貢智兵，王祖進(jìn)

（南京康尼股份有限公司，江蘇 南京，210038）

0　引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，客室車門結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，使得客室車門故障診斷的需求顯得越來越急迫。因此，為了能夠迅速、準(zhǔn)確確定故障原因和部位，以最小的勞動(dòng)消耗，有效地評(píng)價(jià)客室車門系統(tǒng)故障狀況，需要對(duì)車門系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行研究，匯總門系統(tǒng)性能的影響指標(biāo)。門系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)是通過建立門系統(tǒng)的機(jī)電一體化虛擬樣機(jī)模型，并基于此模型對(duì)門系統(tǒng)在多種工況下的運(yùn)行過程和性能指標(biāo)進(jìn)行研究，進(jìn)而建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[1-5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)門系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)[6-8]。

因此，本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)[9-13]，基于已建立的機(jī)電聯(lián)合虛擬樣機(jī)模型[14]，對(duì)門系統(tǒng)性能的影響指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，建立門系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從而建立二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型[15]對(duì)門系統(tǒng)的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1　門系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

已建立的門系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型如圖1所示。

1.1　手動(dòng)關(guān)門力

為測量手動(dòng)開關(guān)門力，在門扇前擋構(gòu)建Spring彈簧力，通過拖拽彈簧，使彈簧被拉長，由于力的作用是相互的，彈簧拉力傳遞到門扇，當(dāng)彈簧大力大于門扇運(yùn)動(dòng)阻力，門扇即可運(yùn)動(dòng)，通過測量彈簧張緊力即可間接獲得門扇開關(guān)門過程的動(dòng)態(tài)變化力。

通過對(duì)長短導(dǎo)柱上的摩擦系數(shù)、電機(jī)的靜阻扭矩、扭簧剛度對(duì)手動(dòng)關(guān)門力的影響程度進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）長導(dǎo)柱上的摩擦系數(shù)越大，即門系統(tǒng)在運(yùn)行方向上的摩擦阻力越大，則手動(dòng)關(guān)門力越大；

2）電機(jī)的靜阻扭矩越大，則手動(dòng)關(guān)門力越大；

3）扭簧的剛度越大，則手動(dòng)關(guān)門力越大。

1.2　關(guān)門防擠壓力

關(guān)門障礙物檢測時(shí)的關(guān)門防擠壓力大小與電機(jī)的電流大小有關(guān)，電流越大表明防擠壓力越大，電流越小則防擠壓力也越小。

通過對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和電流限幅對(duì)關(guān)門防擠壓力的影響程度進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）運(yùn)動(dòng)速度越大，則電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流越大，即關(guān)門防擠壓力越大；

2）電流限幅越大，則電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流越大，即關(guān)門防擠壓力越大。

1.3　運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性

對(duì)門系統(tǒng)的開關(guān)門平穩(wěn)性進(jìn)行仿真分析，主要對(duì)6個(gè)運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行仿真研究，即：開門啟動(dòng)段、開門加速段、開門到位段、關(guān)門啟動(dòng)段、關(guān)門加速段、關(guān)門到位段。通過改變上述運(yùn)動(dòng)階段參考輸入速度的大小，得到不同運(yùn)動(dòng)速度下的接觸力曲線，對(duì)接觸力曲線的幅值和波動(dòng)性進(jìn)行分析，從而得到上述運(yùn)動(dòng)階段的速度對(duì)開關(guān)門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的影響。

已建立的虛擬樣機(jī)沒有考慮開關(guān)門堵轉(zhuǎn)情況，所有還需要對(duì)開關(guān)門堵轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真分析。在臺(tái)架立柱與攜門架上緩沖頭間建立接觸，如圖2所示。對(duì)開門堵轉(zhuǎn)仿真模型進(jìn)行仿真分析，得到完整的開門過程電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電流曲線，如圖3、4所示。

圖1　門系統(tǒng)虛擬樣機(jī)Fig.1 Virtual prototype of the door system

圖2　開門堵轉(zhuǎn)仿真模型Fig.2 Simulation model of the open-door blocking

圖3　開門電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of the motor speed for opening the door

圖4　開門電機(jī)電流仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the motor current for opening the door

對(duì)關(guān)門堵轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真分析，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電流曲線，如圖5、6所示。

圖5　關(guān)門電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the motor speed for closing the door

圖6　關(guān)門電機(jī)電流仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of the motor current for closing the door

通過對(duì)門系統(tǒng)開關(guān)門平穩(wěn)性的影響因素進(jìn)行仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）開門啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度越大，則接觸力波動(dòng)越大，即運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性越差；

2）開門加速越快，則接觸力波動(dòng)越大，即運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性越差；

3）開門到位運(yùn)動(dòng)速度越大，則接觸力波動(dòng)越大，即運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性越差；

4）關(guān)門啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度越大，則接觸力波動(dòng)越大，即運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性越差；

5）關(guān)門加速越快，則接觸力波動(dòng)越大，即運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性越差；

