動力穩定車穩定裝置剛柔耦合仿真分析

曹芳鳴

(山東濟北黃河浮橋有限公司，山東 濟南 250121)

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動力穩定車穩定裝置剛柔耦合仿真分析

曹芳鳴

(山東濟北黃河浮橋有限公司，山東 濟南 250121)

為探明齒輪的彈性變形對動力穩定裝置動力學性能的影響，把齒輪看作柔性體進行仿真分析。通過對比穩定裝置的剛柔耦合系統與多剛體系統的驅動軸旋轉角速度和輪軌接觸力，來確定齒輪的彈性變形對穩定裝置的動力學特性的影響，得出將齒輪考慮為柔性體時更接近實際工況的結論。比較3個激振頻率時輪軌間接觸力，確定了輪軌接觸力與激振頻率并非正相關。

穩定裝置；齒輪；彈性變形；動力學特性

大型養路機械是新建和維護鐵路線路的中堅力量，為鐵路運輸安全和全面提速提供了保障。動力穩定車是先進的大型養路機械，能夠模擬列車運行時對軌道產生的壓力和振動等綜合設計。穩定裝置是穩定車產生垂直壓力和水平激振力的裝置[1]，能夠使新建或大修后的鐵路道砟重新排列達到密實，并使軌道均勻下沉到預定下沉量，從而提高線路橫向阻力，為列車提速提供保障。

國內穩定裝置在作業過程中出現的主要問題為[2]：箱體底板與枕梁間焊縫出現開裂；滾動軸斷裂；鏈接水平油缸的銷軸出現過度磨損。鑒于上述問題，國內學者只是憑借經驗對箱體的一些結構進行改造，對穩定裝置動力學特性及穩定裝置的優化研究較少。由于穩定裝置作業時激振力較大，本文考慮齒輪工作過程實際工況，對齒輪進行柔性化處理，對比多剛體系統與剛柔耦合系統動力學特性，為穩定裝置的優化及動力學分析提供依據。

1　動力穩定裝置工作原理

動力穩定裝置是模擬列車對軌道的動力作用原理而設計的，其工作原理如圖1所示。

圖1　穩定裝置工作原理

穩定裝置由2只垂直液壓缸、1個激振器、2個夾鉗輪、4只夾鉗液壓缸、2只水平液壓缸和4個行走輪等部分組成。在激振器是將液壓馬達的轉矩轉化為激振力的能量轉換裝置。激振器由主動軸、從動軸、軸承、對稱安裝偏心塊及1對直齒圓柱齒輪組成。激振器工作時，由液壓馬達帶動主動軸旋轉，再通過齒輪傳動驅動從動軸產生水平激振力，調節液壓馬達的轉速可以改變激振器的振動頻率。

2　動力穩定裝置的建模及參數設置

2.1動力穩定裝置建模

在三維軟件UG中建立穩定裝置簡化模型，將模型導入ADAMS軟件中，通過ADAMS仿真平臺對穩定裝置作業狀況進行模擬分析。考慮實際工作狀態下齒輪間嚙合過程的彈性變形[3]，將齒輪考慮為柔性體，通過在ANSYS軟件中生成齒輪柔性體文件[4]，再將中性文件導入ADAMS軟件中。在ADAMS軟件中添加相應運動副[5]，齒輪間定義碰撞接觸，液壓模型簡化為集中力，在驅動軸上添加驅動角速度，使用函數step(time，0,0,0.01,12600d)+ step(time，0.01,0,0.5,0)，使得驅動軸在0.01 s內平緩作用，然后勻速轉動。

2.2 齒輪間接觸參數計算

仿真過程的重點是碰撞力參數確定，接觸剛度、非線性指數、阻尼系數、最大阻尼時擊穿深度、接觸面靜態及動態摩擦因數等參數。ADAMS軟件中基于Impact函數的碰撞力是根據剛度系數和阻尼系數來計算的[6]。根據Hertz碰撞理論[7]，考慮接觸面積為圓時有：

(1)

式中，δ是變形；a是接觸圓等效半徑；R是齒輪接觸等效半徑；P是接觸法向力；E*是等效彈性模量。

由式1可得撞擊時接觸法向力P和變形δ關系為：

(2)

式中，K是齒輪碰撞剛度，取決于撞擊物體的材料和結構形狀。

(3)

式中，R=R1R2/(R1+R2)，R1、R2分別是齒輪、齒條在嚙合點的當量半徑(由于齒輪的齒高和分度圓半徑相比較小，因此，其變動范圍較小，可以近似以分度圓半徑來代替齒輪接觸點當量半徑)。

(4)

式中，μ1和μ2分別是接觸物體材料的泊松比；E1和E2分別是接觸物體材料的彈性模量。

由上述各式求得齒輪碰撞剛度系數K為8.7×105N/mm3/2，接觸阻尼系數C為870N·s/mm，取碰撞力指數e=1.5，最大阻尼時的擊穿深度d=0.1mm。根據上述假設及計算結果，建立穩定裝置剛柔耦合動力學仿真分析模型(見圖2)。

