铁路货车闸瓦偏磨改善与仿真实验研究

卢碧红,刘金龙,曲宝章,朱建宁

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*



铁路货车闸瓦偏磨改善与仿真实验研究

卢碧红,刘金龙,曲宝章,朱建宁

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)*

为提高铁路运输的安全与效率，以货运列车制动闸瓦上下端的压力分布来评价闸瓦磨耗程度，提出可行的改善措施. 首先，对闸瓦制动单元的力学模型进行理论分析，发现对称性结构设计是闸瓦偏磨的主要原因. 然后，将闸瓦组件设计成非对称结构，使其作用面上的压力重新分布，达到改善偏磨的效果. 最后，在RecurDyn多体动力学软件环境中构建制动系统的刚柔耦合动力学模型，通过仿真实验，对比分析改善前后制动闸瓦上下端的应力分布. 闸瓦制动单元的理论分析表明，当非对称闸瓦的偏心距取27 mm时，理论上闸瓦上下端压力比由1.19降为1.00.仿真结果也说明，对称性闸瓦上下端压力分布很不均匀，改进设计后的非对称闸瓦，其偏磨得以明显改善. 研究成果为铁路货车制动系统的性能改进提供理论依据及技术支持.

制动闸瓦；偏磨改善；仿真实验；货车制动

0　引言

高摩擦系数合成材料闸瓦是铁道车辆制动系统的重要组成部分，也是最终施加制动力的执行件. 该型闸瓦应用广泛，具有耐磨性能好，摩擦系数高且制动可靠的特点[1]. 但在实际应用中却发现，在重载货物运输中此合成闸瓦的偏磨(上下不均等磨耗)现象较为普遍，上下磨耗量之差甚至能达到20 mm. 分析闸瓦偏磨的影响因素并提出改善措施，对提高铁路货车的制动性能具有重要的意义. 研究闸瓦性能首要考虑的是转向架制动装置的组成，其结构通常由前后组合式制动梁、滑块、闸瓦、固定杠杆、游动杠杆、中拉杆和固定杠杆支点等部件构成，如图1所示. 闸瓦磨损是多种因素综合作用的结果，现有的研究主要集中在材料方面，指出金属镶嵌现象以及闸瓦摩擦材料的性能都对闸瓦磨损有很大影响[2]，但关于闸瓦自身结构对偏磨的影响研究甚少. 前苏联研究者曾指出，在单向摩擦情况下依靠选择合适的偏心距可以减少闸瓦磨耗的不均匀性[3]. 因此，从闸瓦结构的角度来考虑磨耗问题显得尤为必要.

本文通过对闸瓦受力模型进行理论分析，探究影响闸瓦偏磨的设计参数，从而改进闸瓦结构. 此外，在多体动力学软件RecurDyn的有限元柔性体FFlex模块下，对制动系统进行刚柔耦合动力学仿真，分析改进前后制动闸瓦上、下端的压力分布，模拟出闸瓦偏磨的改善效果.

图1　转向架基础制动装置组成

1　闸瓦制动单元受力分析

货车制动时，从制动缸输出的力经由车体下的制动杠杆、上拉杆以及转向架上的制动杠杆，将制动梁连同闸瓦贴靠车轮，产生轮瓦接触压力，阻碍车轮运转，从而实现列车调速[4]. 闸瓦磨耗是由于所受到的摩擦力造成的. 因此，考虑偏磨问题应从闸瓦制动单元的受力分析入手，以制动闸瓦上下端分布的正压力为评价指标. 分析前需做以下假设：

(1)车轮与闸瓦均可视为刚体，不产生变形，且制动稳态下二者弧面完全贴合；

(2)滑块简化为单一支撑点；

(3)轮瓦之间的正压力等效为作用于闸瓦上、下两端的集中力；

(4)受力分析时，不计制动梁的重力以及滑槽与滑块之间的摩擦力.

