基于多體動力學仿真的貨車連接運行穩定性分析

魏文逸

摘 要：貨車技術飛速發展的同時也對貨車連接運行穩定性提出了更高的要求。貨車連接運行不穩定的主要表現為貨車分離，此現象產生原因較為復雜，主要涉及車鉤制造和組裝及車鉤連接狀態等問題。本文以探究車鉤連接狀態的運行穩定性為目的，基于多體動力學軟件RecurDyn創建模型并仿真分析。模型模擬了相互連掛貨車在通過不同曲率半徑彎道過程中實時、復雜的運行狀態。并結合理論分析確定使貨車穩定運行的鉤舌S面夾角范圍。研究表明，車鉤連接穩定性與彎道曲率半徑、運行速度、鉤舌S面夾角等參數有關，當彎道半徑與運行速度的匹配符合經驗值、鉤舌S面夾角在25°至35°之間時，車鉤連接穩定性提高。

關鍵詞：車鉤輪廓；S面夾角；AAR標準；多體動力學仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.267

0 引言

鐵路貨車重載提速以來，運行中的貨車車鉤自動開鉤、鉤舌折斷等故障時常發生，嚴重影響了車鉤運行性能[1]。而作為車鉤設計重要依據的車鉤連接輪廓，由于工程制造困難的局限性，一直沒有被研究。車鉤連接輪廓決定了車鉤的工作性能，即掛鉤范圍，縱向間隙，水平及垂直最大轉動角度，車鉤接觸線長度等[2]。當前，我國和美國等多數國家的車鉤輪廓采用符合北美鐵道協會（AAR）標準體系[3]。AAR中對車鉤連接輪廓處鉤舌S面切線與起始方位線夾角（簡稱S面夾角）有明確的規定，大小為30°[4]。但該角度對實際運用性能的影響尚不明確。為此，通過理論分析和仿真實驗的方法探討車鉤連接輪廓中不同鉤舌S面夾角對車鉤運用性能的影響，這能為改進車鉤的可制造性提供理論依據。

1 理論分析S面夾角與鉤舌水平轉角的關系

兩車鉤連掛前處于不同的兩種狀態，分別是開鎖位和閉鎖位。將閉鎖位的車鉤以一定的速度撞擊開鎖位的車鉤就會使兩車鉤相互連掛。車鉤連掛后，在牽引過程中兩鉤舌之間在水平面內有所允許的轉動角度，如圖1所示。設A、B兩鉤相互連掛，A鉤不動，B鉤相對于甲鉤水平轉動。在轉動過程中，由于車鉤零部件之間存在縫隙，因此不同型號的車鉤都會存在大小不同的水平轉動角度。車輛通過彎道的能力與車鉤允許的水平轉角有關[2]。在校核中，要求過彎道時，相互連掛的車鉤間最大轉角小于車鉤輪廓所允許的轉角。

本文以此為依據，首先建立S面夾角α（α>0°）與水平轉角β之間的關系表達式，再通過限制水平轉角的范圍來找到S面夾角的合適范圍。通過簡化圖1所示模型，利用相切原理、圓的判定方程等推倒鉤舌面夾角及水平轉角之間的方程關系式，進而繪制圖形進行直觀分析。圖1中的模型可以簡化成距離O1為P的線段轉動β角度與另一固定的圓弧相切，如圖2所示。

參閱文獻[2]，對鉤舌S面夾角α和水平轉角γ（γ=90°-β）之間的關系進行理論推導，分別得出兩種典型鉤舌的兩個關鍵角度之間的方程，進而運用matlab軟件進行運算，輸出關系曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，對于一般型號的車鉤來說，當鉤舌S面夾角α在0°—40°時，車鉤水平轉角γ（相當于β）可以在水平面內保證相對穩定的轉動角度；一旦超過這個范圍，會出現水平轉角在運行過程中逐漸增大或陡增的現象，不利于貨車的穩定運行。

2 連掛牽引過程仿真分析

上述理論推導從保證車鉤較穩定水平轉角方面求解了鉤舌S面夾角的取值范圍，而保證車鉤運行性能還包括連掛、牽引等過程。為此，通過動力學仿真實驗分析方法，進一步討論影響貨車運行穩定性的因素。

（1）連掛仿真分析。以10A型號鉤舌為例，創建S面角度為15°、25°、30°、35°、40°的鉤舌模型，先分別將這些鉤舌做閉鎖連掛仿真實驗分析，發現鉤舌夾角過大時，連掛過程不順利，易發生卡頓現象。連掛后，分別將這些鉤舌做直線牽引仿真實驗分析，牽引過程中，兩鉤舌位置如圖4所示。首先從運動學角度分析，當鉤舌S面角度為35°—40°時，車鉤牽引過程中，鉤舌S面未產生面接觸。

