摩擦力對(duì)裝甲車(chē)輛鐵路沖擊穩(wěn)定性影響研究

錢(qián)潤(rùn)華，陶治

（100072 北京市 陸軍裝甲兵學(xué)院）

0 引言

裝甲車(chē)輛鐵路運(yùn)輸中裝載加固問(wèn)題是運(yùn)輸安全性的重要問(wèn)題。運(yùn)輸中，由于自然環(huán)境、線(xiàn)路不平度、運(yùn)行工況等因素的影響，裝甲車(chē)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(guó)學(xué)者對(duì)這一類(lèi)貨物鐵路運(yùn)輸裝載研究可以概括為以下3 個(gè)方面：一是鐵路裝載貨物縱向慣性力研究。如陳世勇[1]對(duì)27 T 軸重貨車(chē)，在不同沖擊速度、緩沖器類(lèi)型、重車(chē)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(lèi)型、重車(chē)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(duì)影響貨物縱向慣性力的調(diào)車(chē)連掛速度、貨車(chē)自重、裝載重量和緩沖器類(lèi)型4 個(gè)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(duì)履帶式裝備平車(chē)輸送縱、橫向穩(wěn)定性計(jì)算分析，確定了拉牽加固最優(yōu)系固點(diǎn)；黃永剛[4]研究了重型車(chē)輛鐵路運(yùn)輸裝載加固方案設(shè)計(jì)和計(jì)算。三是裝載加固方案評(píng)價(jià)研究。如常青[5]對(duì)超限貨物運(yùn)輸安全影響因素和安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究；徐珊珊[6]對(duì)貨物裝載加固方案評(píng)價(jià)研究，并進(jìn)行運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析決定貨物運(yùn)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(píng)價(jià)方法，為科學(xué)制定裝載加固方案提供依據(jù)。

上述對(duì)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(méi)有進(jìn)行過(guò)定量研究。一方面由于民用貨物鐵路運(yùn)輸基本不存在超限問(wèn)題，所以加固力可以滿(mǎn)足裝載加固要求。另一方面鐵路平車(chē)地板為國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，摩擦系數(shù)基本保持不變。但是裝甲車(chē)輛鐵路運(yùn)輸不同，為了解決裝備超限問(wèn)題，提升運(yùn)輸速度和效率，在鐵路平車(chē)上加裝了一種裝置，可以使得裝甲車(chē)輛鐵路運(yùn)輸不超限。在此基礎(chǔ)上通過(guò)改變裝置和裝甲車(chē)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(jiǎn)稱(chēng)表面材料）。分析研究摩擦力對(duì)裝甲車(chē)輛鐵路沖擊穩(wěn)定性的影響對(duì)于運(yùn)輸安全性具有重要意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，以某型裝甲車(chē)輛為例，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)ADAMS 建立鐵路連掛沖擊仿真模型，分析摩擦參數(shù)對(duì)裝甲車(chē)輛縱向滑移距離的影響，為研究裝甲車(chē)輛鐵路沖擊縱向穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 裝甲車(chē)輛履帶與表面材料摩擦力實(shí)驗(yàn)

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

1.1 摩擦力產(chǎn)生機(jī)理研究

履帶與相對(duì)較軟的表面材料接觸時(shí)，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(shí)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(duì)滑動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(diǎn)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(shí)，犁溝效應(yīng)可忽略。

當(dāng)履帶與表面材料為滑動(dòng)摩擦?xí)r，實(shí)際接觸面積和接觸點(diǎn)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(shí)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(dòng)態(tài)載荷，動(dòng)態(tài)載荷通過(guò)改變實(shí)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(duì)滑動(dòng)速度，滑動(dòng)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(cè)試實(shí)驗(yàn)

通過(guò)履帶—表面材料摩阻力試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)臺(tái)示意圖如圖1 所示。

圖1 履帶—表面材料摩阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Track-surface material friction test bench

經(jīng)過(guò)履帶接觸面材料摩阻性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控?cái)?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(xiàn)，如圖2 所示。