闸瓦制动单元包括闸瓦、闸瓦托、滑块以及制动梁. 列车制动时，闸瓦制动单元沿转向架侧架内的滑槽向上移动并贴近车轮踏面. 闸瓦结构相对于该移动线上下对称布局的闸瓦定义为对称性闸瓦，已有的制动闸瓦大多是这种结构类型. 轮瓦处于完全接触时，闸瓦作用面上的正压力相对稳定，便于问题的研究. 因此，取轮瓦制动稳态、车轮顺时针运转的工况作为抽象闸瓦单元的受力模型，如图2所示，图中，A、B为闸瓦作用面上、下端点；G为滑块的质心；α1、α2为闸瓦上、下作用面对应圆心角；β为滑槽倾斜角度； N1、N2为闸瓦上下端的正压力；F1、F2为闸瓦上下端的摩擦力；F为制动梁传递的制动力，作用于E点；N为滑槽对滑块的支反力，作用于支撑点C.

图2　闸瓦单元受力模型

对此型转向架制动系统：制动力F=35.4 kN，滑槽倾角β=11°，轮瓦间的动摩擦因数μ=0.27，车轮半径r=420 mm，L=OC=550 mm，p=CG=10 mm，闸瓦弧的全长s=360 mm. 对于此对称性结构的闸瓦，α1=α2=α=s/(2r)=24.5°.

根据图2的受力模型对闸瓦制动单元进行分析，再由力与力矩的平衡原则列出以下方程：

(4)

(5)

求解可得：

N1=20.542kN，N2=17.230kN，N=14.667kN.

对计算结果进行分析可知：

按当前的设计参数：α=24.5°，β=11°，μ=0.27，闸瓦上端与下端集中压力的比值为N1/N2=1.192.由此可见，闸瓦制动单元的对称性结构设计造成其上、下端压力不均等，最终导致闸瓦上下磨耗不均，这与运行现场货车制动时出现的闸瓦偏磨现象相一致.

2　闸瓦偏磨的改善方案

制动闸瓦的不均匀磨耗将严重影响列车的制动性能，危及行车安全. 为定量地分析问题，可把闸瓦上下端压力N1、N2近似相等作为均匀性磨耗的评价指标. 因此，应从闸瓦受力的角度找出影响正压力N1、N2相对大小的设计参数，从而对各参数进行优化. 选择偏心距的具体做法就是将闸瓦做成非对称性结构，可以减少闸瓦磨耗的不均匀性. 由前面假设可知，滑块被简化为单一支撑点后，制动力的作用线与该点距离极小，可忽略此影响因素. 再由方程(3)～(5)可得出一个N1/N2的参数表达式：

(6)

其中：k=r/L，为定值.

假定闸瓦作用面的总长度保持不变，重新优化设计参数，以便对闸瓦外形结构进行改进. 闸瓦制动单元的受力情况仍为图2中所示. 若α1=α2，即闸瓦为对称性结构设计时，其端部正压力N1>N2，偏磨程度较严重. 可将闸瓦进行非对称性结构设计：α1≠α2，且α2=49°-α1. 设闸瓦上下端压力比fX=N1/N2，由式(6)可得出对目标函数fX的影响因子有以下设计参数：α1、μ，可表示为fX=f(α1,μ). 讨论式(6)，从改变参数α1、μ入手，可达到N1/N2=1的效果.

由当前设计参数可得：k=r/L=0.76，μ=0.27，α2=49°-α1. 将其代入式 (6)中，化简后可得：

(7)

在此条件下处理后fX=f(α1)，N1/N2只与闸瓦上作用面所对应的圆心角α1有关. 根据表达式(7)，在MATLAB软件的图形环境中可作出fX-α1函数关系的图像，如图3所示.

