基于多體動(dòng)力學(xué)的17型車鉤防跳性能研究

孟慶民，韓朝建，金朋迪，郭宏遠(yuǎn)，盧碧紅

(1.中車齊齊哈爾車輛有限公司，遼寧 大連 116041;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

我國(guó)鐵路貨車基本實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)速度120km/h、列車牽引重量5000～10 000 t、重載專用線路開行20 000 t列車、貨車總重提高到 100 t的目標(biāo)［1］.車鉤裝置作為鐵路車輛車端連接裝置重要組成部分，其綜合性能的好壞對(duì)其運(yùn)行的品質(zhì)影響尤深，是制約列車速度和牽引質(zhì)量進(jìn)一步提高的重要因素［2］.

車輛實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)承受隨機(jī)沖擊，其在運(yùn)用過程中的工作條件十分復(fù)雜，當(dāng)列車起動(dòng)、制動(dòng)和緩解時(shí)以及列車通過彎道、坡道等復(fù)雜路況時(shí)在車輛之間會(huì)引起很大的沖擊，有時(shí)這種沖擊力作用可導(dǎo)致車鉤明顯損傷，或?qū)е萝囥^分離，影響鐵路運(yùn)輸返券和效率［3-4］.

大多數(shù)車鉤自動(dòng)分離故障的內(nèi)因是車鉤防跳裝置失效［5］.因此，對(duì)車鉤防跳性能進(jìn)行研究，防止車鉤分離，對(duì)保證鐵路客貨運(yùn)輸秩序、節(jié)約成本、提高鐵路運(yùn)力具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義.

現(xiàn)有研究對(duì)于車鉤可靠性研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)故障調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析，但是上述方法無(wú)法將車輛實(shí)際運(yùn)行中承受的隨機(jī)沖擊進(jìn)行再現(xiàn).本文將車鉤裝置實(shí)際運(yùn)行過程中承受的隨機(jī)沖擊進(jìn)行再現(xiàn)，利用全新一代的多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn，模擬車鉤裝置實(shí)際運(yùn)行中受到?jīng)_擊后鎖鐵的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，求解車鉤裝置防跳可靠性.

1 17車鉤防跳原理

1.1 17型車鉤組成

17型車鉤是我國(guó)鐵路70t級(jí)以上貨車的主型車鉤，17型車鉤連掛間隙為9.5mm，比13系列車鉤減少了52%，可降低列車的縱向沖動(dòng)，改善列車的動(dòng)力學(xué)性能，提高鐵路貨運(yùn)的安全可靠性，延長(zhǎng)車輛使用壽命.

17型車鉤組成如圖1所示:由車鉤鉤體、鉤舌、鉤舌推鐵、鎖鐵、下鎖銷、下鎖銷桿、下鎖銷轉(zhuǎn)軸等主要零部件組成.

圖1 17車鉤組成

17型車鉤具有下鎖銷防跳和下鎖銷桿防跳的兩次防跳功能，同時(shí)加裝了防跳插銷和提鉤桿復(fù)位彈簧，以保證車鉤的防跳性能，預(yù)防列車分離事故的發(fā)生.

1.2 下鎖銷防跳

當(dāng)車鉤在運(yùn)行時(shí)受到振動(dòng)、沖擊的時(shí)候，鎖鐵、下鎖銷向上竄動(dòng)，如圖2(a)所示.當(dāng)下鎖銷向上竄動(dòng)到一定高度的時(shí)候，下鎖銷頂部防跳臺(tái)會(huì)與鉤舌座鎖臺(tái)下方防跳面相碰，限制下鎖銷繼續(xù)上升，同時(shí)將給鎖鐵一個(gè)反向的作用力使鎖鐵不能繼續(xù)上升，鎖鐵受到反向力后落回到鉤舌座鎖臺(tái)面，重新回到了閉鎖位置，從而起到防跳的作用.

