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[摘 要]本文采用ADAMS与 Solid Works建立城轨紧急疏散门虚拟样机，对开门动力源空气弹簧在门正常放置及倾斜6°的情况下分别进行运动仿真，得出空气弹簧所需的开门力。分析结果表明，门倾斜6°条件下，开门力远大于正常放置条件下所需的力，为城轨紧急疏散门控器弹簧的选型提供了依据。
[关键词]城轨紧急疏散门；空气弹簧；ADAMS；开门力
中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0207-02
1 前言
ADAMS虚拟样机技术当前在设计制造领域得到了广泛的应用，替代物理样机，并真实地仿真其运动过程，迅速地对机械系统模型的运动性能进行分析和比较，不但可以提高设计质量，而且可以缩短产品开发周期[1][2][3]。紧急疏散门是安装在城轨列车上的一种逃生装置，在发生紧急或意外情况下，用于人员疏散撤离的通道，避免或减少乘客的伤亡。为保证紧急疏散门开启的稳定性，必须对其动力源空气弹簧的推力进行严格的计算并选型。
城轨中当列车过弯道时，由于轨道倾斜，导致车体倾斜，此时紧急疏散门随车体倾斜6°左右，按照车体竖直放置设计的空气弹簧推力无法将门打开。本文采用ADAMS技术，通过虚拟样机真实模拟正常放置及倾斜6°放置下门扇的运动过程，获取空气弹簧的设计参数，为空气弹簧的选型提供依据。
2 紧急疏散门开门力概述
紧急疏散门主要由玻璃钢、玻璃、门锁、空气弹簧组件、上下摆杆、门框等组成。其中空气弹簧提供开门最大开启位的定位及开启门的动力源，上下摆杆形成四连杆，确定门的运行轨迹。模型示意图如图2-1。
门解锁后，空气弹簧推力的分力往关门方向，如图2-2所示，需手动继续向前推动手柄，手柄随门一起向外运动。门垂直放置时，重力对门扇的开启没有影响，只需克服铰链的摩擦力。空气弹簧推过如图2-2所示的平衡位置（图中虚线，此时空气弹簧推力与铰链中心共线），空气弹簧即对门产生开门方向的推力分量，使门运动，考虑到摩擦力等影响，设计规定门扇需手动推约 20°。
当门扇倾斜6°后，如图2-1所示，将产生F2的分力，通过俯视图即2-2可以看出，该分力将阻止门的打开，形成阻力力矩，所以此时空气弹簧还需克服该阻力才可将门推开。原先的设计需求仅考虑门垂直位，故门倾斜6°后，门扇不能打开。
对于上下摆杆形成的四连杆机构，其连杆的长度为一平行四边形，即四连杆的对边长度相等，如图6-3所示的一个四连杆机构。设重力形成的阻力为F1，作用在杆2上，不管其作用位置如何（即重心的位置如何），连杆2的受力平衡方程为 ：
则阻力力矩为，可见为一定值，即重力形成的阻力力矩不变，与重心位置无关。故对门系统简化时，门扇只需以一给定质量的实体快代替即可。
下面章节将通过ADAMS进行运动仿真，得出门倾斜°后空气弹簧推开门所需的最小的推力。
3 紧急疏散门建模
虚拟样机模型应与物理样机空间布局相同，在满足虚拟样机运动功能完整的前提下，应尽量简化模型[4]。紧急疏散门在开门过程中，主要通过空气弹簧带动下摆杆，从而驱动上下摆杆形成的四连杆运动，从而确定門的运动轨迹。故简化后的模型主要由空气弹簧、上下摆杆组成的四连杆机构、铰链组成。
紧急疏散门模型相对复杂，采用ADAMS建模较为麻烦，故采用solid works三维软件建立紧急疏散门模型，零部件的空间位置、质量、质心等参数均可方便由三维模型获取，门扇以给定质量实体块代替[5]。简化后的模型另存为.x_t格式后，导入ADAMS，完成紧急疏散门建模。图2-4是紧急疏散门的虚拟样机模型。
ADAMS通过各种约束限制构件之间的相对运动，本文主要通过旋转副（Revolution）模拟铰链，固定副（Fixed）连接无相对运动构件。初始状态时，使铰链先转动20°，模拟人手动推门的角度，无须施加外载荷。之后，将完全靠空气弹簧的推力使门运动。空气弹簧属于内部载荷，ADAMS中使用弹簧驱动模拟空气弹簧，由于空气弹簧的推力变化较小，为便于分析，将空气弹簧起刚度近似为线性，阻尼力视为定值，根据空气弹簧资料，已知技术参数包括刚度C约为1.5N/mm。
