鐵路貨車閘瓦上下偏磨機理研究

孫可心,盧碧紅,朱建寧,曲寶章

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

鐵路貨車基礎制動裝置是傳遞和放大制動動力并產生制動力的部分[1].閘瓦是制動力傳遞終端，閘瓦性能直接影響列車制動性能. 鐵路貨車運用中，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擔，而且會導致閘瓦不能與輪箍踏面正常接觸而危及行車安全. 閘瓦上下偏磨是發生在列車運行中動態、復雜的接觸力學與摩擦學問題，基于目前技術水平難以在列車實際運行中觀測閘瓦偏磨過程. 因此，目前在閘瓦上下偏磨形成過程的研究方面，相關研究人員大多采用經驗法在閘瓦前端機構中探究影響閘瓦空間姿態的因素，進而定性地討論各因素對閘瓦上下偏磨的影響[3- 5]. 此類研究方法僅探究導致閘瓦上下偏磨的間接原因，未從理論角度對閘瓦上下偏磨的直接原因進行精確、定量分析.

本文運用解析法推導出閘瓦上下端壓力比與閘瓦上下端磨耗量的關系，從動力學、摩擦學角度分析閘瓦上下偏磨形成過程，并結合新一代多體動力學軟件RecurDyn對轉向架基礎制動裝置進行多體動力學仿真驗證，采用解析法與仿真實驗結合的方法來研究閘瓦上下偏磨形成過程.

1 閘瓦制動瞬時受力模型

1.1 閘瓦制動三階段

閘瓦上下偏磨程度可以用閘瓦上下端磨耗量差值的絕對值大小來衡量，絕對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間內閘瓦磨耗量. 當閘瓦上下端初始厚度相等時，閘瓦上下端磨耗量不等的直接原因為閘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. 因此，研究閘瓦上下偏磨問題首先必須抽象出閘瓦制動單元瞬時受力模型，之后再運用解析法求解出閘瓦上下端壓力比，進而探究壓力、磨耗速率、磨耗量之間的動態關系.

已經存在一定上下磨耗量的閘瓦其制動過程可分為三個階段：閘瓦靠近車輪階段、閘瓦調整姿態階段(發生角度偏轉階段)、閘瓦抱緊車輪階段，如圖1所示.

圖1 閘瓦制動過程示意圖

閘瓦靠近車輪階段：閘瓦沿著滑槽平動，直至閘瓦較長端前端點D與車輪接觸；閘瓦調整姿態階段：閘瓦以較長端前端點D為中心旋轉(旋轉角度受滑槽的制約)，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，不再發生相對位移，且制動力逐漸增大到某一值后保持不變.

1.2 制動單元瞬時受力模型

閘瓦磨耗主要發生在閘瓦抱緊車輪階段，故對此階段閘瓦制動單元進行合理簡化與力學分析. 分析前作以下假設：

(1)閘瓦與車輪均視為剛體，不發生形變，且在制動穩態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接觸；

(3)車輪對閘瓦的分布壓力等效為作用于閘瓦上、下兩端的集中力；

(4)受力分析時，不計滑槽對滑塊的摩擦阻力及制動單元自身重力；

(5)當閘瓦上端磨耗量大于下磨耗量時，閘瓦下端點先與車輪接觸，且假設此時下端接觸點與未偏磨時下端接觸點相同；當閘瓦上端磨耗量小于下磨耗量時，閘瓦上端點先與車輪接觸，且假設此時上端接觸點與未偏磨時上端接觸點相同.

在閘瓦運用過程中某一瞬時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.故假設任意時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，閘瓦上下端壓力分布情況. 對于列車任一轉向架，閘瓦制動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.現針對δ1>δ2且上端為旋入端情況進行研究，其受力模型如圖2所示.