圖2　穩定裝置剛柔耦合動力學模型

3　動力穩定裝置剛柔耦合動力學分析

動力穩定裝置的作業效果主要體現為對道砟橫向作用力響應特性，根據動力穩定車的實際運行情況，在計算中車輛運行速度取值為2.5 km/h。

3.1驅動軸旋轉角速度對比分析

齒輪采用柔性模型和剛性模型時[8-9]齒輪軸的質心在Y向的轉動角速度如圖3所示。從圖3可以看出，將齒輪考慮為柔性體或剛性體時，驅動軸旋轉角速度基本一致，齒輪為柔性體時波動比較小，這是由于柔性體齒輪在嚙合過程吸收部分沖擊能量，從而波動較小，更接近實際情況。

圖3　驅動軸角速度

3.2輪軌間作用力對比分析

由于穩定裝置4個滾輪與軌道接觸模型相同，因此只取某一個滾輪與軌道作為分析。齒輪采用柔性模型和剛性模型時，穩定裝置的滾輪與軌道橫向作用力的對比圖如圖4所示。從圖4可以看出，接觸力的大小基本一致；將齒輪考慮為柔性體時，接觸力出現峰值的時間相對延緩。

圖4　輪軌橫向接觸力對比圖

3.3不同激振頻率接觸力對比

針對穩定裝置的底板出現開裂的問題，本文通過對比不同激振頻率，分析輪軌間的作用力，判斷輪軌間接觸力與激振頻率間的關系。激振頻率分別為35、30和25 Hz時的接觸力如圖5所示。

圖5　輪軌橫向接觸力與激振頻率的關系

從圖5可以看出，在3個頻率下，輪軌間接觸力變化趨勢基本相同，當激振頻率為35 Hz時，輪軌接觸力為12 177 N；當激振頻率為30 Hz時，輪軌接觸力為12 098 N；當激振頻率為25 Hz時，輪軌接觸力為12 778 N。因此，穩定裝置對軌道作用與激振頻率之間并非正相關。

以往的經驗認為，激振頻率越大，輪軌間接觸力越大，導致穩定車作業時采用較大的激振頻率，結果出現箱體底板與枕梁間的焊縫開裂現象。通過比較3個頻率時輪軌間的接觸力，可以得到穩定車作業時應該根據實際工況選擇最佳激振頻率，而非采用較大的激振頻率。

4　結語

對比分析剛柔耦合系統與多剛體系統的驅動軸的角速度和輪軌接觸力特征發現，考慮齒輪柔性狀的剛柔耦合系統，齒輪間沖擊較小，并且驅動軸的角速度誤差較小。對比剛柔耦合的系統和多剛體系統動力學的影響發現，剛柔耦合系統輪軌接觸力的峰值時間比多剛體系統峰值時間有滯后。比較3個激振頻率下輪軌間的接觸力發現，輪軌間的接觸力與激振頻率并非正相關，因此，在動力穩定車作業時，應根據實際工況選擇最佳激振頻率，而非采用較大的激振頻率。

[1] 毛必顯.軌道動力穩定車[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 杜利偉.WD320穩定裝置結構改造研究[J].機車車輛工藝,2005(6):6-7.

[3] 華征.200KW非道路車輛變速器齒輪嚙合特性研究[D]. 鎮江:江蘇大學，2014.

[4] 李世蕓.ANSYS9.0基礎及應用實例[M].北京：中國科學文化出版社，2005.

[5] 陳志偉，董月亮.MSC Adams多體動力學仿真基礎與實例解析[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[6] 于殿勇，錢玉進.基于ADAMS動力學仿真參數設置的研究[J].計算機仿真, 2006,23(9):103-107,183.

[7] 戴洪光.基于ADAMS平臺的柔性體仿真理論的若干研究[D].合肥：合肥工業大學,2008.

[8] 李笑.剛柔耦合轉K6轉向架動力學性能研究[D]. 成都：西南交通大學,2009.

[9] 師玲萍. 高速鐵道車輛焊接轉向架材質性能和實踐分析[J]. 新技術新工藝, 2015(5):125-127.

責任編輯鄭練

Rigid-flexible Coupling Simulation Analysis of Dynamic Stability Device

CAO Fangming

(Shandong Jibei Yellow River Bateau Bridge Limited Company, Jinan 250121, China)

The simulation on the elastic gear dynamics is done in order to investigats the effect of gear’s elastic deformation on stabilizer dynamics. Through the comparison of stabilizer’s drive shaft rotation angle speed and wheel-rail contact force in the rigid- flexible coupling system and multi-rigid-body system, determine the influence of the gear’s elastic deformation on the stabilizer dynamic characteristic. The gear is more close to the actual condition when deal with the flexible body. By comparing the contact force between the wheel and rail at the three excitation frequency, the contact force between the wheel and rail is not positive correlation.

stabilizer, gear, elastic deformation, dynamic characteristic

U 216.63+1

A

曹芳鳴(1974-)，男，工程師，主要從事機械、船舶制造、浮橋運行與管理等方面的研究。

2015-12-11