鐵路貨車閘瓦偏磨改善與仿真實驗研究

盧碧紅,劉金龍,曲寶章,朱建寧

(大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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鐵路貨車閘瓦偏磨改善與仿真實驗研究

盧碧紅,劉金龍,曲寶章,朱建寧

(大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

為提高鐵路運輸?shù)陌踩c效率，以貨運列車制動閘瓦上下端的壓力分布來評價閘瓦磨耗程度，提出可行的改善措施. 首先，對閘瓦制動單元的力學(xué)模型進行理論分析，發(fā)現(xiàn)對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計是閘瓦偏磨的主要原因. 然后，將閘瓦組件設(shè)計成非對稱結(jié)構(gòu)，使其作用面上的壓力重新分布，達到改善偏磨的效果. 最后，在RecurDyn多體動力學(xué)軟件環(huán)境中構(gòu)建制動系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，通過仿真實驗，對比分析改善前后制動閘瓦上下端的應(yīng)力分布. 閘瓦制動單元的理論分析表明，當(dāng)非對稱閘瓦的偏心距取27 mm時，理論上閘瓦上下端壓力比由1.19降為1.00.仿真結(jié)果也說明，對稱性閘瓦上下端壓力分布很不均勻，改進設(shè)計后的非對稱閘瓦，其偏磨得以明顯改善. 研究成果為鐵路貨車制動系統(tǒng)的性能改進提供理論依據(jù)及技術(shù)支持.

制動閘瓦；偏磨改善；仿真實驗；貨車制動

0　引言

高摩擦系數(shù)合成材料閘瓦是鐵道車輛制動系統(tǒng)的重要組成部分，也是最終施加制動力的執(zhí)行件. 該型閘瓦應(yīng)用廣泛，具有耐磨性能好，摩擦系數(shù)高且制動可靠的特點[1]. 但在實際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)，在重載貨物運輸中此合成閘瓦的偏磨(上下不均等磨耗)現(xiàn)象較為普遍，上下磨耗量之差甚至能達到20 mm. 分析閘瓦偏磨的影響因素并提出改善措施，對提高鐵路貨車的制動性能具有重要的意義. 研究閘瓦性能首要考慮的是轉(zhuǎn)向架制動裝置的組成，其結(jié)構(gòu)通常由前后組合式制動梁、滑塊、閘瓦、固定杠桿、游動杠桿、中拉桿和固定杠桿支點等部件構(gòu)成，如圖1所示. 閘瓦磨損是多種因素綜合作用的結(jié)果，現(xiàn)有的研究主要集中在材料方面，指出金屬鑲嵌現(xiàn)象以及閘瓦摩擦材料的性能都對閘瓦磨損有很大影響[2]，但關(guān)于閘瓦自身結(jié)構(gòu)對偏磨的影響研究甚少. 前蘇聯(lián)研究者曾指出，在單向摩擦情況下依靠選擇合適的偏心距可以減少閘瓦磨耗的不均勻性[3]. 因此，從閘瓦結(jié)構(gòu)的角度來考慮磨耗問題顯得尤為必要.

本文通過對閘瓦受力模型進行理論分析，探究影響閘瓦偏磨的設(shè)計參數(shù)，從而改進閘瓦結(jié)構(gòu). 此外，在多體動力學(xué)軟件RecurDyn的有限元柔性體FFlex模塊下，對制動系統(tǒng)進行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真，分析改進前后制動閘瓦上、下端的壓力分布，模擬出閘瓦偏磨的改善效果.

圖1　轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置組成

1　閘瓦制動單元受力分析

貨車制動時，從制動缸輸出的力經(jīng)由車體下的制動杠桿、上拉桿以及轉(zhuǎn)向架上的制動杠桿，將制動梁連同閘瓦貼靠車輪，產(chǎn)生輪瓦接觸壓力，阻礙車輪運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)列車調(diào)速[4]. 閘瓦磨耗是由于所受到的摩擦力造成的. 因此，考慮偏磨問題應(yīng)從閘瓦制動單元的受力分析入手，以制動閘瓦上下端分布的正壓力為評價指標(biāo). 分析前需做以下假設(shè)：

(1)車輪與閘瓦均可視為剛體，不產(chǎn)生變形，且制動穩(wěn)態(tài)下二者弧面完全貼合；

(2)滑塊簡化為單一支撐點；

(3)輪瓦之間的正壓力等效為作用于閘瓦上、下兩端的集中力；

(4)受力分析時，不計制動梁的重力以及滑槽與滑塊之間的摩擦力.