圖2 下鎖銷防跳

1.3 下鎖銷桿防跳

車輛運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊使鎖鐵、下鎖銷、下鎖銷桿向上竄動(dòng)，下鎖銷沿鎖鐵掛軸孔上升躲過鉤舌座鎖臺(tái)下方防跳面而失去防跳作用，見圖2(b).此時(shí)下鎖銷桿沿下鎖銷轉(zhuǎn)軸平面向斜上方運(yùn)動(dòng)，由于下鎖銷桿防跳臺(tái)受到鉤體防跳臺(tái)阻擋，使得下鎖銷桿不能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)下鎖銷、鎖鐵不能繼續(xù)上升，鎖鐵在重力的作用下落回到鉤舌座鎖臺(tái)面，起到了防跳的作用，見圖3.

圖3 下鎖銷桿防跳臺(tái)

1.4 防跳插銷與復(fù)位彈簧

17型車鉤除了具有下鎖銷防跳和下鎖銷桿防跳兩次防跳功能以外，還在下鎖銷桿中安裝了防跳插銷，如圖4所示.當(dāng)車鉤在運(yùn)行時(shí)受到振動(dòng)、沖擊的時(shí)候，鎖鐵、下鎖銷桿、下鎖銷會(huì)向上竄動(dòng).當(dāng)下鎖銷桿發(fā)生向上的竄動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，防跳插銷會(huì)與鉤體下鎖腔立壁接觸，進(jìn)而限制其發(fā)生向上竄動(dòng)，起到防跳作用.

圖4 防跳插銷

同時(shí)，17型車鉤的提桿裝置加裝了復(fù)位彈簧，防止運(yùn)行中車鉤提桿過度擺動(dòng)，進(jìn)一步提高了車鉤的防分離可靠性，如圖5所示.

圖5 復(fù)位彈簧

2 Recurdyn仿真平臺(tái)

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué).多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)就是為多個(gè)剛體組成的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)尋找適宜于計(jì)算機(jī)程序求解的數(shù)學(xué)模型，并尋求高效、穩(wěn)定的數(shù)值求解方法［6］.

Recurdyn軟件是韓國(guó)FunctionBay公司基于遞歸算法開發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它采用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，使求解速度更快更穩(wěn)定［7］.

17型車鉤裝置中車鉤鉤體、鎖鐵以及下鎖銷等零部件，其開鎖、閉鎖以及防跳等動(dòng)作過程，均是通過各個(gè)構(gòu)件之間的配合實(shí)現(xiàn)的.Recurdyn包含多種碰撞接觸模塊，非常適用于求解大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題，可為預(yù)測(cè)車鉤裝置的運(yùn)動(dòng)可靠性提供一種新方法［8］.故本文采用Recurdyn軟件實(shí)現(xiàn)多剛體動(dòng)力學(xué)仿真研究機(jī)構(gòu)防跳性能.

3 防跳性能仿真分析

3.1 虛擬樣機(jī)搭建

(1)在三維造型軟件中進(jìn)行裝配幾何建模，再將車鉤裝配模型通過STEP格式將模型導(dǎo)入Recurdyn中，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化(刪除和合并)，以減小計(jì)算量;

(2)根據(jù)零部件相互聯(lián)系，對(duì)各部件進(jìn)行約束、接觸建模，實(shí)現(xiàn)各部件間相對(duì)運(yùn)動(dòng);

(3)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)載荷的施加，創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)函數(shù)以便模擬實(shí)際承受沖擊.由于車輛實(shí)際運(yùn)行中，所受沖擊是通過鉤體傳遞給其他零部件，且承受沖擊時(shí)間極短，故給鉤體施加一個(gè)與加速度方向矢量相同的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為 STEP(TIME，0，0，T，A)，其中T=0.01 s，函數(shù)圖像如圖6所示;最后進(jìn)行仿真條件設(shè)置，由于承受沖擊持續(xù)時(shí)間較短，故將上升后持續(xù)時(shí)間設(shè)為3 s.

圖6 加速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)

3.2 仿真方案設(shè)計(jì)

由于17型車鉤裝置與車體相互之間連接十分復(fù)雜，故在保證17型車鉤裝置的性能基礎(chǔ)上做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，去除鉤尾框等零部件，簡(jiǎn)化后車鉤模型如圖7所示.根據(jù)產(chǎn)品圖樣和車鉤作用原理，鎖鐵垂向上升離開鉤舌座鎖面的位移達(dá)到58mm是發(fā)生車鉤分離的臨界值.本研究只關(guān)注該必要條件，為防止鉤舌與鎖鐵相互作用，建模時(shí)將鉤舌與鉤體固定.

