華成婷,曲寶章,陳曉媛,朱建寧,盧碧紅

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

0 引言

近年來，我國鐵路客車發(fā)展迅速，但我國大部分線路屬于客貨混跑線路，客車速度和數(shù)量的增加,必然會(huì)使貨車的運(yùn)行量減少，因此，提高貨車運(yùn)行速度和載重是提高鐵路運(yùn)輸能力的主要措施,其關(guān)鍵取決于轉(zhuǎn)向架和制動(dòng)裝置的性能[1]. 通過多年研究與發(fā)展，我國貨車轉(zhuǎn)向架已基本定型，所以改善制動(dòng)裝置成為鐵路貨車發(fā)展的關(guān)鍵[2]. 我國傳統(tǒng)的制動(dòng)裝置受結(jié)構(gòu)位置的限制,甚至需要多級(jí)杠桿進(jìn)行傳動(dòng),制動(dòng)裝置的布局較為復(fù)雜，不但降低了傳動(dòng)效率,也降低了制動(dòng)與緩解的可靠性，不能滿足我國貨車發(fā)展的需求[3]. 集成制動(dòng)系統(tǒng)是指制動(dòng)缸集成在轉(zhuǎn)向架上，每個(gè)轉(zhuǎn)向架可作為獨(dú)立的制動(dòng)單元控制車輛制動(dòng)與緩解的制動(dòng)系統(tǒng)，由于省去了大量的杠桿結(jié)構(gòu), 具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、安裝方便、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)[4]. 如今集成制動(dòng)系統(tǒng)在國外已運(yùn)用成熟，我國研制較晚，但近年來借鑒國外技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，已取得很大進(jìn)步，將來必然會(huì)成為我國未來鐵路發(fā)展的重點(diǎn)研究方向.

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國大部分鐵路貨車均存在輪瓦磨耗不均勻，不易緩解等現(xiàn)象，影響車輛的正常運(yùn)行，集成制動(dòng)系統(tǒng)若要廣泛運(yùn)用，必然需要針對(duì)上述現(xiàn)象做深入研究. 輪瓦磨耗不均勻通常有制動(dòng)時(shí)各閘瓦壓力分布不均勻、緩解時(shí)各位閘瓦不同步等原因，不易緩解是因?yàn)榫徑庾枇^大，均屬于制動(dòng)、緩解不良.本文以集成制動(dòng)裝置為研究對(duì)象，運(yùn)用理論分析與多體動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，研究其閘瓦制動(dòng)力分布均勻性、緩解阻力、緩解同步性，從而預(yù)測(cè)其制動(dòng)性能和緩解性能.

1 結(jié)構(gòu)與工作原理分析

1.1 組成結(jié)構(gòu)

集成制動(dòng)裝置主要由主制動(dòng)梁、副制動(dòng)梁、主制動(dòng)杠桿、副制動(dòng)杠桿、制動(dòng)缸、推桿、閘瓦間隙調(diào)節(jié)器(閘調(diào)器)、閘瓦等部件組成[5]，結(jié)構(gòu)如圖1所示. 制動(dòng)缸固裝在制動(dòng)梁上，主、副制動(dòng)杠桿通過制動(dòng)梁支柱水平安裝，缸內(nèi)推出的制動(dòng)力通過主制動(dòng)杠桿、閘調(diào)器、副制動(dòng)杠桿和推桿在同一水平面內(nèi)傳遞.

圖1 集成制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理分析

當(dāng)車輛實(shí)施制動(dòng)時(shí)，壓力空氣充入制動(dòng)缸內(nèi)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)力通過活塞桿傳出帶動(dòng)主制動(dòng)杠桿繞制動(dòng)梁支柱轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)主制動(dòng)梁有向輪對(duì)方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì). 主制動(dòng)杠桿推動(dòng)閘調(diào)器，將制動(dòng)力傳遞到副制動(dòng)杠桿端，帶動(dòng)副制動(dòng)梁向車輪方向運(yùn)動(dòng)，使閘瓦與踏面接觸實(shí)施后輪對(duì)的制動(dòng). 副制動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)推桿移動(dòng)，將力傳遞到制動(dòng)缸后側(cè)，推動(dòng)前制動(dòng)梁實(shí)施前輪對(duì)的制動(dòng).

