基于剛?cè)狁詈系牡罔F車輛橫向止擋參數(shù)分析

黃超戰(zhàn)+申林俊

摘 要：建立了某型地鐵車輛橫向止擋的有限元模型，實現(xiàn)了該有限元模型與多剛體車輛動力學(xué)模型的耦合仿真。研究了車輛通過小半徑曲線時，橫向止擋參數(shù)對車輛平穩(wěn)性及對其自身應(yīng)力應(yīng)變的影響。結(jié)果表明車輛垂向平穩(wěn)性主要受橫向止擋摩擦系數(shù)影響，而車輛橫向平穩(wěn)性則主要受橫向止擋剛度影響；橫向止擋縱向剪切力隨摩擦系數(shù)的增大而增大，垂向剪切力及橫向力則隨橫向止擋剛度的增大而增大；當(dāng)橫向止擋摩擦系數(shù)減小時，止擋縱向形變顯著減小。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；橫向止擋；剛?cè)狁詈夏Ｐ停卉囕v平穩(wěn)性

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.31.091

0 引言

當(dāng)?shù)罔F車輛通過小半徑曲線時，為防止車體出現(xiàn)過大的橫向位移，同時減緩車體橫向振動，確保車輛運行的安全性與平穩(wěn)性，需在車體與構(gòu)架之間設(shè)置橫向止擋。在車輛通過曲線過程中，車體與橫向止擋之間存在動態(tài)的擠壓力及摩擦力，橫向止擋在交變載荷作用下會出現(xiàn)局部折痕及裂紋，從而惡化車輛平穩(wěn)性。

目前關(guān)于橫向止擋的研究主要集中在兩個方面，一是將橫向止擋簡化為一維非線性彈簧，研究橫向止擋間隙及剛度對車輛動力學(xué)性能的影響，由于此類模型未考慮橫向止擋與車體中心銷之間的摩擦，因此無法反映橫向止擋的剪切特性；二是建立橫向止擋的有限元模型研究其準(zhǔn)靜態(tài)剛度特性，由于缺少相應(yīng)的摩擦力輸入，此類模型的研究停留在優(yōu)化橫向止擋單向剛度階段，未涉及橫向止擋剪切剛度及其表面摩擦系數(shù)的優(yōu)化研究。

針對已有研究的不足，本文將橫向止擋的動力學(xué)模型由一維完善至三維，建立了柔性橫向止擋與剛性車輛系統(tǒng)的耦合模型，研究了橫向止擋不同剛度條件下，其表面摩擦系數(shù)對車輛及對止擋自身的影響，相關(guān)計算結(jié)果可為橫向止擋剪切裂紋的研究提供力學(xué)輸入條件，也可為新型橫向止擋的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 模型的建立

1.1 橫向止擋模型

本文所建立的橫向止擋有限元模型如圖1所示，模型中共有58190個單元。橫向止擋主要材料為硫化橡膠，其彈性模量為7.8MPa，泊松比為0.47，密度為1600kg/m3。為便于敘述，同時與車輛坐標(biāo)系保持一致，稱圖1中x方向為縱向，y方向為橫向，z方向為垂向。

為實現(xiàn)橫向止擋有限元模型與車輛模型的耦合仿真，在橫向止擋有限元模型上預(yù)留4個marker點，如圖2所示。

橫向止擋有限元模型與多剛體車輛動力學(xué)模型耦合時的鉸接及力元設(shè)置如下：點1采用0號鉸固結(jié)于構(gòu)架指定位置；點2和點3之間建立橫向接觸力及垂向縱向摩擦力；點4與車體中心銷指定點間建立橫向接觸力及垂向縱向摩擦力。

在將橫向止擋有限元模型導(dǎo)入SIMPACK時，通過將有限元模型的剛度矩陣乘以附加系數(shù)可以方便的得到不同材料硬度下的橫向止擋模型，本文共建立了4種不同剛度的橫向止擋模型，為便于敘述，稱為模型1～4。4種模型的三向剛度特性如圖3所示。

由圖3可知，從模型1至模型4，橫向止擋各向剛度依次遞增。就同一橫向止擋模型而言，其垂向剛度最大，橫向剛度次之，而縱向剛度最小。橫向剛度（圖a）分為明顯的兩段，前段剛度較小，稱為彈性壓縮階段，后段剛度較大，成為剛性壓縮階段。

1.2 車輛模型及線路設(shè)置

采用SIMPACK多體動力學(xué)軟件建立的某型地鐵車輛如圖4所示，轉(zhuǎn)向架采用無搖枕式Z字形牽引拉桿結(jié)構(gòu)，全車共有52自由度。

為充分體現(xiàn)不同橫向止擋參數(shù)對車輛平穩(wěn)性及對止擋自身的影響，仿真時設(shè)置車輛為AW3狀態(tài)，車速為80km/h，也即正常運行下的最高速，同時設(shè)置小半徑曲線如表1所示。