对于铰链的摩擦力，实际情况比较复杂，关键在于摩擦系数的设置。原始设计的空气弹簧的初始力已知为600N，仅考虑门竖直放置，此时可以摩擦系数为变量，找出以600N能够推动门时的最小的摩擦系数。对于门倾斜放置，则以空气弹簧的初始推力为变量，得出能够打开门扇所需的最小推力。下面章节将按上述思路对门扇竖直放置及倾斜6°放置情况分别仿真分析。
4 紧急疏散门仿真分析
4.1 门扇竖直放置开门力分析
将仿真时间设为3s和200步，空气弹簧提供的的初始力为600N。仿真过程中空气弹簧的阻尼力未考虑，再加上制造、装配等影响，空气弹簧的推力应更大一些，综合以上因素，按1.2的安全系数取值，即600N的初始推力，仿真时按600/1.2=500N考虑。
以铰链的转动角度来显示门是否平稳打开，该铰链的旋转副标记为JOINT_6，门打开过程中需先手动推门20°，将该旋转副赋初始角度设为20°即可。由于ADAMS中无法直接测量某个力相对于某轴的力矩，所以需要在PostProcessor后处理中使用函数的方法进行计算。具体方法如下：仿真前，先新建一个function函数，测量力臂，作为一个messure结果，仿真后，在PostProcessor中绘图界面的MATH标签页中，以相关的messure组合形成函数表达式。本文空气弹簧力矩的表达式如下：
.ms_6.SPRING_1_MEA_1*520.138*SQRT（1-（（.ms_6.FUNCTION_MEA_1^2+520.138^2-75.027^2）/（2*.ms_6.FUNCTION_MEA_1*520.138））^2） 其中.ms_6.SPRING_1_MEA_1为弹簧推力，.ms_6.FUNCTION_MEA_1为空气弹簧的长度值。
下图为门刚好能够打开时，旋转副的打开角度以及空气弹簧相对于铰链轴的力矩的仿真结果。此时摩擦系数为0.0296。
由图2-6可见，在空气弹簧600N的初始推力的作用下，初始时刻，空气弹簧的推力力矩（图中虚线）刚好大于大于摩擦力矩（图中实线），将门推开。打开过程中，空气弹簧的推力力矩逐漸增大，摩擦力矩几乎不变。
4.2 门扇倾斜6°放置开门力分析
门倾斜6°放置后，受到门扇重力的阻力力矩，将仿真时间设为3s和200步。将初始推力由1300N逐渐增大，当空气弹簧推力为1583时，此时门扇刚好打开。仿真结果如下图所示。
由图2-8可见，当空气弹簧初始推力为1583N时，门扇在20°的角度（初始角度）时的推力力矩（图中实线）比重力阻力矩以及摩擦力矩的和（图中虚线）略大（350Nmm左右，由于力矩无法直接测量，采用公式计算得到，而建模存在误差，故得出的差值较大，实际应很小），即表示空气弹簧此时能够克服门扇倾斜引起的阻力矩，将门打开。
与紧急疏散门竖直放置时相比，门倾斜后，所需的力矩1583N为600N的两倍多，很明显之前的空气弹簧不满足实际需求。
考虑1.2的安全系数，则空气弹簧初始推力取为1583N×1.2≈1900N。按该仿真结果选用的空气弹簧，在试验中效果良好。
5 结论
本文ADAMS采用虚拟样机技术对紧急疏散门空气弹簧开门力进行了仿真研究，分析结果表明，在紧急疏散门倾斜6°后，原先初始推力为600N的空气弹簧已不能将门打开，经过仿真后，按1900N的推力设计的空气弹簧能够满足需求。由此可见，基于ADAMS的虚拟样机技术有效地提高了设计的效率，在设计与优化方面具有很高的工程价值。
参考文献：
[1] 赵武云，刘艳研，吴建民，王芬娥.ADAMS基础与应用实例教程[M].北京：清华大学社，2012
[2] 商曦文，张建寰.基于ADAMS平台整车建模与仿真[J].机电技术，2011（4）：11～13
[3] 罗文水，谷正气，海贵春.基于ADAMS的汽车制动性能的仿真研究[J].机械与电子，2007（4）：17～20
[4] 任超超，万小朋，赵美英.基于ADAMS的起落架仿真平台开发[J].科学技术与工程，2008.4，8（7）：1727-1731.