图3　压力比与闸瓦角度的关系

从图3可看出，在α1<5°范围取值时，压力比fX较大，则正压力N1与N2相差很大；在α1>35°范围取值时，压力比fX趋于零，仍达不到压力均匀分配的效果. 通过进一步的插值计算得，当正压力N1近似等于N2时，α1=28°，α2=21°. 在此设计方案下，闸瓦上、下两端的压力分布不均匀性得到缓解，从而可有效改善闸瓦偏磨的现象. 从理论上看，将闸瓦进行非对称性结构设计对改善偏磨来说是行之有效的. 改进前后的闸瓦结构形态如图4所示. 其中x-x为移动路径线，P为闸瓦质心，ε为偏心距. 当α1=28°时，此非对称结构的闸瓦存在偏心距ε=27 mm.

(a)对称性闸瓦 (b)非对称性闸瓦

图4改进前后闸瓦结构形态图

3　闸瓦偏磨改善的仿真分析

货车基础制动装置作为一个多刚体系统，各部件间的连接关系比较复杂，却具有共同的规律：运动和力的传递是通过约束和接触实现的[5]. 运用多体动力学分析方法，可使系统模型更符合实际的运动和受力. RecurDyn(Recursive Dynamic)是一款基于相对坐标系运动和完全递归算法理论的多体动力学仿真软件，求解速度快、计算效率高[6]. 以下采用RecurDyn的刚柔耦合多体系统仿真技术来研究闸瓦偏磨及改善效果的问题.

3.1仿真实验方案的设计

为研究闸瓦偏磨的影响，可采用闸瓦上、下端的应力分布情况来评价其磨耗. 比较改进前后的磨耗情况，需要做两组对比仿真实验. 实验一中选用的是原始的对称性闸瓦，实验二中选用的是结构改进后的非对称性闸瓦. 可把闸瓦上、下端微小单元做有限元自动网格化处理，以便观察上下端的应力分布，从而确定磨耗状况.

3.2多体动力学模型的构建

制动系统多体模型的构建是仿真实验得以顺利进行的前提与保障，其技术路线为：创建多体模型，模型的预处理(包括简化、合并及修改)，添加约束以及驱动载荷.

刚柔耦合多体模型的构建可分为纯刚体以及有限元柔体两部分操作. 利用Pro/E软件建立制动系统各零件的刚体模型，进行无干涉条件的装配. 再以STEP格式将模型导入RecurDyn环境中，实现数据的交换. 考虑到在制动时轮瓦间存在接触碰撞，为精确分析，制动闸瓦需做柔性化处理. 在有限元FFlex模块下，对闸瓦自动网格划分并设置弹性模量、泊松比、密度等参数；创建主、从节点及FDR单元以便连接刚体和柔体. 最后，在闸瓦上下微小作用面上选取Path片集，用于压力云图的显示.

为实现各构件间的关联性，需添加运动副及各种接触关系等约束. 例如应给轮对添加转动副，并设置角速度驱动(初始速度30 r/s)；在车轮踏面与闸瓦上、下微小单元加上刚柔面接触等，具体的约束设置见表1.

此外，采用载荷控制函数可以更真实地模拟制动力的施加过程，如阶跃响应函数STEP就可设置系统参量从零光滑地递增到指定值的驱动. 在此动力学模型中，用STEP函数表示在游动杠杆处输入的制动力的大小. 施加的制动力可等效为分别在X、Y、Z方向上定义的函数表达式，表示如下：

FX：STEP(TIME,0,0,3,15650)；

FY：STEP(TIME,0,0,3,-3022)；

FZ：STEP(TIME,0,0,3,-4164).

表1　约束及其参数设置

3.3仿真结果及分析

通过对两组实验中的刚柔耦合多体动力学模型的仿真结果进行对比分析，得出了制动系统各闸瓦上、下端微小单元的应力分布情况. 如图5所示为实验一中各闸瓦端部的应力分布：图(a)、(b)为前制动梁上的两个闸瓦上、下端的应力分布规律；图(c)、(d)为后制动梁上的两个闸瓦上、下端的应力分布规律. 对于实验二中结构改进后的闸瓦，各闸瓦作用面上、下端应力分布情况如图6所示.