2 橫向止擋參數(shù)對車輛平穩(wěn)性的影響

當(dāng)車輛通過小半徑曲線時，車體中心銷與橫向止擋之間存在擠壓及相對滑移現(xiàn)象。實際運用過程中，通過改變橫向止擋表面耐磨材料可以較為方便地改變橫向止擋與中心銷之間的摩擦系數(shù)。本文通過改變摩擦力元設(shè)置，將摩擦系數(shù)分別取為0.1～1.0。不同摩擦系數(shù)及不同模型條件下，車輛通過曲線過程中的平穩(wěn)性指標(biāo)如圖5所示。

由圖5（a）可知，降低橫向止擋與中心銷間摩擦系數(shù)，可明顯改善車輛垂向平穩(wěn)性；橫向止擋剛度對垂向平穩(wěn)性的影響較?。挥蓤D5（b）可知橫向止擋與中心銷間摩擦系數(shù)對車輛橫向平穩(wěn)性無明顯影響；隨著橫向止擋剛度的增加，車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)僅略有增加。

3 止擋參數(shù)對其自身特性的影響

不同摩擦系數(shù)及不同剛度條件下，車輛通過小半徑曲線過程中，止擋在三個方向所受力的有效值如圖6所示。

從圖6中可以看出，地鐵車輛通過小半徑曲線時，止擋主要受到橫向壓力的作用，垂向剪切力有效值與縱向剪切力有效值在數(shù)值上較為接近，兩者均遠(yuǎn)小于橫向壓力有效值；橫向止擋剛度越大，則其在各個方向上受到的力越大；以摩擦系數(shù)為0.6時為例，相對于模型1而言，模型4橫向壓力有效值增加了89.77%，垂向壓力有效值增加了123.44%，縱向壓力有效值增加了104.66%。摩擦系數(shù)對橫向剪切力有效值無影響；縱向剪切力有效值隨橫向止擋摩擦系數(shù)的增加而近似線性增大；垂向剪切力有效值則隨橫向止擋摩擦系數(shù)的增加呈現(xiàn)先增長后趨于平穩(wěn)的規(guī)律。

不同摩擦系數(shù)及不同剛度條件下，車輛通過小半徑曲線過程中，橫向止擋在三個方向形變量的有效值如圖7所示。

從圖7中可以看出，橫向止擋在三個方向上的形變量均隨其剛度的增大而減??；相同模型及相同摩擦系數(shù)條件下，橫向止擋縱向形變量遠(yuǎn)大于垂向行變量；摩擦系數(shù)對橫向形變量無明顯影響；止擋垂向形變量隨摩擦系數(shù)的增加呈現(xiàn)先增長后趨于穩(wěn)定的趨勢，而止擋縱向形變量隨摩擦系數(shù)的增加而顯著增加，以模型1為例，當(dāng)摩擦系數(shù)由0.3增加至0.8時，止擋垂向形變量增加了9.63%，而縱向形變量則增加了81.67%。

4 結(jié)論

（1）地鐵車輛通過小半徑曲線時，橫向止擋參數(shù)會影響到車輛平穩(wěn)性；車輛垂向平穩(wěn)性隨止擋摩擦系數(shù)的增大而明顯增大，受止擋剛度影響不明顯；車輛橫向平穩(wěn)性隨止擋剛度的增大而略有增大，受止擋摩擦系數(shù)的影響不明顯。

（2）車輛通過小半徑曲線時，橫向止擋主要受到橫向壓力作用；橫向止擋各方向上的力均隨止擋剛度的增大而增大；橫向壓力有效值受摩擦系數(shù)影響不明顯，縱向剪切力有效值隨摩擦系數(shù)增大而近似線性增大，垂向剪切力有效值隨摩擦系數(shù)增大呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的規(guī)律。

（3）止擋橫向形變量主要受止擋剛度影響，受摩擦系數(shù)影響不明顯；縱向行變量主要受止擋摩擦系數(shù)影響，受止擋剛度影響較小；止擋垂向形變量遠(yuǎn)小于縱向形變量。

（4）減小橫向止擋摩擦系數(shù)，可以改善車輛通過小半徑曲線時的垂向平穩(wěn)性，同時顯著減小橫向止擋的縱向形變量。

參考文獻(xiàn)

[1]王偉曉，丁智平，王進(jìn)等.軌道車輛用橫向止擋橡膠材料的斷裂特性[J].橡膠工業(yè)，2009，56（6）：341345.

[2]劉建新，王開云，封全保.機(jī)車車輛二系橫向止擋結(jié)構(gòu)參數(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2008，43（4）：469472.

[3]TANG Yang，LUO Shihui，LI Yan，et al.Effect of Lateral Stop Parameters on Vehicle Dynamics Performance[C].Third International Conference on Transportation Engineering，Chengdu，China，2011.

[4]劉建新，王開云，封全保.機(jī)車車輛二系橫向止擋動力學(xué)模型[J].交通運輸工程學(xué)報，2007，7（5）：1214.

[5]何燕.橡膠橫向止擋結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)械強(qiáng)度，2010，32（3）：513516.

[6]曾晶晶，李偉，卜繼玲等.某型橫向橡膠止擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].計算機(jī)輔助工程，2013，22（2）：356359.