圖2 閘瓦制動單元瞬時受力模型

圖中P為滑塊質心；O為車輪旋轉中心；A、B為閘瓦上、下端后端點；C、D為閘瓦上、下端前端點；α1為OC連線與水平面夾角；α2為OD連線與滑槽夾角；ε為閘瓦旋轉角；β為滑槽傾角；N1、N2為車輪對閘瓦上、下端的正壓力，作用點分別為C、D；F1、F2為車輪對閘瓦上、下端的摩擦力，作用點分別為C、D；N為滑槽對滑塊的支反力，作用點為P；F為制動梁所受制動力，作用點為Q；PM為N1對P點取矩的力臂長；PN為N2對P點取矩的力臂長；CE為閘瓦上下端垂直距離.

對于此型轉向架：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；滑塊質心到閘瓦上、下端后端點距離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；OD連線與滑槽夾α2=25°；閘瓦旋轉角ε為一變量，其值為閘瓦上下磨耗量δ1、δ2的函數；制動梁所受制動F=23 755 N.

1.3 閘瓦瞬時受力分析

根據圖2所示閘瓦單元瞬時受力模型，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的力臂長度，其值均為閘瓦上下磨耗量δ1、δ2的函數. 其函數關系如下：

函數中PC、PD、∠ACP、∠BDP、α1、ε又均為閘瓦上下磨耗量δ1、δ2的函數，其函數關系由余弦定理即可求得.

1.4 閘瓦瞬時受力方程求解結果及分析

聯立上述方程(1)～(10)，可解得N1/N2與δ1、δ2關系，由于是隱函數不便表達，這里采用數值法，利用MATLAB畫N1/N2=f(δ1,δ2)關系曲線如圖3所示.

圖3 δ1>δ2(上端旋入)時，N1/N2=f(δ1,δ2)圖像

由圖3可知，對于δ1>δ2且上端為旋入端情況，閘瓦上下端瞬時壓力比受閘瓦上下端磨耗量影響. 當上端磨耗量不變時，閘瓦上下端壓力比隨下端磨耗量增大而減小；當下端磨耗量不變時，閘瓦上下端壓力比隨上端磨耗量增大而增大.

對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數值計算結果如下：當δ1>δ2且下端為旋入端時，N1/N2取值范圍為0.82～1.04；當δ1<δ2且上端為旋入端時，N1/N2取值范圍為1.15～1.21；當δ1<δ2且下端為旋入端時，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系為瞬時關系. 而閘瓦上下偏磨為動態的過程，故結合瞬時關系探究閘瓦上下偏磨的形成過程.

任意一節列車工作狀態分為去程、回程兩種工況. 以二位端轉向架為例，將車輛向固定杠桿方向行駛定義為去程；將車輛向游動杠桿方向行駛定義為回程. 對于同一閘瓦而言，去程、回程時車輪旋入端不同，如表1所示.

表1 二位端轉向架去程回程各位閘瓦旋入端情況

2.2 去程時閘瓦偏磨形成過程

當車輛去程時，7、8位閘瓦上端為旋入端，此時N1/N2取值范圍為1.15～1.46. 初始時閘瓦上下端磨耗量δ1=δ2=0，由圖3知此時N1/N2=1.22，即N1>N2. 由于閘瓦磨耗速率與閘瓦壓力呈正相關關系，則此時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δ1>δ2的情況.

結合圖3數據可知，當δ1>δ2時，N1/N2的值將比上下端磨耗量相等時更大，即上端磨耗速率將更大，這將導致偏磨中期︱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重.

2.3 回程時閘瓦偏磨形成過程

當車輛回程時，7、8位閘瓦下端為旋入端，此時N1/N2取值范圍為0.82～1.04. 當上偏磨量為24～25 mm時，呈現N1=N2情況. 在去程終態已呈現上偏磨現象，但上下磨耗量具體數值由實際中去程里程數及其他因素綜合決定，故需分情況討論：

(1)去程終態上端磨耗量未達24～25 mm

此時，由MATLAB數值計算結果可知回程時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)去程終態上端磨耗量已達24～25 mm

由MATLAB數值計算結果可知回程時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 延長閘瓦使用壽命的措施

對于閘瓦檢修及維護而言，當閘瓦一端厚度余量小于14 mm時，則需更換閘瓦. 因此，應使閘瓦兩端磨耗盡量均勻. 對比2.3中的情況(1)、(2)，應盡量使情況(1)發生. 則去程上端磨耗接近24 mm時，列車需反向行駛. 由于列車行進方向不能隨意改變，故此方案不可行. 故考慮另一種方案：當上偏磨達一定程度時，將閘瓦上下端對調.