[5] 郭延辉，秦彦斌.基于ADAMS 的客车独立悬架的运动仿真[J].客车技术与研究，2010 （6）：5～7
[关键词]城轨紧急疏散门；空气弹簧；ADAMS；开门力
中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0207-02
1 前言
ADAMS虚拟样机技术当前在设计制造领域得到了广泛的应用，替代物理样机，并真实地仿真其运动过程，迅速地对机械系统模型的运动性能进行分析和比较，不但可以提高设计质量，而且可以缩短产品开发周期[1][2][3]。紧急疏散门是安装在城轨列车上的一种逃生装置，在发生紧急或意外情况下，用于人员疏散撤离的通道，避免或减少乘客的伤亡。为保证紧急疏散门开启的稳定性，必须对其动力源空气弹簧的推力进行严格的计算并选型。
城轨中当列车过弯道时，由于轨道倾斜，导致车体倾斜，此时紧急疏散门随车体倾斜6°左右，按照车体竖直放置设计的空气弹簧推力无法将门打开。本文采用ADAMS技术，通过虚拟样机真实模拟正常放置及倾斜6°放置下门扇的运动过程，获取空气弹簧的设计参数，为空气弹簧的选型提供依据。
2 紧急疏散门开门力概述
紧急疏散门主要由玻璃钢、玻璃、门锁、空气弹簧组件、上下摆杆、门框等组成。其中空气弹簧提供开门最大开启位的定位及开启门的动力源，上下摆杆形成四连杆，确定门的运行轨迹。模型示意图如图2-1。
门解锁后，空气弹簧推力的分力往关门方向，如图2-2所示，需手动继续向前推动手柄，手柄随门一起向外运动。门垂直放置时，重力对门扇的开启没有影响，只需克服铰链的摩擦力。空气弹簧推过如图2-2所示的平衡位置（图中虚线，此时空气弹簧推力与铰链中心共线），空气弹簧即对门产生开门方向的推力分量，使门运动，考虑到摩擦力等影响，设计规定门扇需手动推约 20°。
当门扇倾斜6°后，如图2-1所示，将产生F2的分力，通过俯视图即2-2可以看出，该分力将阻止门的打开，形成阻力力矩，所以此时空气弹簧还需克服该阻力才可将门推开。原先的设计需求仅考虑门垂直位，故门倾斜6°后，门扇不能打开。
对于上下摆杆形成的四连杆机构，其连杆的长度为一平行四边形，即四连杆的对边长度相等，如图6-3所示的一个四连杆机构。设重力形成的阻力为F1，作用在杆2上，不管其作用位置如何（即重心的位置如何），连杆2的受力平衡方程为 ：
则阻力力矩为，可见为一定值，即重力形成的阻力力矩不变，与重心位置无关。故对门系统简化时，门扇只需以一给定质量的实体快代替即可。
下面章节将通过ADAMS进行运动仿真，得出门倾斜°后空气弹簧推开门所需的最小的推力。
3 紧急疏散门建模
虚拟样机模型应与物理样机空间布局相同，在满足虚拟样机运动功能完整的前提下，应尽量简化模型[4]。紧急疏散门在开门过程中，主要通过空气弹簧带动下摆杆，从而驱动上下摆杆形成的四连杆运动，从而确定門的运动轨迹。故简化后的模型主要由空气弹簧、上下摆杆组成的四连杆机构、铰链组成。
紧急疏散门模型相对复杂，采用ADAMS建模较为麻烦，故采用solid works三维软件建立紧急疏散门模型，零部件的空间位置、质量、质心等参数均可方便由三维模型获取，门扇以给定质量实体块代替[5]。简化后的模型另存为.x_t格式后，导入ADAMS，完成紧急疏散门建模。图2-4是紧急疏散门的虚拟样机模型。
ADAMS通过各种约束限制构件之间的相对运动，本文主要通过旋转副（Revolution）模拟铰链，固定副（Fixed）连接无相对运动构件。初始状态时，使铰链先转动20°，模拟人手动推门的角度，无须施加外载荷。之后，将完全靠空气弹簧的推力使门运动。空气弹簧属于内部载荷，ADAMS中使用弹簧驱动模拟空气弹簧，由于空气弹簧的推力变化较小，为便于分析，将空气弹簧起刚度近似为线性，阻尼力视为定值，根据空气弹簧资料，已知技术参数包括刚度C约为1.5N/mm。