當(dāng)車輛實(shí)施緩解時(shí)，在主、副制動(dòng)梁自身重力的作用下滑塊沿滑槽方向下滑，同時(shí)制動(dòng)缸內(nèi)的緩解彈簧被壓縮后產(chǎn)生回復(fù)力，推動(dòng)活塞反向運(yùn)動(dòng)，促使制動(dòng)梁帶動(dòng)閘瓦與輪對(duì)踏面分離，使得制動(dòng)裝置緩解.

2 受力分析

2.1 各閘瓦制動(dòng)力分析

根據(jù)制動(dòng)力的傳遞過程，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算各位閘瓦制動(dòng)力，預(yù)測(cè)閘瓦壓力的均勻性，忽略摩擦與桿件的重力.

(a) 主制動(dòng)杠桿受力簡(jiǎn)圖 (b) 副制動(dòng)杠桿受力簡(jiǎn)圖

圖2制動(dòng)杠桿水平面受力分析

主、副制動(dòng)杠桿受力分析簡(jiǎn)圖如圖2所示. 根據(jù)力矩平衡原理，可列等式：

其中，P為制動(dòng)缸活塞桿推出產(chǎn)生的制動(dòng)力，F(xiàn)B、FE為主、副制動(dòng)梁對(duì)制動(dòng)杠桿的支反力，F(xiàn)C、FD為閘調(diào)器對(duì)主、副制動(dòng)杠桿的作用力，F(xiàn)C=FD，F(xiàn)F為推桿對(duì)制動(dòng)杠桿的作用力，a、b、c、d為圖2 (a)、(b)中對(duì)應(yīng)的力臂長(zhǎng)度.

(a)主制動(dòng)梁受力簡(jiǎn)圖 (b) 副制動(dòng)梁受力簡(jiǎn)圖

圖3制動(dòng)梁水平面受力分析

主、副制動(dòng)梁受力分析簡(jiǎn)圖如圖3所示，制動(dòng)缸與閘瓦都固裝在制動(dòng)梁上，可作為一整體進(jìn)行力學(xué)分析. 則根據(jù)力矩平衡原理，可列等式：

計(jì)算結(jié)果表明，主制動(dòng)梁上的兩位閘瓦壓力分布不均，表現(xiàn)為K1>K2，差值與制動(dòng)缸相對(duì)支柱的偏距e有關(guān)；副制動(dòng)梁上的兩位閘瓦壓力分布均勻，表現(xiàn)為K3=K4. 同側(cè)閘瓦制動(dòng)力具體差值，需通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析.

2.2 機(jī)構(gòu)緩解阻力分析

集成制動(dòng)裝置的緩解阻力有兩個(gè)來源：一是機(jī)構(gòu)間的相互制約作用，由于該集成制動(dòng)系統(tǒng)是由多桿件相關(guān)聯(lián)的集成機(jī)構(gòu)，每個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)都會(huì)受與其他連接件的制約；二是制動(dòng)梁沿滑槽下滑時(shí)，滑塊與滑槽磨耗板間產(chǎn)生摩擦阻力.

(a)主制動(dòng)梁受力(b) 副制動(dòng)梁受力

圖4制動(dòng)杠桿縱向面受力分析

(1)兩制動(dòng)梁由推桿和閘調(diào)器連接，緩解時(shí)，分別向不同方向運(yùn)動(dòng)必定相互牽制. 用隔離法分別對(duì)主、副制動(dòng)梁做縱向面的受力分析，受力簡(jiǎn)圖如圖4所示，忽略摩擦. 主、副制動(dòng)梁側(cè)重量約為G1、G2(主制動(dòng)梁含制動(dòng)缸)，側(cè)架滑槽與水平面夾角為θ，F(xiàn)1、F2為主、副制動(dòng)梁受水平力，其中：

N1=G1·cosθ=F1·sinθ

(11)

通過式(11)得出：

F1=G1·tanθ

(12)

帶入具體數(shù)值計(jì)算得:F1=369 N, 同理可計(jì)算出F2=297 N，F(xiàn)1的反作用力阻礙副制動(dòng)梁緩解，主制動(dòng)梁受F2反作用力阻礙，兩個(gè)水平力相差72 N，這72 N的水平力作用在副制動(dòng)梁上，制約其運(yùn)動(dòng)，等效為增大了副制動(dòng)梁的緩解阻力.

