錢潤華，陶治

（100072 北京市 陸軍裝甲兵學(xué)院）

0 引言

裝甲車輛鐵路運輸中裝載加固問題是運輸安全性的重要問題。運輸中，由于自然環(huán)境、線路不平度、運行工況等因素的影響，裝甲車輛受到復(fù)雜的作用力，包括起穩(wěn)定作用的摩擦力和加固力，和起破壞穩(wěn)定作用的慣性力和橫向風(fēng)力。我國學(xué)者對這一類貨物鐵路運輸裝載研究可以概括為以下3 個方面：一是鐵路裝載貨物縱向慣性力研究。如陳世勇[1]對27 T 軸重貨車，在不同沖擊速度、緩沖器類型、重車總重和加固方式條件下貨物縱向慣性力研究，得出縱向慣性力隨沖擊速度、緩沖器類型、重車總重的變化規(guī)律；張興[2]在貨物剛性和柔性加固條件下，對影響貨物縱向慣性力的調(diào)車連掛速度、貨車自重、裝載重量和緩沖器類型4 個因素進(jìn)行了研究。二是裝載加固強(qiáng)度和加固方法的研究。如王橋[3]等對履帶式裝備平車輸送縱、橫向穩(wěn)定性計算分析，確定了拉牽加固最優(yōu)系固點；黃永剛[4]研究了重型車輛鐵路運輸裝載加固方案設(shè)計和計算。三是裝載加固方案評價研究。如常青[5]對超限貨物運輸安全影響因素和安全評價方法進(jìn)行研究；徐珊珊[6]對貨物裝載加固方案評價研究，并進(jìn)行運輸風(fēng)險評估，分析決定貨物運輸裝載加固措施；譚政民[7]研究了擴(kuò)大貨物裝載加固優(yōu)化算法，提出了擴(kuò)大貨物裝載加固方案多目標(biāo)評價方法，為科學(xué)制定裝載加固方案提供依據(jù)。

上述對貨物裝載加固的研究都是從加固力的角度著手，而裝載中維持穩(wěn)定性的摩擦力沒有進(jìn)行過定量研究。一方面由于民用貨物鐵路運輸基本不存在超限問題，所以加固力可以滿足裝載加固要求。另一方面鐵路平車地板為國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，摩擦系數(shù)基本保持不變。但是裝甲車輛鐵路運輸不同，為了解決裝備超限問題，提升運輸速度和效率，在鐵路平車上加裝了一種裝置，可以使得裝甲車輛鐵路運輸不超限。在此基礎(chǔ)上通過改變裝置和裝甲車輛接觸表面的材料，改變摩擦力（下文中將這種裝置表面材料簡稱表面材料）。分析研究摩擦力對裝甲車輛鐵路沖擊穩(wěn)定性的影響對于運輸安全性具有重要意義。

針對上述問題，以某型裝甲車輛為例，首先通過實驗測量裝甲履帶與表面材料的摩擦參數(shù)，然后利用SolidWorks 得出幾何建模，導(dǎo)入ADAMS，通過ADAMS 建立鐵路連掛沖擊仿真模型，分析摩擦參數(shù)對裝甲車輛縱向滑移距離的影響，為研究裝甲車輛鐵路沖擊縱向穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 裝甲車輛履帶與表面材料摩擦力實驗

裝甲車輛鐵路運輸中，由于線路不平度、車輛懸掛系統(tǒng)和運行工況等因素耦合作用，使裝甲車輛履帶對平車地板的加載表現(xiàn)出明顯的動態(tài)加載特征，摩擦力來源于表面材料的切向反力，也因此呈現(xiàn)動態(tài)變化。

1.1 摩擦力產(chǎn)生機(jī)理研究

履帶與相對較軟的表面材料接觸時，摩擦力是粘著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生摩擦力的總和。履帶與表面材料的摩擦力主要取決于表面材料抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度與材料的力學(xué)特性有關(guān)。履刺在法向載荷作用下嵌入材料表面，實際接觸面積由兩部分組成，一為履刺弧面，它是發(fā)生粘著效應(yīng)的面積，在發(fā)生相對滑動時發(fā)生剪切，產(chǎn)生剪切力。另一為履刺的端面，是犁溝效應(yīng)作用的面積，滑動時履刺推擠軟材料。摩擦力公式為