圖7 17車鉤裝置簡(jiǎn)化模型

車鉤裝置運(yùn)動(dòng)性能與車鉤承受隨機(jī)沖擊的加速度方向及大小有關(guān)，隨機(jī)沖擊加速度可分為縱向、垂向及其耦合加速度，故本研究設(shè)計(jì)了三種基本工況的仿真實(shí)驗(yàn)方案.

由于車輛實(shí)際運(yùn)行中，防跳插銷以及復(fù)位彈簧可能會(huì)發(fā)生丟失或失效，故在三種基本工況下還設(shè)置了無(wú)防跳插銷+無(wú)復(fù)位彈簧、無(wú)防跳插銷+有復(fù)位彈簧、有防跳插銷+無(wú)復(fù)位彈簧和有防跳插銷+有復(fù)位彈簧四種工況.因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行中，車鉤裝置零部件會(huì)產(chǎn)生磨耗，故本研究又設(shè)置了磨耗到檢修限度的工況.所有仿真實(shí)驗(yàn)方案如圖8所示.

圖8 仿真方案匯總

3.3 仿真結(jié)果分析與討論

為避免車鉤零部件在仿真過程中發(fā)生干涉等異常情況，按照真實(shí)工況設(shè)置對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)等相關(guān)參數(shù).模仿車輛實(shí)際運(yùn)行中承受沖擊時(shí)間與大小，施加驅(qū)動(dòng)載荷時(shí)，能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)工況，故該仿真結(jié)果可靠性.

縱向、垂向以及二者耦合三種沖擊分別作用下的鎖鐵垂向位移如表1～表4所示.表中，g=9.8 m/s2，第二列是兩位工況編碼，其中第一位代表仿真系統(tǒng)有無(wú)防跳插銷，第二位代表有無(wú)復(fù)位彈簧，0-無(wú)，1-有.

3.3.1 縱向加速度仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

(1)各工況下，鎖鐵上升位移基本呈隨加速度增大而增加的趨勢(shì).

①工況“00”鎖鐵上升位移均小于21 mm，其原因是提桿座鑰匙孔限制提鉤桿擺動(dòng)，但由于鑰匙孔與提鉤桿的間隙，使提鉤桿發(fā)生輕微擺動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)位移;且下鎖銷與鉤舌座鎖面接觸，會(huì)限制下鎖銷繼續(xù)上升.

②工況“01”鎖鐵上升位移均小于15 mm，其原因是復(fù)位彈簧限制提鉤桿擺動(dòng);鑰匙孔也限制提鉤桿擺動(dòng);進(jìn)而限制鎖鐵上升.

③工況“10”鎖鐵上升位移均小于5 mm，由于防跳插銷限制下鎖銷桿轉(zhuǎn)動(dòng);進(jìn)而限制鎖鐵上升.

④工況“11”鎖鐵上升位移均小于5 mm，其原因是復(fù)位彈簧的作用限制提鉤桿擺動(dòng);鑰匙孔也限制提鉤桿擺動(dòng);防跳插銷限制下鎖銷桿轉(zhuǎn)動(dòng)上升;以上原因共同限制鎖鐵上升.

(2)隨著加速度增大，工況“01”鎖鐵上升位移大于等于工況“11”，但上升位移均未達(dá)到開鎖位，說(shuō)明有防跳插銷更可靠;工況“00”鎖鐵上升位移大于等于工況“01”越明顯，但上升位移均未達(dá)到開鎖位，說(shuō)明有復(fù)位彈簧更可靠.

(3)設(shè)計(jì)尺寸鎖鐵上升位移基本都較大于磨耗到限.這是因?yàn)殒i鐵掛鉤軸與下鎖銷軸磨耗后，兩者間隙變大，致使下鎖銷軸不能充分推著鎖鐵上移.此外，轉(zhuǎn)軸直徑磨耗后與鉤體轉(zhuǎn)軸孔之間間隙變大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)后不能與圓柱孔緊密接觸會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，反而導(dǎo)致下鎖銷桿抵到防跳臺(tái)上限制鎖鐵上升位移.