6）關(guān)門到位運(yùn)動(dòng)速度過大或者過小，會(huì)導(dǎo)致接觸力波動(dòng)變大，即運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性變差。

1.4　綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)上述對(duì)手動(dòng)關(guān)門力、關(guān)門防擠壓力和開關(guān)門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響因素的仿真分析，可以建立城軌塞拉門的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖7所示。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括3個(gè)一級(jí)指標(biāo)：手動(dòng)關(guān)門力、關(guān)門防擠壓力、開關(guān)門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，其中手動(dòng)關(guān)門力包括3個(gè)二級(jí)指標(biāo)：摩擦阻力、電機(jī)靜阻扭矩、扭簧剛度；關(guān)門防擠壓力包括2個(gè)二級(jí)指標(biāo)：電流限幅、運(yùn)動(dòng)速度；開關(guān)門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性包括6個(gè)二級(jí)指標(biāo)：開門啟動(dòng)速度、開門加速速度、開門到位速度、關(guān)門啟動(dòng)速度、關(guān)門加速速度、關(guān)門到位速度。

圖7　城軌塞拉門綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.7 Comprehensive evaluation index system of the city track sliding plug door

2　門系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判模型

根據(jù)上述門系統(tǒng)性能的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立相應(yīng)的二級(jí)模糊綜合評(píng)判模型。

2.1　確定模型條件

建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型前，需要確立評(píng)價(jià)因素集、評(píng)語(評(píng)價(jià)等級(jí))集和權(quán)重集。首先，根據(jù)圖7，建立二級(jí)評(píng)價(jià)因素集：, 其中：ni為Ui中評(píng)價(jià)因素的個(gè)數(shù)。其次，根據(jù)評(píng)價(jià)的具體要求，將評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值分成s個(gè)等級(jí)，即用來表示評(píng)語集。然后，確定U和Ui中每個(gè)因素在綜合評(píng)價(jià)過程中的重要程度，設(shè)U中每個(gè)因素相對(duì)U的權(quán)重集為:同理，確定Ui的權(quán)重集為

2.2　計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)對(duì)影響因素的仿真分析結(jié)果，對(duì)上述綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)分配權(quán)重，分配結(jié)果如表1、2所示。

表1　一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配Table 1 Weight distribution of the level 1 evaluation index

表2　二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配Table 2 Weight distribution of the level 2 evaluation index

2.3　評(píng)判矩陣

對(duì)某一門系統(tǒng)確定評(píng)價(jià)等級(jí)的過程等同于確定門系統(tǒng)對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)vi的隸屬度值的過程。對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià)，得出單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣：，其中ini表示Ui中的元素個(gè)數(shù)，s表示評(píng)價(jià)等級(jí)個(gè)數(shù)，rij表示指標(biāo)對(duì)評(píng)語vi的隸屬度。本文采用德爾菲法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)相應(yīng)評(píng)語的隸屬度。算出Ui的最終評(píng)語：。然后將每個(gè)Ui作為單獨(dú)元素，Ei作為單指標(biāo)評(píng)價(jià)向量，構(gòu)成從U到V的模糊評(píng)價(jià)矩陣從而得出U的最終評(píng)語向量：E =W?R。

3　綜合評(píng)價(jià)實(shí)例

以某個(gè)城軌基型塞拉門臺(tái)架為例，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該門系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值為：手動(dòng)關(guān)門力：140 N；摩擦阻力：0.04；電機(jī)靜阻扭矩：190 N·mm；扭簧剛度：5.52N·mm/°；關(guān)門防擠壓力：130 N；電流限幅：1.72 A；運(yùn)動(dòng)速度：272 mm/s；開門啟動(dòng)速度：248 mm/s；開門加速度：500 mm/s2；開門到位速度：90 mm/s；關(guān)門啟動(dòng)速度：140 mm/s；關(guān)門加速度：600 mm/s2；關(guān)門到位速度：225 mm/s。

首先，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量如下：

然后，確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集隸屬度，如表3所示。

表3　評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集隸屬度Table 3 Membership degree of the evaluation standard set

則可得到：

根據(jù)權(quán)重向量，可以得出：

最后，將上述評(píng)價(jià)向量當(dāng)作第二層的指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣，可以得出二級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果如下：0.55850.08540.07530.0101]，根據(jù)最大隸屬度評(píng)判準(zhǔn)則，對(duì)該門系統(tǒng)性能的最終評(píng)價(jià)為較好。

4　結(jié)論

基于已建立的機(jī)電聯(lián)合仿真模型，對(duì)影響手動(dòng)關(guān)門力大小、關(guān)門防擠壓力大小、開關(guān)門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的因素進(jìn)行了仿真分析，建立了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊綜合評(píng)判法解決了門系統(tǒng)性能的綜合評(píng)價(jià)問題。在引入實(shí)例的基礎(chǔ)上，通過量化和科學(xué)計(jì)算，最終得出了合理的評(píng)判結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了門系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)。