式中：T——剪切力；Pe——犁溝力；A——粘著面積；τb——粘著節(jié)點的剪切強(qiáng)度；S——犁溝面積；pe——單位面積的犁溝力。

剪切強(qiáng)度τb取決于表面材料的剪切強(qiáng)度極限，pe與表面材料的屈服極限成正比。當(dāng)履帶與表面材料間為靜摩擦狀態(tài)時，犁溝效應(yīng)可忽略。

當(dāng)履帶與表面材料為滑動摩擦?xí)r，實際接觸面積和接觸點的變形條件都取決于法向載荷產(chǎn)生的壓應(yīng)力σ和切應(yīng)力τ的聯(lián)合作用。犁溝效應(yīng)在法向載荷下，嵌入深度為h，履刺端面和表面材料接觸。

同時考慮粘著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)，則摩擦系數(shù)為

履帶與表面材料摩阻系數(shù)主要和以下因素有關(guān)：（1）動態(tài)載荷，動態(tài)載荷通過改變實際接觸面積和材料表面變形狀態(tài)影響摩擦系數(shù)；（2）材料力學(xué)特性，材料的剪切強(qiáng)度極限和屈服極限影響摩擦系數(shù)；（3）相對滑動速度，滑動摩擦速度引起表面層變形和磨損，從而影響摩擦系數(shù)。

1.2 履帶與表面材料摩擦參數(shù)測試實驗

通過履帶—表面材料摩阻力試驗臺，實驗測試獲得3 種表面材料與履帶的摩擦系數(shù)。履帶-表面材料摩阻力試驗臺示意圖如圖1 所示。

圖1 履帶—表面材料摩阻力測試實驗臺示意圖Fig.1 Track-surface material friction test bench

經(jīng)過履帶接觸面材料摩阻性能試驗臺測控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后，得到3 種材料的摩擦系數(shù)隨滑移速率變化曲線，如圖2 所示。

圖2 材料摩擦系數(shù)曲線Fig.2 Material friction coefficient curve

材料A 的最大靜摩擦系數(shù)為0.45，滑動摩擦系數(shù)為0.34，材料B 的最大靜摩擦系數(shù)0.41，滑動摩擦系數(shù)為0.35，材料C 的最大靜摩擦系數(shù)為0.79，滑動摩擦系數(shù)為0.63。

2 裝甲車輛鐵路沖擊動力學(xué)模型的建立

裝甲車輛鐵路沖擊動力學(xué)模型包括沖擊車、被沖擊車和裝甲車輛3 個部分。沖擊速度選擇3，5，8 km/h。ADAMS 軟件自動根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模型中的部件、約束和作用力，對每個部件建立運動微分方程。首先在SolidWorks 中繪制沖擊車、被沖擊車和裝甲車輛幾何模型。模型建立完成后，以Paralid(*.x_t)文件導(dǎo)入ADAMS/View。

2.1 裝甲車輛模型建立

裝甲車輛裝載運輸過程中主動輪處于抱死狀態(tài)，所以只能在鐵路平車上平動。將炮塔和車體視為一個整體，懸掛系統(tǒng)主要是與平衡肘連接的扭力軸，在車體和負(fù)重輪之間添加扭桿力。由于履帶接觸壓力分布不均勻，在履帶板之間加旋轉(zhuǎn)副，履帶和負(fù)重輪之間設(shè)置接觸力。履帶與負(fù)重輪拓?fù)鋱D如圖3 所示，裝甲車輛模型如圖4 所示。

圖3 履帶—負(fù)重輪拓?fù)鋱DFig.3 Track-wheel topology

圖4 裝甲車輛模型Fig.4 Armored vehicle model

2.2 沖擊車、被沖擊車模型

沖擊車為C70 型敞車，被沖擊車為NX70 型平車，兩種車均采用K6 轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架固定在車體前后兩側(cè)，轉(zhuǎn)向架的搖枕與車體通過固定副連接。左右側(cè)架與搖枕之間通過bushing 軸套力設(shè)置三向的剛度和阻尼系數(shù)。承載鞍與左右側(cè)架設(shè)置前后兩個bushing 軸套力，并設(shè)置側(cè)架和承載鞍之間的三向剛度和阻尼系數(shù)。K6 轉(zhuǎn)向架模型，如圖5 所示，鐵路沖擊模型，如圖6 所示。