表1 縱向沖擊時(shí)鎖鐵上升位移 mm

3.3.2 垂向加速度仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

(1)各種工況下，鎖鐵上升位移基本呈隨加速度增大而增加的趨勢(shì).

①工況“00”鎖鐵上升位移均小于27mm，其原因是下鎖銷上升與鉤舌下平面接觸，鉤舌限制下鎖銷上升，進(jìn)而下鎖銷限制鎖鐵上升.

②工況“01”、“10”、“11”其鎖鐵上升位移分別小于27、25、26mm，其原因與縱向沖擊下該工況相同.

(2)對(duì)比工況“11”與“01”得到與縱向沖擊同樣的結(jié)果.

(3)對(duì)比工況“01”與“00”得到，同一加速度下，兩種工況鎖鐵上升位移基本相同，且均未達(dá)到開鎖位.

(4)垂向沖擊下，加速度超過1g時(shí)鎖鐵上升量急劇增加，與縱向加速度相比，垂向加速度對(duì)防跳性能影響更大;垂向加速度大于1g后，磨耗到限工況下鎖鐵上升量略大于設(shè)計(jì)尺寸方案的鎖鐵上升量，說(shuō)明磨耗對(duì)防跳性能影響較小.

表2 垂向沖擊時(shí)鎖鐵上升位移 mm

3.3.3 耦合加速度仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

(1)耦合加速度沖擊中設(shè)置了設(shè)計(jì)尺寸與磨耗到限下的實(shí)驗(yàn)，兩種實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置四種基本工況耦合實(shí)驗(yàn):Ax=3、9、21、36 g 與 Ay=0.5、1、1.5、2 g耦合，每種基本工況共計(jì)4×4組實(shí)驗(yàn).

(2)耦合加速度沖擊下設(shè)計(jì)尺寸鎖鐵的最大垂向位移為24 mm，磨耗到限的鎖鐵最大垂向位移為26 mm，均沒有達(dá)到開鎖位，具有很大安全余量，如表3所示.

表3 耦合沖擊鎖鐵上升最大位移 mm

(3)GB/T5599-1985中規(guī)定:“貨車最大振動(dòng)加速度為貨車振動(dòng)強(qiáng)度的極限值，對(duì)于垂向振動(dòng)為0.7 g”;通過查閱相關(guān)報(bào)告和資料，萬(wàn)噸編組列車縱向加速度一般不超過2 g，沖擊連掛時(shí)不超過3 g.以垂向振動(dòng)加速度為1 g、縱向振動(dòng)加速度為3 g的極端耦合工況仿真試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 極端耦合工況鎖鐵上升最大位移 mm

仿真分析結(jié)果表明，17型車鉤防跳裝置在垂向振動(dòng)加速度為1 g、縱向振動(dòng)加速度為3 g的極端耦合工況下的設(shè)計(jì)尺寸與磨耗到限時(shí)的鎖鐵最大上移量為2和5 mm，遠(yuǎn)小于鉤鎖坐入量的閾值58 mm;即使在防跳插銷和復(fù)位彈簧失效的情況下，鎖鐵最大上移量為21 mm，仍遠(yuǎn)小于鉤鎖座入量的閾值.因此，17型車鉤防跳性能可靠，應(yīng)不會(huì)發(fā)生開鎖現(xiàn)象.

4 結(jié)論

(1)縱向、垂向及其耦合加速度沖擊下鎖鐵均未達(dá)到開鎖位，即小于設(shè)計(jì)尺寸下鎖鐵垂向上升位移的58 mm臨界值，故該車鉤裝置防跳性能可靠;

(2)當(dāng)17型車鉤裝置受到?jīng)_擊時(shí)，防跳插銷與復(fù)位彈簧會(huì)首先起到限制鎖鐵上升的作用.即使以上兩種防跳裝置失效，下鎖銷與下鎖銷桿仍具有可靠的防跳作用，限制鎖鐵達(dá)到開鎖位，避免車鉤分離事故的發(fā)生;

(3)基于多體動(dòng)力學(xué)的方法首次從理論和技術(shù)上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鐵路貨車車鉤防跳性能的預(yù)測(cè)研究，為我國(guó)鐵路車輛車鉤設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供了全面的防跳性能信息，有助于提高車輛運(yùn)行可靠性.