对于铰链的摩擦力，实际情况比较复杂，关键在于摩擦系数的设置。原始设计的空气弹簧的初始力已知为600N，仅考虑门竖直放置，此时可以摩擦系数为变量，找出以600N能够推动门时的最小的摩擦系数。对于门倾斜放置，则以空气弹簧的初始推力为变量，得出能够打开门扇所需的最小推力。下面章节将按上述思路对门扇竖直放置及倾斜6°放置情况分别仿真分析。
4 紧急疏散门仿真分析
4.1 门扇竖直放置开门力分析
将仿真时间设为3s和200步，空气弹簧提供的的初始力为600N。仿真过程中空气弹簧的阻尼力未考虑，再加上制造、装配等影响，空气弹簧的推力应更大一些，综合以上因素，按1.2的安全系数取值，即600N的初始推力，仿真时按600/1.2=500N考虑。
以铰链的转动角度来显示门是否平稳打开，该铰链的旋转副标记为JOINT_6，门打开过程中需先手动推门20°，将该旋转副赋初始角度设为20°即可。由于ADAMS中无法直接测量某个力相对于某轴的力矩，所以需要在PostProcessor后处理中使用函数的方法进行计算。具体方法如下：仿真前，先新建一个function函数，测量力臂，作为一个messure结果，仿真后，在PostProcessor中绘图界面的MATH标签页中，以相关的messure组合形成函数表达式。本文空气弹簧力矩的表达式如下：
.ms_6.SPRING_1_MEA_1*520.138*SQRT（1-（（.ms_6.FUNCTION_MEA_1^2+520.138^2-75.027^2）/（2*.ms_6.FUNCTION_MEA_1*520.138））^2） 其中.ms_6.SPRING_1_MEA_1为弹簧推力，.ms_6.FUNCTION_MEA_1为空气弹簧的长度值。
下图为门刚好能够打开时，旋转副的打开角度以及空气弹簧相对于铰链轴的力矩的仿真结果。此时摩擦系数为0.0296。
由图2-6可见，在空气弹簧600N的初始推力的作用下，初始时刻，空气弹簧的推力力矩（图中虚线）刚好大于大于摩擦力矩（图中实线），将门推开。打开过程中，空气弹簧的推力力矩逐漸增大，摩擦力矩几乎不变。
4.2 门扇倾斜6°放置开门力分析
门倾斜6°放置后，受到门扇重力的阻力力矩，将仿真时间设为3s和200步。将初始推力由1300N逐渐增大，当空气弹簧推力为1583时，此时门扇刚好打开。仿真结果如下图所示。
由图2-8可见，当空气弹簧初始推力为1583N时，门扇在20°的角度（初始角度）时的推力力矩（图中实线）比重力阻力矩以及摩擦力矩的和（图中虚线）略大（350Nmm左右，由于力矩无法直接测量，采用公式计算得到，而建模存在误差，故得出的差值较大，实际应很小），即表示空气弹簧此时能够克服门扇倾斜引起的阻力矩，将门打开。
与紧急疏散门竖直放置时相比，门倾斜后，所需的力矩1583N为600N的两倍多，很明显之前的空气弹簧不满足实际需求。
考虑1.2的安全系数，则空气弹簧初始推力取为1583N×1.2≈1900N。按该仿真结果选用的空气弹簧，在试验中效果良好。
5 结论
本文ADAMS采用虚拟样机技术对紧急疏散门空气弹簧开门力进行了仿真研究，分析结果表明，在紧急疏散门倾斜6°后，原先初始推力为600N的空气弹簧已不能将门打开，经过仿真后，按1900N的推力设计的空气弹簧能够满足需求。由此可见，基于ADAMS的虚拟样机技术有效地提高了设计的效率，在设计与优化方面具有很高的工程价值。
参考文献：
[1] 赵武云，刘艳研，吴建民，王芬娥.ADAMS基础与应用实例教程[M].北京：清华大学社，2012
[2] 商曦文，张建寰.基于ADAMS平台整车建模与仿真[J].机电技术，2011（4）：11～13
[3] 罗文水，谷正气，海贵春.基于ADAMS的汽车制动性能的仿真研究[J].机械与电子，2007（4）：17～20
[4] 任超超，万小朋，赵美英.基于ADAMS的起落架仿真平台开发[J].科学技术与工程，2008.4，8（7）：1727-1731.
[5] 郭延辉，秦彦斌.基于ADAMS 的客车独立悬架的运动仿真[J].客车技术与研究，2010 （6）：5～7