圖5 K6 轉(zhuǎn)向架模型Fig.5 K6 bogie model

圖6 鐵路沖擊模型Fig.6 Railway impact model

2.3 車鉤緩沖裝置模型

車鉤緩沖裝置在連掛沖擊中對裝載裝備縱向慣性力影響很大，緩沖器的阻抗特性是車鉤緩沖裝置動力學(xué)性能的重要表現(xiàn)。緩沖器有不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和摩擦副性能，所以在不同的沖擊速度下，不同緩沖器的阻抗特性差別很大。對裝甲車輛鐵路運輸采用的MT-2 型緩沖器阻抗特性進(jìn)行分析。依據(jù)中車二七車輛有限公司得到MT-2 型緩沖器測試數(shù)據(jù)，將緩沖器特性曲線復(fù)雜非線性特征通過分段線性化方法簡化。簡化后的車鉤力—緩沖器行程曲線如圖7 所示。

圖7 車鉤力—緩沖器行程曲線圖Fig.7 Coupler force-buffer stroke diagram

在沖擊車和被沖擊車兩個marker 之間，建立彈簧阻尼器力元，定義彈簧的剛度和阻尼值，定義剛度時，選擇spline 曲線，輸入3 組緩沖器行程和剛度值，分別是沖擊速度為3，5，8 km/h 的試驗值。

2.4 摩擦力的設(shè)置

在履帶和平車接觸表面設(shè)置摩擦系數(shù)。ADAMS 中摩擦系數(shù)采用庫倫摩擦模型，輸入靜摩擦系數(shù)和滑動摩擦系數(shù)，最大靜摩擦系數(shù)對應(yīng)的滑移速度為Vs，滑動摩擦對應(yīng)的滑移速度為Vd，在滑移速度Vs和Vd之間時，處于過渡階段。按照實驗測得的摩擦參數(shù)，分別輸入3 種表面材料的摩擦參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

按照裝甲車輛鐵路沖擊實際工況，利用ADAMS 對沖擊速度為3，5，8 km/h 的連掛沖擊工況進(jìn)行了動力學(xué)仿真計算。連掛沖擊中，裝甲車輛在鐵路平車上不采用加固措施，僅通過更換不同的材料改變摩擦系數(shù)的方式，仿真計算摩擦系數(shù)對裝甲車輛縱向滑移量的影響。計算結(jié)果如圖8—圖10 所示。

圖8 3 km/h 沖擊速度滑移量—摩擦系數(shù)曲線Fig.8 3 km/h impact velocity slip amount-friction coefficient curve

圖9 5 km/h 沖擊速度滑移量—摩擦系數(shù)曲線Fig.9 5 km/h impact velocity Slip amount-friction coefficient curve

圖10 8 km/h 沖擊速度滑移量—摩擦系數(shù)曲線Fig.10 8 km/h impact velocity slip amount-friction coefficient curve

裝甲車輛鐵路沖擊摩擦系數(shù)與縱向滑移量仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 滑移量—摩擦系數(shù)曲線Fig.11 Slip amount-friction coefficient curve

4 結(jié)論

（1）表面材料摩擦系數(shù)與裝甲車輛最大滑移量成反比，增大表面材料的摩擦系數(shù)可以增加裝甲車輛鐵路裝載的縱向穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)沖擊速度為3 km/h 時，最大靜摩擦系數(shù)和滑動摩擦系數(shù)的增加對最大滑移量影響較小。當(dāng)沖擊速度為8 km/h 時，最大靜摩擦系數(shù)和滑動摩擦系數(shù)的增加對最大滑移量的影響較大。表明沖擊速度越大，摩擦系數(shù)的數(shù)值增大對最大滑移距離減小的效果越明顯。

（3）和滑動摩擦系數(shù)相比，最大靜摩擦系數(shù)對最大滑移量的影響大。