(2)制動(dòng)梁下滑時(shí)所受摩擦阻力與重力成正比，主制動(dòng)梁上裝有制動(dòng)缸，總重大于副制動(dòng)梁，因此主制動(dòng)梁受摩擦阻力大于副制動(dòng)梁. 又因?yàn)槟Σ磷枇εc滑塊和滑槽磨耗板間的摩擦系數(shù)μ成正比，因此選擇合適的μ時(shí)，兩制動(dòng)梁受摩擦力差值可以補(bǔ)償副制動(dòng)梁受所受的72 N制約力，此時(shí)兩制動(dòng)梁所受緩解阻力大小相等.

3 仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

RecurDyn是一款先進(jìn)的多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，結(jié)合了完全遞歸算法和相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論，能較好地對(duì)機(jī)構(gòu)中普遍存在的接觸、碰撞摩擦疲勞等動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行分析，目前在工程上已被廣泛應(yīng)用[6].

3.1 建立多體動(dòng)力學(xué)模型

首先，建立集成制動(dòng)裝置虛擬樣機(jī)模型.在Pro-E軟件中建立好制動(dòng)裝置的三維模型，保存為SETP格式后導(dǎo)入到RecurDyn軟件中.

然后，對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理. 為提高仿真速度，突出研究重點(diǎn)，需簡(jiǎn)化虛擬樣機(jī)模型，如刪掉虛擬樣機(jī)中不影響制動(dòng)緩解運(yùn)動(dòng)的固定部件，對(duì)理論上不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件進(jìn)行合并及布爾加操作等. 車輪和閘瓦方位定義：人站在前輪端面對(duì)后輪，左手側(cè)由近及遠(yuǎn)分別為L(zhǎng)1、L2位，對(duì)應(yīng)右手側(cè)為R1、R2位. 虛擬樣機(jī)模型如圖5所示.

圖5 虛擬樣機(jī)模型

最后，對(duì)虛擬樣機(jī)模型添加接觸、約束和外載荷. 在各接觸面間添加接觸，定義相應(yīng)的剛度、阻尼、摩擦因素，對(duì)需要限制自由度的部件添加約束，如滑槽、輪對(duì)與大地間添加固定副等. 外部載荷即制動(dòng)力與緩解力. 在制動(dòng)試驗(yàn)中，添加由制動(dòng)缸直接對(duì)活塞桿施加的外部載荷—制動(dòng)力P，按制動(dòng)缸內(nèi)壓強(qiáng)值和活塞面積計(jì)算出P=19 445 N, 由于制動(dòng)缸內(nèi)進(jìn)出氣是漸變的過程，所以通過STEP函數(shù)控制制動(dòng)力變化. 實(shí)際緩解彈簧需提供的緩解力為700 N，實(shí)驗(yàn)中通過定義彈簧的自由長(zhǎng)度、剛度、阻尼等參數(shù)來實(shí)現(xiàn).