閘瓦制動單元包括閘瓦、閘瓦托、滑塊以及制動梁. 列車制動時，閘瓦制動單元沿轉(zhuǎn)向架側(cè)架內(nèi)的滑槽向上移動并貼近車輪踏面. 閘瓦結(jié)構(gòu)相對于該移動線上下對稱布局的閘瓦定義為對稱性閘瓦，已有的制動閘瓦大多是這種結(jié)構(gòu)類型. 輪瓦處于完全接觸時，閘瓦作用面上的正壓力相對穩(wěn)定，便于問題的研究. 因此，取輪瓦制動穩(wěn)態(tài)、車輪順時針運轉(zhuǎn)的工況作為抽象閘瓦單元的受力模型，如圖2所示，圖中，A、B為閘瓦作用面上、下端點；G為滑塊的質(zhì)心；α1、α2為閘瓦上、下作用面對應(yīng)圓心角；β為滑槽傾斜角度； N1、N2為閘瓦上下端的正壓力；F1、F2為閘瓦上下端的摩擦力；F為制動梁傳遞的制動力，作用于E點；N為滑槽對滑塊的支反力，作用于支撐點C.

圖2　閘瓦單元受力模型

對此型轉(zhuǎn)向架制動系統(tǒng)：制動力F=35.4 kN，滑槽傾角β=11°，輪瓦間的動摩擦因數(shù)μ=0.27，車輪半徑r=420 mm，L=OC=550 mm，p=CG=10 mm，閘瓦弧的全長s=360 mm. 對于此對稱性結(jié)構(gòu)的閘瓦，α1=α2=α=s/(2r)=24.5°.

根據(jù)圖2的受力模型對閘瓦制動單元進行分析，再由力與力矩的平衡原則列出以下方程：

(4)

(5)

求解可得：

N1=20.542kN，N2=17.230kN，N=14.667kN.

對計算結(jié)果進行分析可知：

按當(dāng)前的設(shè)計參數(shù)：α=24.5°，β=11°，μ=0.27，閘瓦上端與下端集中壓力的比值為N1/N2=1.192.由此可見，閘瓦制動單元的對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計造成其上、下端壓力不均等，最終導(dǎo)致閘瓦上下磨耗不均，這與運行現(xiàn)場貨車制動時出現(xiàn)的閘瓦偏磨現(xiàn)象相一致.

2　閘瓦偏磨的改善方案

制動閘瓦的不均勻磨耗將嚴重影響列車的制動性能，危及行車安全. 為定量地分析問題，可把閘瓦上下端壓力N1、N2近似相等作為均勻性磨耗的評價指標(biāo). 因此，應(yīng)從閘瓦受力的角度找出影響正壓力N1、N2相對大小的設(shè)計參數(shù)，從而對各參數(shù)進行優(yōu)化. 選擇偏心距的具體做法就是將閘瓦做成非對稱性結(jié)構(gòu)，可以減少閘瓦磨耗的不均勻性. 由前面假設(shè)可知，滑塊被簡化為單一支撐點后，制動力的作用線與該點距離極小，可忽略此影響因素. 再由方程(3)～(5)可得出一個N1/N2的參數(shù)表達式：

(6)

其中：k=r/L，為定值.

假定閘瓦作用面的總長度保持不變，重新優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，以便對閘瓦外形結(jié)構(gòu)進行改進. 閘瓦制動單元的受力情況仍為圖2中所示. 若α1=α2，即閘瓦為對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計時，其端部正壓力N1>N2，偏磨程度較嚴重. 可將閘瓦進行非對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計：α1≠α2，且α2=49°-α1. 設(shè)閘瓦上下端壓力比fX=N1/N2，由式(6)可得出對目標(biāo)函數(shù)fX的影響因子有以下設(shè)計參數(shù)：α1、μ，可表示為fX=f(α1,μ). 討論式(6)，從改變參數(shù)α1、μ入手，可達到N1/N2=1的效果.

由當(dāng)前設(shè)計參數(shù)可得：k=r/L=0.76，μ=0.27，α2=49°-α1. 將其代入式 (6)中，化簡后可得：

(7)

在此條件下處理后fX=f(α1)，N1/N2只與閘瓦上作用面所對應(yīng)的圓心角α1有關(guān). 根據(jù)表達式(7)，在MATLAB軟件的圖形環(huán)境中可作出fX-α1函數(shù)關(guān)系的圖像，如圖3所示.

