。然而，由于当时的数值分析和硬件容量的效率问题，他们并没有考虑到驱动机构，例如驱动机器，制动系统和主驱动链带。

在本次研究中，采用有效的多体动力学仿真建模方法来考虑阶梯带，扶手带和载荷的动态效应，如果应用传统的仿真建模方法，这会消耗大量的计算资源。本研究还包括带有齿轮系，主传动链带，操作制动系统和辅助制动系统的驱动机器的综合仿真建模，以执行完整自动扶梯系统的制动性能分析。仿真模型通过从实际自动扶梯获取的测量数据进行验证。使用经过验证的仿真模型，研究了主要安全部件的动态稳定性，包括系统参数，例如不同类型的制动系统激活，乘客负载条件和主驱动链带的操作条件。因此，仿真结果可以为设计工程师提供最关键情况的重要信息，并设计出即使在早期设计阶段也能防止它们的措施。

2.自动扶梯行业应用的多体动力学仿真

随着现代机械系统变得越来越复杂和精细，多体动力学仿真在许多行业的系统级动力学行为研究中迅速得到普及。在过去的四十年中，已经开发了几种专用的多体动力学仿真软件，如ADAMS，DADS，SIMPACK和RecurDyn，以执行大规模的非线性动态分析。 由于系统级动力学分析对于广泛的工程应用的必要性，甚至商业FEA代码（例如，ANSYS Workbench，Altair HyperWorks，SIMULIA Abaqus）和3D CAD商业代码（例如，Autodesk Inventor，Solidworks，Siemens NX，Pro）/ Engineer）已经将小规模多体动力学模拟功能集成到其产品的生命周期管理（PLM）平台中。

目前存在多体动力学分析中的两种主要方法，即绝对坐标和相对坐标公式。每种方法都有如下所述的优点和缺点。绝对坐标公式使用笛卡尔坐标建立运动方程，每个刚体在三维（3D）空间中具有六个自由度的nate系。每个物体的运动学运动由定义的关节约束方程确定。因此，复杂仿真模型的制定非常简单，主要是基于这种方法发明最早的商业多体动力学仿真代码，如ADAMS和DADS。然而，这些代码需要一种有效且准确的数值积分算法来同时处理微分-代数方程[8]公式中的大量运动方程和联合约束方程。相比之下，相对坐标公式使用最小数量的独立关节坐标建立运动方程。因此，与绝对坐标公式相比，数值分析的难度显著降低，由于闭环系统的割缝问题，约束方程仍然存在。然而，构建仿真模型是复杂的。一些商业代码，例如SIMPACK和RecurDyn，是基于使用相对坐标系的递归公式算法开发的。这些代码使用最小数量的独立关节坐标自动生成运动方程。

其他导致数值分析困难的因素，如物体之间的惯性特性差异大，库仑摩擦效应和不连续接触碰撞现象也存在。通过选择适当的物理特性和数值积分算法可以克服这些困难。数值分析的效率并不总是被视为自动扶梯工程行业的首要任务。当为其应用选择适当的多体动力学代码时，还必须考虑以下工程方面：

  • 处理自动扶梯应用的大量运动自由度。
  • 处理复杂和巨大的三维几何体。
  • 建模过程中的生产力和可重复性。
  • 基于模块化和子系统的建模方法。
  • 标准机械连接元件（例如，齿轮对，链带，皮带，轴承）的高效建模。

在考虑了自动扶梯工程行业的上述方面和特点后，选择RecurDyn [9]来执行本文中自动扶梯系统的制动性能分析。

3.自动扶梯系统的仿真建模

3.1阶梯带

每一个阶梯带的两边都有三条链，阶梯链带的两侧在每三级链节处通过链轴彼此连接。 每个台阶的前部连接到链轴上，以将驱动力从阶梯链带传递到阶梯带。两个步进滚轮直接连接到每个阶梯的后部。因此，形成了沿着自动扶梯桁架结构的阶梯滚轮和阶梯链的两个不同的轨道。

主驱动链轮与每个梯级链轮啮合以驱动梯级带。步进和梯级链组件的质量用作主驱动组件上的附加转动惯性矩。惯性对台阶，阶梯链，链轴和滚子的影响可以描述为等式（1）。

= (1)

其中N1表示总步数，m1是每单位长度的步进和步进链组件的质量，r是梯级链轮的节圆半径。台阶带对主驱动组件产生额外的惯性作用以及由移动台阶部分的自重引起的对运动的摩擦力。滚子轴承在阶梯滚子和阶梯链滚子上产生摩擦力，并且可以认为是直接作为扭矩施加在主驱动组件上的如下列公式所示。