3.2 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

(1)制動(dòng)實(shí)驗(yàn).制動(dòng)力函數(shù)從0逐漸增大到P，然后保持最大值不變，使機(jī)構(gòu)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài). 由于制動(dòng)時(shí)，各位閘瓦壓力不均會(huì)導(dǎo)致車輪輪緣和踏面磨耗不均，甚至輪徑超差，影響車輛的正常運(yùn)行，引發(fā)事故[7]，因此以同軸和同側(cè)的閘瓦壓差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析閘瓦壓力的分布均勻性，從而預(yù)測(cè)制動(dòng)裝置的制動(dòng)性能;

(2)緩解實(shí)驗(yàn). 制動(dòng)力函數(shù)從0逐漸增大到P，然后逐漸減小到0，緩解彈簧受壓縮后施加反向力于活塞桿上實(shí)施緩解. 緩解時(shí)間反映各閘瓦緩解的同步性，緩解阻力反映各閘瓦緩解的難易程度，緩解位移的大小反映各閘瓦的緩解狀態(tài). 因此以各閘瓦的緩解時(shí)間、緩解阻力、緩解位移為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析制動(dòng)裝置的緩解性能.實(shí)驗(yàn)定義閘瓦與車輪踏面間的接觸正壓力連續(xù)為0時(shí)為緩解，考慮滑槽磨耗板與滑塊間摩擦系數(shù)的改變對(duì)機(jī)構(gòu)緩解性能的影響，根據(jù)《鐵路貨車組合式制動(dòng)梁滑塊磨耗套技術(shù)條件(試行)》，分別設(shè)置0.05、0.07、0.09、0.11、0.13和0.15六種摩擦系數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 制動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，各位閘瓦的正壓力及各方向分力如表1所示. 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

(1)同側(cè)閘瓦正壓力分布情況： L1位比L2位大8.47%，R1位比R2位大3.44%，制動(dòng)裝置L側(cè)輪瓦壓差較大，R側(cè)分布較為均勻;

(2)同軸兩瓦壓力分布情況： L1位比R1位大5.51%，L2位比R2位大0.62%，主制動(dòng)梁輪瓦壓差較大，副制動(dòng)等壓力分布均勻.

表1 閘瓦壓力分布 N

由此可見，集成制動(dòng)裝置輪瓦壓力分布不均勻，主制動(dòng)梁上有制動(dòng)缸側(cè)L1位閘瓦正壓力明顯偏大，副制動(dòng)梁側(cè)兩閘瓦正壓力大小基本相當(dāng). 在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過反復(fù)多次制動(dòng)后，易產(chǎn)生車輪踏面不同程度的磨耗現(xiàn)象，導(dǎo)致輪徑差超差.

4.2 緩解實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)緩解實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理，在不同摩擦系數(shù)下，各位閘瓦的緩解時(shí)間如表2所示，摩擦阻力如表3所示，緩解位移量如表4所示. 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

(1)各位閘瓦的緩解時(shí)間：同一制動(dòng)梁兩閘瓦的緩解時(shí)間基本相同，副制動(dòng)梁兩閘瓦緩解同步性更好，主制動(dòng)梁閘瓦R1位的緩解時(shí)間比L1位略短；總體上各位閘瓦緩解時(shí)間相差甚微，幾乎同時(shí)緩解;

(2)各位閘瓦的緩解阻力：主制動(dòng)梁的摩擦阻力大于副制動(dòng)梁，且主制動(dòng)梁有制動(dòng)缸端L1位的摩擦阻力略大于無制動(dòng)缸端R1位，副制動(dòng)梁R2位摩擦阻力略大于L2位；隨著摩擦系數(shù)的增大，各制動(dòng)梁的摩擦阻力基本呈線性增長(zhǎng)，且主制動(dòng)梁比副制動(dòng)梁增長(zhǎng)幅度大，主、副制動(dòng)梁的阻力差值也隨之增大;

(3)各位閘瓦的緩解位移：同側(cè)兩閘瓦緩解位移量大體趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān)，即L1位減小，L2位增大；R1位減小，R2位增大. 且隨著摩擦系數(shù)的增大，各位閘瓦的緩解位移大小逐漸趨于相同，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.15時(shí)，各閘瓦緩解位移約為8 mm左右，可以保證制動(dòng)系統(tǒng)良好緩解狀態(tài).