對調后應結合δ1<δ2且上端為旋入端工況數據分析. 此時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. 故建議當車輛檢修后發現7、8位閘瓦一端磨耗量達到(46.63-14)/2≈16 mm時，將閘瓦上下對調，以延長閘瓦使用壽命.

由于5、6位閘瓦與7、8位閘瓦在空間上具有對稱性，故其上下偏磨形成過程與7、8位閘瓦偏磨過程規律一致. 同樣地，為延長閘瓦使用壽命，當車輛檢修后發現5、6位閘瓦一端磨耗量達到16 mm時，即可將閘瓦上下對調.

3 閘瓦偏磨仿真實驗驗證

3.1 實驗方案設計

本文通過研究閘瓦上下端壓力比與上下端磨耗量關系研究閘瓦上下偏磨形成過程. 仿真實驗時通過改變閘瓦三維模型幾何外形模擬現實中閘瓦上下端磨耗量，通過提取閘瓦上下端的壓力評價該磨耗量時閘瓦上下端磨耗速率. 轉向架單程運行時，同時存在兩種工況. 對于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進行閘瓦制動虛擬仿真實驗,仿真實驗合計9組.

3.2 轉向架基礎制動裝置建模

作為一個多剛體系統，貨車基礎制動裝置各剛體零部件運動通過約束和接觸碰撞實現[6]. RecurDyn作為一款采用完全遞歸算法和相對坐標系運動方程理論的新一代多體系統動力學仿真軟件，求解大規模多體系統動力學問題非常便捷精確[7]. 對于模型處理，首先，將Creo環境下的基礎制動裝置原始三維模型以STEP格式文件導入RecurDyn中，在不影響機構正常運動前提下，對基礎制動裝置模型進行合理簡化與合并. 然后，為實現基礎制動裝置各零件之間運動關聯性，需要在各零件之間添加約束關系. 最后，添加載荷，制動力施加于制動杠桿中間銷孔處，取恒值F=47 354 N.

3.3 實驗結果分析

仿真實驗結果如表2所示.

表2 轉向架7、8位閘瓦上下端壓力 N

仿真結果分析：

(1)同一制動梁上的兩閘瓦壓力分布情況基本相同，當δ1>δ2且閘瓦上端為旋入端時，同一閘瓦上端點壓力均大于下端點壓力，與解析法中在該工況下一直呈現上偏磨現象一致；

(2)當閘瓦上偏磨量δ1不變時，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一致；當閘瓦下偏磨量δ2不變時，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重程度越來越大一致.

4 結論

(1)通過對制動單元受力分析可知，制動力作用方式及閘瓦初始姿態導致閘瓦的初期偏磨；

(2)磨耗初期閘瓦上下端磨耗量不等導致閘瓦上下端磨耗速率不等，進而導致磨耗中期上下端磨耗量差值增大，最終呈現閘瓦一端偏磨嚴重現象；

(3)閘瓦上下偏磨程度受去程回程里程數之比影響，具體磨耗情況需結合現場實際運用情況討論；

(4)當車輛檢修后發現閘瓦一端磨耗量為16 mm時，建議將閘瓦上下對調，以延長閘瓦使用壽命；

(5)貨車基礎制動裝置仿真實驗數據與解析法求解結果一致.

[1]饒忠, 彭俊彬. 列車制動[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2010：16- 19.

[2]周磊, 陳雷. 鐵路貨車主要結構與使用[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2011：182- 183.

[3]王剛強. GK_(1C)型機車閘瓦偏磨的原因分析及處理[J]. 鐵道機車與動車, 2015，492(2):45- 46.

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

[5]田艷君. ND_5型機車閘瓦偏磨的原因及解決措施[J]. 內燃機車, 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.