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

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

2 裝甲車(chē)輛鐵路沖擊動(dòng)力學(xué)模型的建立

裝甲車(chē)輛鐵路沖擊動(dòng)力學(xué)模型包括沖擊車(chē)、被沖擊車(chē)和裝甲車(chē)輛3 個(gè)部分。沖擊速度選擇3，5，8 km/h。ADAMS 軟件自動(dòng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模型中的部件、約束和作用力，對(duì)每個(gè)部件建立運(yùn)動(dòng)微分方程。首先在SolidWorks 中繪制沖擊車(chē)、被沖擊車(chē)和裝甲車(chē)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(chē)輛模型建立

裝甲車(chē)輛裝載運(yùn)輸過(guò)程中主動(dòng)輪處于抱死狀態(tài)，所以只能在鐵路平車(chē)上平動(dòng)。將炮塔和車(chē)體視為一個(gè)整體，懸掛系統(tǒng)主要是與平衡肘連接的扭力軸，在車(chē)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(chē)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(chē)輛模型Fig.4 Armored vehicle model

2.2 沖擊車(chē)、被沖擊車(chē)模型

沖擊車(chē)為C70 型敞車(chē)，被沖擊車(chē)為NX70 型平車(chē)，兩種車(chē)均采用K6 轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架固定在車(chē)體前后兩側(cè)，轉(zhuǎn)向架的搖枕與車(chē)體通過(guò)固定副連接。左右側(cè)架與搖枕之間通過(guò)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(gè)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(chē)鉤緩沖裝置模型

車(chē)鉤緩沖裝置在連掛沖擊中對(duì)裝載裝備縱向慣性力影響很大，緩沖器的阻抗特性是車(chē)鉤緩沖裝置動(dòng)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(duì)裝甲車(chē)輛鐵路運(yùn)輸采用的MT-2 型緩沖器阻抗特性進(jìn)行分析。依據(jù)中車(chē)二七車(chē)輛有限公司得到MT-2 型緩沖器測(cè)試數(shù)據(jù)，將緩沖器特性曲線(xiàn)復(fù)雜非線(xiàn)性特征通過(guò)分段線(xiàn)性化方法簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的車(chē)鉤力—緩沖器行程曲線(xiàn)如圖7 所示。

圖7 車(chē)鉤力—緩沖器行程曲線(xiàn)圖Fig.7 Coupler force-buffer stroke diagram

在沖擊車(chē)和被沖擊車(chē)兩個(gè)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(shí)，選擇spline 曲線(xiàn)，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(yàn)值。

2.4 摩擦力的設(shè)置

在履帶和平車(chē)接觸表面設(shè)置摩擦系數(shù)。ADAMS 中摩擦系數(shù)采用庫(kù)倫摩擦模型，輸入靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)，最大靜摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑移速度為Vs，滑動(dòng)摩擦對(duì)應(yīng)的滑移速度為Vd，在滑移速度Vs和Vd之間時(shí)，處于過(guò)渡階段。按照實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chē)輛鐵路沖擊實(shí)際工況，利用ADAMS 對(duì)沖擊速度為3，5，8 km/h 的連掛沖擊工況進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。連掛沖擊中，裝甲車(chē)輛在鐵路平車(chē)上不采用加固措施，僅通過(guò)更換不同的材料改變摩擦系數(shù)的方式，仿真計(jì)算摩擦系數(shù)對(duì)裝甲車(chē)輛縱向滑移量的影響。計(jì)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)Fig.10 8 km/h impact velocity slip amount-friction coefficient curve

裝甲車(chē)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(xiàn)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(chē)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(chē)輛鐵路裝載的縱向穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)沖擊速度為3 km/h 時(shí)，最大靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的增加對(duì)最大滑移量影響較小。當(dāng)沖擊速度為8 km/h 時(shí)，最大靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的增加對(duì)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(duì)最大滑移距離減小的效果越明顯。

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