表2 各位閘瓦緩解時(shí)間 s

表3 滑塊與滑槽間摩擦阻力 N

表4 緩解位移 mm

根據(jù)(1)可得，集成制動(dòng)裝置閘瓦緩解具有同步性，特別適合長(zhǎng)大下坡時(shí)的階段緩解，可以保證列車平穩(wěn)的減速與運(yùn)行的安全；結(jié)合(2)、(3)可得，當(dāng)摩擦系數(shù)較小時(shí)，副制動(dòng)梁的緩解阻力大于主制動(dòng)梁，表現(xiàn)為主制動(dòng)梁的緩解位移量大于副制動(dòng)梁，前輪對(duì)閘瓦間隙大于后輪對(duì)；隨著摩擦系數(shù)的增大，主、副制動(dòng)梁滑槽與滑塊間的摩擦阻力差值也隨之增大，則主制動(dòng)梁位移量逐漸減小，副制動(dòng)梁位移量逐漸增大. 因此選擇合適的滑塊與滑槽間摩擦系數(shù)，使主、副制動(dòng)梁輪瓦間隙也趨于相等. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.15時(shí)，可使機(jī)構(gòu)均勻緩解.

5 結(jié)論

(1)集成制動(dòng)裝置在制動(dòng)時(shí)，各閘瓦上分布的制動(dòng)力不均勻. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示 L側(cè)輪瓦壓力L1位比L2位大8.47%，主制動(dòng)梁L1位比R1位大5.51%. 輪瓦壓力分布不均易產(chǎn)生車輪踏面不等程度的磨耗，甚至?xí)?dǎo)致輪徑差超差，威脅列車的運(yùn)行安全，在使用中要注意及時(shí)維護(hù). 通過理論受力分析得出，制動(dòng)力分布不均勻是制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)造成的，需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做改善，調(diào)節(jié)制動(dòng)缸相對(duì)支柱的安裝位置；

(2)集成制動(dòng)裝置各位閘瓦緩解時(shí)間相差甚微，具有良好同步性，非常適合長(zhǎng)大下坡時(shí)的階段緩解，可以保證列車平穩(wěn)的減速與運(yùn)行的安全；

(3)滑槽磨耗板與滑塊間摩擦系數(shù)為0.15時(shí)，能保證機(jī)構(gòu)的良好緩解性能. 當(dāng)滑槽磨耗板與滑塊間摩擦系數(shù)很小時(shí)，由于兩制動(dòng)梁受機(jī)構(gòu)間相互牽制作用，副制動(dòng)梁的緩解阻力略大于主制動(dòng)梁；但主制動(dòng)梁比副制動(dòng)梁的受摩擦阻力大，且差值與摩擦系數(shù)成正比，當(dāng)摩擦系數(shù)增大至0.15時(shí)，兩制動(dòng)梁受摩擦阻力之差正好補(bǔ)償機(jī)構(gòu)間的相互牽制作用，實(shí)現(xiàn)主、副制動(dòng)梁所受的緩解阻力相等.

參考文獻(xiàn)：

[1]戚景觀, 王興, 齊向東. 高速貨車轉(zhuǎn)向架的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 機(jī)械制造, 2016, 54(1):84- 86.

[2]王春山, 陳雷. 鐵路重載提速貨車技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2010.

[3]汪明棟, 徐毅. 國外鐵路貨車用單元制動(dòng)裝置研究與性能分析[J]. 國外鐵道車輛, 2010, 47(3):12- 15.

[4]任玉璽, 汪明棟. 集成制動(dòng)技術(shù)在C_(80B)型專用運(yùn)煤敞車上的應(yīng)用[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 2011, 31(4):61- 64.

[5]白文強(qiáng). 貨車集成式基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2011.

[6]CAI C L. Modeling and Simulation of the Tracked Pipe Duct Cleaning Robot Based on the Pro/Engingeer and RecurDyn[J]. International Journal of Plant Engineering & Management, 2014, 19(3):180- 185.

[7]LU B H, HENX Y C，QU B Z.Research on Wheel- Shoe Wear for High Friction Composite Brake Shoes Based Foundation Brake Rigging in Railway Wagon[J].Key Engineering Materials, 2015,667：530- 535.