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      鐵路貨車閘瓦上下偏磨機(jī)理研究

      2018-03-21 01:05:05孫可心盧碧紅朱建寧曲寶章
      關(guān)鍵詞:閘瓦滑槽回程

      孫可心,盧碧紅,朱建寧,曲寶章

      (大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

      0 引言

      鐵路貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是傳遞和放大制動(dòng)動(dòng)力并產(chǎn)生制動(dòng)力的部分[1].閘瓦是制動(dòng)力傳遞終端,閘瓦性能直接影響列車制動(dòng)性能. 鐵路貨車運(yùn)用中,閘瓦故障主要有閘瓦丟失、閘瓦偏磨、閘瓦裂損、金屬鑲嵌等[2]. 閘瓦偏磨包括閘瓦上下偏磨、閘瓦左右偏磨、閘瓦斜偏磨. 閘瓦屬于磨耗件,閘瓦偏磨不但增加檢修負(fù)擔(dān),而且會(huì)導(dǎo)致閘瓦不能與輪箍踏面正常接觸而危及行車安全. 閘瓦上下偏磨是發(fā)生在列車運(yùn)行中動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的接觸力學(xué)與摩擦學(xué)問題,基于目前技術(shù)水平難以在列車實(shí)際運(yùn)行中觀測(cè)閘瓦偏磨過程. 因此,目前在閘瓦上下偏磨形成過程的研究方面,相關(guān)研究人員大多采用經(jīng)驗(yàn)法在閘瓦前端機(jī)構(gòu)中探究影響閘瓦空間姿態(tài)的因素,進(jìn)而定性地討論各因素對(duì)閘瓦上下偏磨的影響[3- 5]. 此類研究方法僅探究導(dǎo)致閘瓦上下偏磨的間接原因,未從理論角度對(duì)閘瓦上下偏磨的直接原因進(jìn)行精確、定量分析.

      本文運(yùn)用解析法推導(dǎo)出閘瓦上下端壓力比與閘瓦上下端磨耗量的關(guān)系,從動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)角度分析閘瓦上下偏磨形成過程,并結(jié)合新一代多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn對(duì)轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證,采用解析法與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法來研究閘瓦上下偏磨形成過程.

      1 閘瓦制動(dòng)瞬時(shí)受力模型

      1.1 閘瓦制動(dòng)三階段

      閘瓦上下偏磨程度可以用閘瓦上下端磨耗量差值的絕對(duì)值大小來衡量,絕對(duì)值越大表明閘瓦上下偏磨程度越大. 閘瓦磨耗速率定義為單位時(shí)間內(nèi)閘瓦磨耗量. 當(dāng)閘瓦上下端初始厚度相等時(shí),閘瓦上下端磨耗量不等的直接原因?yàn)殚l瓦上下端磨耗速率不等,而閘瓦上下端磨耗速率又與閘瓦上下端壓力比密切相關(guān). 因此,研究閘瓦上下偏磨問題首先必須抽象出閘瓦制動(dòng)單元瞬時(shí)受力模型,之后再運(yùn)用解析法求解出閘瓦上下端壓力比,進(jìn)而探究壓力、磨耗速率、磨耗量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系.

      已經(jīng)存在一定上下磨耗量的閘瓦其制動(dòng)過程可分為三個(gè)階段:閘瓦靠近車輪階段、閘瓦調(diào)整姿態(tài)階段(發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)階段)、閘瓦抱緊車輪階段,如圖1所示.

      圖1 閘瓦制動(dòng)過程示意圖

      閘瓦靠近車輪階段:閘瓦沿著滑槽平動(dòng),直至閘瓦較長(zhǎng)端前端點(diǎn)D與車輪接觸;閘瓦調(diào)整姿態(tài)階段:閘瓦以較長(zhǎng)端前端點(diǎn)D為中心旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)角度受滑槽的制約),直至閘瓦弧面與車輪完全接觸;閘瓦抱緊車輪階段:閘瓦與車輪緊密貼合,不再發(fā)生相對(duì)位移,且制動(dòng)力逐漸增大到某一值后保持不變.