圖3　壓力比與閘瓦角度的關(guān)系

從圖3可看出，在α1<5°范圍取值時，壓力比fX較大，則正壓力N1與N2相差很大；在α1>35°范圍取值時，壓力比fX趨于零，仍達不到壓力均勻分配的效果. 通過進一步的插值計算得，當(dāng)正壓力N1近似等于N2時，α1=28°，α2=21°. 在此設(shè)計方案下，閘瓦上、下兩端的壓力分布不均勻性得到緩解，從而可有效改善閘瓦偏磨的現(xiàn)象. 從理論上看，將閘瓦進行非對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計對改善偏磨來說是行之有效的. 改進前后的閘瓦結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖4所示. 其中x-x為移動路徑線，P為閘瓦質(zhì)心，ε為偏心距. 當(dāng)α1=28°時，此非對稱結(jié)構(gòu)的閘瓦存在偏心距ε=27 mm.

(a)對稱性閘瓦 (b)非對稱性閘瓦

圖4改進前后閘瓦結(jié)構(gòu)形態(tài)圖

3　閘瓦偏磨改善的仿真分析

貨車基礎(chǔ)制動裝置作為一個多剛體系統(tǒng)，各部件間的連接關(guān)系比較復(fù)雜，卻具有共同的規(guī)律：運動和力的傳遞是通過約束和接觸實現(xiàn)的[5]. 運用多體動力學(xué)分析方法，可使系統(tǒng)模型更符合實際的運動和受力. RecurDyn(Recursive Dynamic)是一款基于相對坐標(biāo)系運動和完全遞歸算法理論的多體動力學(xué)仿真軟件，求解速度快、計算效率高[6]. 以下采用RecurDyn的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)仿真技術(shù)來研究閘瓦偏磨及改善效果的問題.

3.1仿真實驗方案的設(shè)計

為研究閘瓦偏磨的影響，可采用閘瓦上、下端的應(yīng)力分布情況來評價其磨耗. 比較改進前后的磨耗情況，需要做兩組對比仿真實驗. 實驗一中選用的是原始的對稱性閘瓦，實驗二中選用的是結(jié)構(gòu)改進后的非對稱性閘瓦. 可把閘瓦上、下端微小單元做有限元自動網(wǎng)格化處理，以便觀察上下端的應(yīng)力分布，從而確定磨耗狀況.

3.2多體動力學(xué)模型的構(gòu)建

制動系統(tǒng)多體模型的構(gòu)建是仿真實驗得以順利進行的前提與保障，其技術(shù)路線為：創(chuàng)建多體模型，模型的預(yù)處理(包括簡化、合并及修改)，添加約束以及驅(qū)動載荷.

剛?cè)狁詈隙囿w模型的構(gòu)建可分為純剛體以及有限元柔體兩部分操作. 利用Pro/E軟件建立制動系統(tǒng)各零件的剛體模型，進行無干涉條件的裝配. 再以STEP格式將模型導(dǎo)入RecurDyn環(huán)境中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換. 考慮到在制動時輪瓦間存在接觸碰撞，為精確分析，制動閘瓦需做柔性化處理. 在有限元FFlex模塊下，對閘瓦自動網(wǎng)格劃分并設(shè)置彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)；創(chuàng)建主、從節(jié)點及FDR單元以便連接剛體和柔體. 最后，在閘瓦上下微小作用面上選取Path片集，用于壓力云圖的顯示.

為實現(xiàn)各構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)性，需添加運動副及各種接觸關(guān)系等約束. 例如應(yīng)給輪對添加轉(zhuǎn)動副，并設(shè)置角速度驅(qū)動(初始速度30 r/s)；在車輪踏面與閘瓦上、下微小單元加上剛?cè)崦娼佑|等，具體的約束設(shè)置見表1.

此外，采用載荷控制函數(shù)可以更真實地模擬制動力的施加過程，如階躍響應(yīng)函數(shù)STEP就可設(shè)置系統(tǒng)參量從零光滑地遞增到指定值的驅(qū)動. 在此動力學(xué)模型中，用STEP函數(shù)表示在游動杠桿處輸入的制動力的大小. 施加的制動力可等效為分別在X、Y、Z方向上定義的函數(shù)表達式，表示如下：

FX：STEP(TIME,0,0,3,15650)；

FY：STEP(TIME,0,0,3,-3022)；

FZ：STEP(TIME,0,0,3,-4164).

