鐵路貨車閘瓦上下偏磨機(jī)理研究

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.

[4]劉小利. DF_4型機(jī)車閘瓦偏磨的原因及改善措施[J]. 鐵道機(jī)車車輛, 2006(5):54- 70.

[5]田艷君. ND_5型機(jī)車閘瓦偏磨的原因及解決措施[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 2006(6):43- 48.

[6]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.

[7]LU BIHONG, CHEN XIAOYUAN, QU BAOZHANG, et al. 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.