      1.2 制動(dòng)單元瞬時(shí)受力模型

      閘瓦磨耗主要發(fā)生在閘瓦抱緊車輪階段,故對(duì)此階段閘瓦制動(dòng)單元進(jìn)行合理簡(jiǎn)化與力學(xué)分析. 分析前作以下假設(shè):

      (1)閘瓦與車輪均視為剛體,不發(fā)生形變,且在制動(dòng)穩(wěn)態(tài)階段二者弧面完全接觸;

      (2)滑槽與滑塊間作用力視為單一點(diǎn)接觸;

      (3)車輪對(duì)閘瓦的分布?jí)毫Φ刃樽饔糜陂l瓦上、下兩端的集中力;

      (4)受力分析時(shí),不計(jì)滑槽對(duì)滑塊的摩擦阻力及制動(dòng)單元自身重力;

      (5)當(dāng)閘瓦上端磨耗量大于下磨耗量時(shí),閘瓦下端點(diǎn)先與車輪接觸,且假設(shè)此時(shí)下端接觸點(diǎn)與未偏磨時(shí)下端接觸點(diǎn)相同;當(dāng)閘瓦上端磨耗量小于下磨耗量時(shí),閘瓦上端點(diǎn)先與車輪接觸,且假設(shè)此時(shí)上端接觸點(diǎn)與未偏磨時(shí)上端接觸點(diǎn)相同.

      在閘瓦運(yùn)用過程中某一瞬時(shí)閘瓦上下端已存在一定磨耗量,且不同位置的閘瓦,車輪的旋入端也不同.故假設(shè)任意時(shí)刻某位閘瓦上下端磨耗量分別為δ1、δ2,以研究車輪不同旋向時(shí),閘瓦上下端壓力分布情況. 對(duì)于列車任一轉(zhuǎn)向架,閘瓦制動(dòng)單元存在四種不同受力模型:δ1>δ2,上端為旋入端;δ1>δ2,下端為旋入端;δ1<δ2,上端為旋入端;δ1<δ2,下端為旋入端.現(xiàn)針對(duì)δ1>δ2且上端為旋入端情況進(jìn)行研究,其受力模型如圖2所示.

      圖2 閘瓦制動(dòng)單元瞬時(shí)受力模型

      圖中P為滑塊質(zhì)心;O為車輪旋轉(zhuǎn)中心;A、B為閘瓦上、下端后端點(diǎn);C、D為閘瓦上、下端前端點(diǎn);α1為OC連線與水平面夾角;α2為OD連線與滑槽夾角;ε為閘瓦旋轉(zhuǎn)角;β為滑槽傾角;N1、N2為車輪對(duì)閘瓦上、下端的正壓力,作用點(diǎn)分別為C、D;F1、F2為車輪對(duì)閘瓦上、下端的摩擦力,作用點(diǎn)分別為C、D;N為滑槽對(duì)滑塊的支反力,作用點(diǎn)為P;F為制動(dòng)梁所受制動(dòng)力,作用點(diǎn)為Q;PM為N1對(duì)P點(diǎn)取矩的力臂長(zhǎng);PN為N2對(duì)P點(diǎn)取矩的力臂長(zhǎng);CE為閘瓦上下端垂直距離.

      對(duì)于此型轉(zhuǎn)向架:車輪半徑OC=OD=420 mm;閘瓦上端厚度AC=(46.63-δ1)mm;閘瓦下端厚度BD=(46.63-δ2)mm;滑塊質(zhì)心到閘瓦上、下端后端點(diǎn)距離PA=PB=216.36 mm;PQ=137.85 mm;∠PAC=∠PBD=126°;閘瓦上下端距離CE=352 mm;滑槽傾角β=12°;OC連線與水平面的夾角α1在本工況下為一變量,其值為閘瓦上下磨耗量δ1、δ2的函數(shù);OD連線與滑槽夾α2=25°;閘瓦旋轉(zhuǎn)角ε為一變量,其值為閘瓦上下磨耗量δ1、δ2的函數(shù);制動(dòng)梁所受制動(dòng)F=23 755 N.

      1.3 閘瓦瞬時(shí)受力分析

      根據(jù)圖2所示閘瓦單元瞬時(shí)受力模型,列平面一般力系平衡方程:

      (1)

      (2)

      約束條件:ε<12°,0≤δ2<δ1≤30,且δ1、δ2∈Z.

      其中,L1、L2、L3、L4、L5為力N1、N2、F1、F2、F的力臂長(zhǎng)度,其值均為閘瓦上下磨耗量δ1、δ2的函數(shù). 其函數(shù)關(guān)系如下:

      函數(shù)中PC、PD、∠ACP、∠BDP、α1、ε又均為閘瓦上下磨耗量δ1、δ2的函數(shù),其函數(shù)關(guān)系由余弦定理即可求得.

      1.4 閘瓦瞬時(shí)受力方程求解結(jié)果及分析

      聯(lián)立上述方程(1)~(10),可解得N1/N2與δ1、δ2關(guān)系,由于是隱函數(shù)不便表達(dá),這里采用數(shù)值法,利用MATLAB畫N1/N2=f(δ1,δ2)關(guān)系曲線如圖3所示.