（2）

其中g表示重力加速度，N2是着陆区域中的平台阶数，N3是倾斜区域的阶梯数，alpha;是倾斜角，mu;1是阶梯滚子和阶梯链条滚子的轴承摩擦系数。

3.2扶手带

自动扶梯两侧有两个连续的扶手带。在扶手带的内层和扶手带导轨剖面之间产生滑动摩擦。采用摩擦系数法，根据重力效应计算了直线引导剖面上的摩擦力。假设由于扶手速度较慢，扶手质量的离心效应足够小，根据Eytelwein s公式[10]推导了不同曲率下沿扶手导轨线的摩擦力。

（3）

在公式（3）中，fi-1是一个累计的扶手摩擦力，直到之前的扶手轮廓，mi是扶手段的质量，mu;2是扶手带内层与扶手轮廓之间的摩擦系数，而theta;i是曲率轮廓周围的接触角。

通过采用由Threlfall [11]提出的改进的库仑摩擦模型，在仿真模型中实现了扶手带的粘滑滑动摩擦特性，如公式（4）所述。因此，扶手带的粘滑滑动摩擦力可以有效地朝扶手运动的相反方向施加。

如果vtlt;vε （4）

其中ft是扶手总摩擦力的大小，Vt是扶手速度矢量，vt是扶手速度，而vε是稳态滑动运动开始的特征速度。根据扶手传动滑轮与其他扶手传动链轮的几何关系，直接对主传动总成施加总扶手摩擦力。

3.3驱动器

驱动机器由电动机，操作制动系统，齿轮系和齿轮箱输出轴链轮组成。齿轮箱输出轴链轮的公称转速是通过齿轮组的传动比来降低电机轴的快速转速来维持的，因此，从电机产生的扭矩增加了齿轮传动比，并传输到变速箱输出轴链轮。

齿轮系的传动比作为电机轴与变速箱输出轴之间的运动约束来实现。齿轮系的效率是单独考虑的驱动和驱动条件。将齿轮系的惯性效应考虑为等效质量和惯性矩。因此，在仿真模型中可以有效地实现变速箱内齿轮系的多阶段啮合，而不需要考虑实际齿轮啮合接触，通常需要大量的计算时间。

3.4操作制动系统

操作制动系统在驱动机器中实施并且旨在一定的停止距离和减速度内在两个方向上停止运行自动扶梯以确保安全。该系统还使自动扶梯保持静止。双回路操作制动系统包括作为制动鼓的飞轮，带制动片的两个独立制动杆，两个制动弹簧和一个电磁阀。该系统通常安装在快速旋转的电动机轴中，以最小化停止自动扶梯所需的制动扭矩。符合停止距离和减速的代码要求的通常做法是调整飞轮的惯性矩。

产生的螺线管力克服了制动弹簧力，消除了正常工况下的制动力矩。当控制器发出信号使螺线管力失效后，由于弹簧力的作用，制动力矩通过刹车片上的摩擦力作用在制动鼓上。来自制动弹簧、控制器和螺线管的机械和电气时间延迟将自动扶梯系统置于自由旋转状态，其中自动扶梯系统在短时间内仅受惯性、重力和内部系统摩擦的控制。

3.5辅助制动系统

辅助制动系统是一个额外的制动器，旨在提高紧急情况下自动扶梯的安全性。根据EN115 [1,2]的安全规范，升高超过6米的自动扶梯应配备辅助制动系统。公共自动扶梯也建议安装低于6米的辅助制动系统。ASME A17.1 [3]要求一种装置，如果驱动链与驱动机器失去连接，则会在主驱动轴上施加制动系统以停止自动扶梯。在这项研究中，安装在主传动轴上的摩擦楔形辅助制动系统被考虑用于分析，如图2所示。

图2 辅助制动系统

螺线管力可以克服连杆弹簧力，使辅助制动系统在正常工况下失活。控制器发出信号使螺线管断电后，触发连杆围绕连接在制动梁上的铰链点旋转，通过连杆弹簧力使制动蹄从铰链点脱离。因此，制动蹄由扳机弹簧向上推，与制动盘接触，在主传动轴上产生制动力。制动器上的制动力不会因为制动器的位置而超过一定的水平。因此，可以根据制动梁纵向位置和制动器纵向位置的组合来调整制动力。

辅助制动系统中的弹簧、控制器和螺线管的机械和电气时间延迟也会导致自动扶梯系统在短时间内自由转动。

3.6驱动机与桁架的接口

四个机器脚被支撑在横跨桁架的两根横梁上，横梁位于上部着陆点。机器脚通过四个夹具固定在两个梁上，以在操作期间保持机器在其安装位置的方向。四个机器支脚与两个梁和四个夹具的接口通过压缩表面-表面接触实现，具有钢与钢的接触特性。因此，四个夹具上的螺栓反作用力和四个机器脚上的反作用力的组合决定了驱动机器的动态特性。

图3 驱动机器和桁架之间的接口。

3.7

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资料编号：[1788]

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