再通過多體動力學軟件RecurDyn分析力學性能。S面夾角為40°的鉤舌受力明顯大于S面角度為35°的鉤舌，且閉鎖過程中兩鉤舌剛撞擊接觸時，頂部外圓圓弧接觸時間較長，這會增大鉤舌的磨損，這不利于鉤舌的使用。因此鉤舌S面夾角在35°到40°的范圍是不可取的。

（2） 彎道牽引仿真分析。1）創建彎道模型。查閱相關鐵道鐵軌資料可知，鐵路貨車彎道是由若干12.5m或25m的直線工字鋼軌道拼接而成，彎道總長度在100m-150m之間，超高10cm。因此本文采用5段長度為25m直線工字鋼軌道依次旋轉計算所得角度拼接而成。從幾何關系可知，β=1/2α。因此計算得，相互拼接內側鋼軌之間需旋轉角度β≈3°。同理外側鋼軌之間所需旋轉角度β≈3°。各個拼接鋼軌之間旋轉角度計算示意圖，如圖5所示。同時內外軌道還要有10cm的超高，是為了在轉彎過程中還伴隨著較大離心力的作用。因此將外軌道提高10cm，其尺寸及所建模型主視圖如圖6所示。

2）仿真分析。首先，將上述連掛過程取較小角度S面夾角的鉤舌（15°，25°，30°）進行彎道牽引仿真實驗分析，車廂模型如圖7和圖8所示，其模型所采用的轉彎半徑為400m，貨車轉彎速度為15m/s，輪對簡化依據轉K6轉向架所使用的輪對，貨車車廂依據C70貨車參數。再固定鉤舌夾角不變，改變彎道半徑及運行速度，分析鉤舌受力。

通過動態分析牽引實驗得知：彎道半徑越小，鉤舌受力越大；通過彎道的速度越大，鉤舌受力越大。并且在鉤舌彎道牽引過程中，以上3種S面角度的鉤舌都可以通過鉤舌和鉤舌、鉤舌和鉤體之間相互作用來保證連掛的可靠性。但通過多體動力學軟件對比摩擦力隨時間變化情況可知，當鉤舌S面角度較小（15°）時轉彎時所受摩擦力比S面角度較大（30°）時大。這是因為，轉彎時鉤舌S面處伴隨著較大的摩擦力和接觸力，而過大的摩擦力是運行中的不利因素。由于隨著鐵路牽引噸位的不斷增大和運行速度的不斷提高，貨車車鉤逐漸出現了鉤舌牽引S面裂紋故障，并呈逐漸增多趨勢[5]。原因之一就是生產制造工藝不能完全保證設計幾何的正確性能，使鉤舌受到較大的載荷作用。因此，要盡量降低S面處的載荷及磨損，S面角度取25°-35°這個范圍比15°-25°更利于鉤舌的長期使用，且如果角度過小時，兩鉤舌有可能發生分離，嚴重影響貨車運行的安全性。

3 結論

通過理論計算和仿真分析表明：車鉤連接穩定性與彎道曲率半徑、運行速度、鉤舌S面夾角等參數有關。彎道半徑越大、運行速度越慢，鉤舌連接越穩定。鉤舌S面角度范圍在25°-35°之間時，既可以在牽引運行過程中保證穩定的水平轉動角度，又能保證較好的鉤舌使用性能，還可以保證較高的彎道牽引可靠性。由于貨車車鉤零件是鑄造件，鑄造精度不容易保證，因此在規定S面角度時選擇居于中間的30°作為標準。這與北美鐵道協會（AAR）標準體系中S面夾角規定相吻合。

參考文獻：

[1]周衛冰，劉義揚.運行中貨車車鉤分離的原因分析及防范措施[J].鐵道車輛，2006（44）：42-43.

[2]戴家驥.車鉤連接輪廓及其工作性能[J].鐵道學報，1981（03）：26-51.

[3]雷青平，劉吉遠，郭愛英.貨車車鉤技術及設計制造標準分析[J].鐵道技術監督，2013（06）：2-9.

[4]中國北車集團四方車輛研究所[S].北美鐵道協會（AAR）標準匯編（BⅡ），2003（12）：255-265.

[5]孟慶民，盧碧紅，姜巖.鐵路重載貨車裂紋故障探討[J].鐵道車輛，2008（46）：36-39.