      圖3 δ1>δ2(上端旋入)時(shí),N1/N2=f(δ1,δ2)圖像

      由圖3可知,對(duì)于δ1>δ2且上端為旋入端情況,閘瓦上下端瞬時(shí)壓力比受閘瓦上下端磨耗量影響. 當(dāng)上端磨耗量不變時(shí),閘瓦上下端壓力比隨下端磨耗量增大而減小;當(dāng)下端磨耗量不變時(shí),閘瓦上下端壓力比隨上端磨耗量增大而增大.

      對(duì)于其他三種受力模型,分析方法與δ1>δ2且上端為旋入端類似. MATLAB數(shù)值計(jì)算結(jié)果如下:當(dāng)δ1>δ2且下端為旋入端時(shí),N1/N2取值范圍為0.82~1.04;當(dāng)δ1<δ2且上端為旋入端時(shí),N1/N2取值范圍為1.15~1.21;當(dāng)δ1<δ2且下端為旋入端時(shí),N1/N2取值范圍為0.82~0.87.

      2 閘瓦上下偏磨形成過程分析

      2.1 轉(zhuǎn)向架去程與回程

      閘瓦上下端壓力比與閘瓦上下端磨耗量關(guān)系為瞬時(shí)關(guān)系. 而閘瓦上下偏磨為動(dòng)態(tài)的過程,故結(jié)合瞬時(shí)關(guān)系探究閘瓦上下偏磨的形成過程.

      任意一節(jié)列車工作狀態(tài)分為去程、回程兩種工況. 以二位端轉(zhuǎn)向架為例,將車輛向固定杠桿方向行駛定義為去程;將車輛向游動(dòng)杠桿方向行駛定義為回程. 對(duì)于同一閘瓦而言,去程、回程時(shí)車輪旋入端不同,如表1所示.

      表1 二位端轉(zhuǎn)向架去程回程各位閘瓦旋入端情況

      2.2 去程時(shí)閘瓦偏磨形成過程

      當(dāng)車輛去程時(shí),7、8位閘瓦上端為旋入端,此時(shí)N1/N2取值范圍為1.15~1.46. 初始時(shí)閘瓦上下端磨耗量δ1=δ2=0,由圖3知此時(shí)N1/N2=1.22,即N1>N2. 由于閘瓦磨耗速率與閘瓦壓力呈正相關(guān)關(guān)系,則此時(shí)閘瓦上端磨耗速率大于閘瓦下端磨耗速率. 在偏磨初期,將呈現(xiàn)δ1>δ2的情況.

      結(jié)合圖3數(shù)據(jù)可知,當(dāng)δ1>δ2時(shí),N1/N2的值將比上下端磨耗量相等時(shí)更大,即上端磨耗速率將更大,這將導(dǎo)致偏磨中期︱δ1-δ2︱值逐漸增大.故若行駛方向不變,7、8位閘瓦上偏磨將越來越嚴(yán)重.

      2.3 回程時(shí)閘瓦偏磨形成過程

      當(dāng)車輛回程時(shí),7、8位閘瓦下端為旋入端,此時(shí)N1/N2取值范圍為0.82~1.04. 當(dāng)上偏磨量為24~25 mm時(shí),呈現(xiàn)N1=N2情況. 在去程終態(tài)已呈現(xiàn)上偏磨現(xiàn)象,但上下磨耗量具體數(shù)值由實(shí)際中去程里程數(shù)及其他因素綜合決定,故需分情況討論:

      (1)去程終態(tài)上端磨耗量未達(dá)24~25 mm

      此時(shí),由MATLAB數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知回程時(shí)N1/N2<1,閘瓦下端磨耗速率大于上端磨耗速率,︱δ1-δ2︱值減小,上下磨耗量趨于相等,磨耗趨于均勻.

      (2)去程終態(tài)上端磨耗量已達(dá)24~25 mm

      由MATLAB數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知回程時(shí)N1/N2≈1 ,即上端磨耗速率約等于下端磨耗速率,︱δ1-δ2︱值保持不變,即偏磨量保持不變,磨耗未趨于均勻.

      2.4 延長(zhǎng)閘瓦使用壽命的措施

      對(duì)于閘瓦檢修及維護(hù)而言,當(dāng)閘瓦一端厚度余量小于14 mm時(shí),則需更換閘瓦. 因此,應(yīng)使閘瓦兩端磨耗盡量均勻. 對(duì)比2.3中的情況(1)、(2),應(yīng)盡量使情況(1)發(fā)生. 則去程上端磨耗接近24 mm時(shí),列車需反向行駛. 由于列車行進(jìn)方向不能隨意改變,故此方案不可行. 故考慮另一種方案:當(dāng)上偏磨達(dá)一定程度時(shí),將閘瓦上下端對(duì)調(diào).