表1　約束及其參數(shù)設(shè)置

3.3仿真結(jié)果及分析

通過對兩組實驗中的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型的仿真結(jié)果進行對比分析，得出了制動系統(tǒng)各閘瓦上、下端微小單元的應(yīng)力分布情況. 如圖5所示為實驗一中各閘瓦端部的應(yīng)力分布：圖(a)、(b)為前制動梁上的兩個閘瓦上、下端的應(yīng)力分布規(guī)律；圖(c)、(d)為后制動梁上的兩個閘瓦上、下端的應(yīng)力分布規(guī)律. 對于實驗二中結(jié)構(gòu)改進后的閘瓦，各閘瓦作用面上、下端應(yīng)力分布情況如圖6所示.

(a)(b)(c) (d)

圖5原始的對稱性閘瓦受力分布云圖

(a)(b)(c) (d)

圖6改進的非對稱閘瓦受力分布云圖

仿真實驗結(jié)果表明：

(1)實驗一中，同一制動梁上的閘瓦上、下端的應(yīng)力分布規(guī)律相同：對于前閘瓦單元，下端應(yīng)力值的大小遠大于上端的值(圖5(a)、(b))；對于后閘瓦單元，上端應(yīng)力值的大小遠大于下端的值(圖5(c)、(d)). 造成此差異的原因是閘瓦與前后車輪的相對運動情況不同;

(2)實驗一中各閘瓦上、下端應(yīng)力大小分布差別都很大，上下端磨耗的嚴重程度必然不同，這與前面理論分析的結(jié)果相吻合;

(3)實驗二中，閘瓦上、下端應(yīng)力分布情況基本相同(圖6各圖所示)，說明通過改變閘瓦結(jié)構(gòu)，閘瓦作用面上的壓力得以重新分布，有利于改善偏磨狀況.

4　結(jié)論

(1)通過分析閘瓦制動單元可得：輪瓦制動時，閘瓦上、下端壓力分布不均勻；

(2)閘瓦上下端存在壓力差是由其自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)造成的，從而得出對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計是閘瓦偏磨的主要原因；

(3)將閘瓦進行非對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)閘瓦上、下作用面對應(yīng)的圓心角α1=28°，α2=21°時，即存在偏心距ε=27mm. 閘瓦上、下端壓力比由1.19變?yōu)槔碚撋系?.00，偏磨狀況得到改善；

(4)通過對比仿真實驗知，改變閘瓦結(jié)構(gòu)，上下壓力得以均勻分布，這也驗證了此改進措施的可行性.

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[5]LU BIHONG,ZHANG YU,QU BAOZHANG,et al.Research on RecurDyn Based Simulation Method for the Brake Shoe Eccentric Wear in Railway Freight Cars[J].Key Engineering Materials,2012,522:467- 471.

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Research on Eccentric Wear Improvement and Simulation Experiment of Brake Shoe in Railway Wagon

LU Bihong,LIU Jinlong,QU Baozhang,ZHU Jianning

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

For improving the safety and efficiency of railway transportation, the pressure distributions of brake shoes on upper and lower ends are employed to evaluate the degree of wear, and then a feasible improvement method is proposed. Firstly, theoretical derivation is performed according to the mechanical model of the brake unit, discovering that the symmetrical structure design is a major cause of eccentric wear. Then, an unsymmetrical brake shoe is presented, which makes the pressures on upper and lower ends redistribute and alleviates the degree of eccentric wear accordingly. Finally, constructing a rigid-flexible coupling dynamic model for the braking system in RecurDyn. Through comparative simulation experiments, the stress distributions on the upper and lower ends of brake shoes is delerminated. Theoretical analysis of the brake shoe unit indicates that when the offset distance is 27 mm, the ratio of pressures declines from 1.19 to 1 ideally. Besides, simulation results also prove that the pressure distribution on the symmetrical brake shoes is quite nonuniform, and the eccentric wear reduces significantly with unsymmetrical structure shoes. The results provide theoretical foundation and technical support for the performance improvement of the braking system.

brake shoe; eccentric wear improvement; simulation experiment; wagon braking

1673- 9590(2016)05- 0051- 05

2016- 06- 23

盧碧紅(1961-)，女，教授，博士，主要從事逆向工程以及質(zhì)量工程方面的研究

E-mail:bhlu@djtu.edu.cn.

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