(a)(b)(c) (d)

图5原始的对称性闸瓦受力分布云图

(a)(b)(c) (d)

图6改进的非对称闸瓦受力分布云图

仿真实验结果表明：

(1)实验一中，同一制动梁上的闸瓦上、下端的应力分布规律相同：对于前闸瓦单元，下端应力值的大小远大于上端的值(图5(a)、(b))；对于后闸瓦单元，上端应力值的大小远大于下端的值(图5(c)、(d)). 造成此差异的原因是闸瓦与前后车轮的相对运动情况不同;

(2)实验一中各闸瓦上、下端应力大小分布差别都很大，上下端磨耗的严重程度必然不同，这与前面理论分析的结果相吻合;

(3)实验二中，闸瓦上、下端应力分布情况基本相同(图6各图所示)，说明通过改变闸瓦结构，闸瓦作用面上的压力得以重新分布，有利于改善偏磨状况.

4　结论

(1)通过分析闸瓦制动单元可得：轮瓦制动时，闸瓦上、下端压力分布不均匀；

(2)闸瓦上下端存在压力差是由其自身的结构参数造成的，从而得出对称性结构设计是闸瓦偏磨的主要原因；

(3)将闸瓦进行非对称性结构设计，当闸瓦上、下作用面对应的圆心角α1=28°，α2=21°时，即存在偏心距ε=27mm. 闸瓦上、下端压力比由1.19变为理论上的1.00，偏磨状况得到改善；

(4)通过对比仿真实验知，改变闸瓦结构，上下压力得以均匀分布，这也验证了此改进措施的可行性.

[1]裴顶峰，张国文，党佳,等.我国高摩擦系数合成闸瓦的性能研究[J].工程塑料应用，2011，39(8)：48- 51.

[2]张定权，李丹丹，李晓波.高摩合成闸瓦的龟裂和金属镶嵌物产生机理的研究[J].机车电传动，2011(2)：34- 36.

[3]А.И.Колесниченко，邱贵芳.制动闸瓦上、下偏磨的研究[J].国外铁道车辆，1985(2)：30- 33.

[4]饶忠，彭俊彬. 列车制动[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[5]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.

[6]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.

Research on Eccentric Wear Improvement and Simulation Experiment of Brake Shoe in Railway Wagon

LU Bihong,LIU Jinlong,QU Baozhang,ZHU Jianning

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

For improving the safety and efficiency of railway transportation, the pressure distributions of brake shoes on upper and lower ends are employed to evaluate the degree of wear, and then a feasible improvement method is proposed. Firstly, theoretical derivation is performed according to the mechanical model of the brake unit, discovering that the symmetrical structure design is a major cause of eccentric wear. Then, an unsymmetrical brake shoe is presented, which makes the pressures on upper and lower ends redistribute and alleviates the degree of eccentric wear accordingly. Finally, constructing a rigid-flexible coupling dynamic model for the braking system in RecurDyn. Through comparative simulation experiments, the stress distributions on the upper and lower ends of brake shoes is delerminated. Theoretical analysis of the brake shoe unit indicates that when the offset distance is 27 mm, the ratio of pressures declines from 1.19 to 1 ideally. Besides, simulation results also prove that the pressure distribution on the symmetrical brake shoes is quite nonuniform, and the eccentric wear reduces significantly with unsymmetrical structure shoes. The results provide theoretical foundation and technical support for the performance improvement of the braking system.

brake shoe; eccentric wear improvement; simulation experiment; wagon braking

1673- 9590(2016)05- 0051- 05

2016- 06- 23

卢碧红(1961-)，女，教授，博士，主要从事逆向工程以及质量工程方面的研究

E-mail:bhlu@djtu.edu.cn.

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