      對(duì)調(diào)后應(yīng)結(jié)合δ1<δ2且上端為旋入端工況數(shù)據(jù)分析. 此時(shí)N1/N2取值范圍為1.15~1.21. 即N1始終大于N2,上端磨耗速率始終大于下端磨耗速率,一段時(shí)間后,上下端磨耗量差值減小,上下磨耗趨于相等,磨耗趨于均勻. 故建議當(dāng)車輛檢修后發(fā)現(xiàn)7、8位閘瓦一端磨耗量達(dá)到(46.63-14)/2≈16 mm時(shí),將閘瓦上下對(duì)調(diào),以延長(zhǎng)閘瓦使用壽命.

      由于5、6位閘瓦與7、8位閘瓦在空間上具有對(duì)稱性,故其上下偏磨形成過程與7、8位閘瓦偏磨過程規(guī)律一致. 同樣地,為延長(zhǎng)閘瓦使用壽命,當(dāng)車輛檢修后發(fā)現(xiàn)5、6位閘瓦一端磨耗量達(dá)到16 mm時(shí),即可將閘瓦上下對(duì)調(diào).

      3 閘瓦偏磨仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

      本文通過研究閘瓦上下端壓力比與上下端磨耗量關(guān)系研究閘瓦上下偏磨形成過程. 仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)通過改變閘瓦三維模型幾何外形模擬現(xiàn)實(shí)中閘瓦上下端磨耗量,通過提取閘瓦上下端的壓力評(píng)價(jià)該磨耗量時(shí)閘瓦上下端磨耗速率. 轉(zhuǎn)向架單程運(yùn)行時(shí),同時(shí)存在兩種工況. 對(duì)于δ1>δ2且上端為旋入端工況,取δ1值分別為8、12、16,δ2值分別為0、4、8進(jìn)行閘瓦制動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)驗(yàn)合計(jì)9組.

      3.2 轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置建模

      作為一個(gè)多剛體系統(tǒng),貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置各剛體零部件運(yùn)動(dòng)通過約束和接觸碰撞實(shí)現(xiàn)[6]. RecurDyn作為一款采用完全遞歸算法和相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論的新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件,求解大規(guī)模多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題非常便捷精確[7]. 對(duì)于模型處理,首先,將Creo環(huán)境下的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置原始三維模型以STEP格式文件導(dǎo)入RecurDyn中,在不影響機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)前提下,對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化與合并. 然后,為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置各零件之間運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)性,需要在各零件之間添加約束關(guān)系. 最后,添加載荷,制動(dòng)力施加于制動(dòng)杠桿中間銷孔處,取恒值F=47 354 N.

      3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

      仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

      表2 轉(zhuǎn)向架7、8位閘瓦上下端壓力 N

      仿真結(jié)果分析:

      (1)同一制動(dòng)梁上的兩閘瓦壓力分布情況基本相同,當(dāng)δ1>δ2且閘瓦上端為旋入端時(shí),同一閘瓦上端點(diǎn)壓力均大于下端點(diǎn)壓力,與解析法中在該工況下一直呈現(xiàn)上偏磨現(xiàn)象一致;

      (2)當(dāng)閘瓦上偏磨量δ1不變時(shí),N1/N2值隨下偏磨量δ2增大而減小,與解析法所得圖像變化趨勢(shì)一致;當(dāng)閘瓦下偏磨量δ2不變時(shí),N1/N2值隨下偏磨量δ1增大而增大,與解析法中閘瓦上偏磨嚴(yán)重程度越來越大一致.

      4 結(jié)論

      (1)通過對(duì)制動(dòng)單元受力分析可知,制動(dòng)力作用方式及閘瓦初始姿態(tài)導(dǎo)致閘瓦的初期偏磨;

      (2)磨耗初期閘瓦上下端磨耗量不等導(dǎo)致閘瓦上下端磨耗速率不等,進(jìn)而導(dǎo)致磨耗中期上下端磨耗量差值增大,最終呈現(xiàn)閘瓦一端偏磨嚴(yán)重現(xiàn)象;

      (3)閘瓦上下偏磨程度受去程回程里程數(shù)之比影響,具體磨耗情況需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用情況討論;

      (4)當(dāng)車輛檢修后發(fā)現(xiàn)閘瓦一端磨耗量為16 mm時(shí),建議將閘瓦上下對(duì)調(diào),以延長(zhǎng)閘瓦使用壽命;

      (5)貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與解析法求解結(jié)果一致.

      [1]饒忠, 彭俊彬. 列車制動(dòng)[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社, 2010:16- 19.

      [2]周磊, 陳雷. 鐵路貨車主要結(jié)構(gòu)與使用[M]. 北京:中國(guó)鐵道出版社, 2011:182- 183.

      [3]王剛強(qiáng). GK_(1C)型機(jī)車閘瓦偏磨的原因分析及處理[J]. 鐵道機(jī)車與動(dòng)車, 2015,492(2):45- 46.

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