軌道交通刮雨器刮刷角度變量特性的研究分析

趙春先，何岳平

（中國鐵路青藏集團有限公司，西寧 810000；湖南聯誠電氣科技有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

刮雨器安裝于列車司機室擋風玻璃前端，主要作用是對擋風玻璃進行清潔，保證駕駛員的視野始終清晰[1]。為保證駕駛員的視野始終清晰，刮刷角度作為保證清晰視野的一個重要條件，如刮刷角度過大，刮雨器系統所承受的負載重；刮刷角度過小影響司機視野，進而影響行車安全，因此合適的刮刷角度一方面是保證司乘人員清晰地觀察周圍環境，另一方也是提高刮雨器可靠性的重要設計依據。陶璟程[2]簡述了動車組刮雨器的工作原理，針對刮雨器的不動作和噴水故障進行了故障分析和處置；趙未等[3]結合低地板有軌電車與地鐵車體設計的差異，剖析了兩者刮雨器安裝方式的區別，分析了低地板有軌電車刮雨器常見故障并提出改進方案；賀白濤等[4]通過分析機車刮雨器的馬達故障，針對馬達設計的不足，提出改進方案。本文針對刮刷角度的變化對整個刮雨器系統的可靠性的影響進行分析，提出合理的參考依據。

1 四連桿等效及參數化模型的建立

刮雨器驅動裝置主要是由四連桿機構及電動機組成，四連桿的尺寸是決定刮刷角度的重要參數，因此在ADAMS系統環境下，對四連桿機構進行等效及參數化模型的運動仿真和分析，求解出其運動學參數即刮刷角度、運動速度和加速度等運動參數，用以評價角度變化對刮雨器的工作性能的影響。定義a、b、c、d為設計變量并定義DV_LAB、DV_LBC、DV_LCD及DV_LAD四個變量，分別對應刮雨器系統中的轉動板、連桿、擺動板及固定桿長度，通過矢量關系建立A、B、C、D點的坐標關系，采用等效模型建立參數化模型，并進行4個旋轉副和1個固定副的約束條件的施加，如圖1所示。

圖1 四連桿參數圖

2 刮刷角度變量運動學仿真分析

2.1 不同刮刷角度的行程速度變化系數影響分析

鑒于轉動板的長度變化對角度變化的敏感度相對其他參數比較大，故采用單因素分析法，分析時保證除轉動板參數變化外，其他設計變量不發生改變來研究四連桿的急性回轉特性。

為研究急性回轉特性變化給刮雨器系統帶來的影響，以某軌道交通動車車輛刮雨器為例，刮臂的長度為900 mm，質量為2.4 kg，轉動慣量為0.684 kg·m2，四連桿初始參數為X=[24.5，112.5，44.5，108.7]，定義轉動板長度參數變化值為DV_LAB=[24.5，26，27.5，29，30.5，31.5]，通過仿真結果其對應的刮刷角度為：70°、75°、80°、85°、90°和95°共5種。采用上述5種刮刷角度參數對應的行程速度變化系數K來衡量四連桿的急性回轉特性的明顯程度，如表1所示。

表1 不同刮刷角度四連桿行程變化系數

四連桿有無行程速度變化，取決于有無極位夾角θ。當θ＝0時，K＝1，此時機構沒有行程速度變化；當θ≠0時，K＞1，則機構有行程速度變化。K越大，行程速度變化越顯著。由此可見，刮刷角度越大行程系數變化大，對于刮雨器相同刮刷頻率（即同一周期內）的情況下，刮刷面積越大，其線速度也就越大，角速度也越大，對刮雨器的沖擊力也增大。

由表1可知，刮刷角度增大時，其極位夾角遞增，行程速度變化系數K也增大，即往程速度小于回程速度。因此綜合考慮，極位夾角應盡量趨向于0，使得往程和回程無速度差別為最佳。

2.2 不同刮刷角度的加速度參數影響分析

角度的變化最直接影響角加速度的變化，如圖2、表2所示，而角加速度的大小決定了整個刮雨器系統所受沖擊的大小，由于四連桿機構本身存在急性回轉特性，所以在運行過程刮臂在某一時刻加速度達到最大值，此時刮雨器系統受到的慣性力最大。

表2 角加速度變化值

圖2 角加速度曲線值

式中：M為物體質量，kg；L為刮臂長度，m；α為系統角加速，rad/s2。

從圖2加速度曲線可見，在一個刮刷周期內角加速度平穩上升，在某個時刻達到最小后急劇上升并在另外某個時刻峰值達到最大，并急劇下降至為0，最終完成整個刮雨器動作過程。

由圖2、表2分析可知，隨著刮刷角度的增加，角加速度和相應的沖擊力也遞增，相比70°，在90°的刮刷角度時系統所受沖擊力基本是前面的2倍，若刮臂更長、質量更大，轉動慣量也隨之增大，造成的沖擊也會隨著刮刷角度的增大而遞增。因此不同大小的沖擊力是造成刮雨器系統可靠性降低的重要因素，特別是對于刮臂部分。

3 刮刷角度變量對連接部位動力學分析

在刮雨器運行過程中，考慮到沖擊對轉動板、擺動板的影響，選取連接處轉動副所承受的力和平均力進行比較并進行仿真分析，相關約束副如圖3所示。

圖3 各轉動副位置圖

經仿真，其各轉動副的受力情況如圖4所示。

各約束副受力的曲線顯示其最大的受力值均在同一時間段（除JOINT9外），整體趨勢為平滑-突變-平滑的參數變化，分析認為，在一個周期內其角加速度參數突變是引起各約束副受力突變的重要因素，也是符合四連桿的急回特性。

由圖4、表5分析可知，隨著刮刷角度的增大，其各個鉸鏈處的受力情況也增大。同時也可以看出，刮刷角度每增加5°，鉸鏈3受承受的最大力的增幅分別為27、42、76、176、344 N，力的增幅基本是以2倍速增，也就是說在運行過程中，其所承受的力從某一個值遞增到最大值時的斜率遞增，同時各組件所承受的平均力基本在85°～90°狀態下，力的增幅也較大。所述鉸鏈承受的最大力均發生在刮臂往程的最大刮刷角度處，主要原因是此時速度最小，而加速度和沖擊力最大。

圖4 JOINT1、JOINT2、JOINT3、JOINT9處受力曲線

表5 各鉸鏈受力情況

4 結論

本文采用參數化及等效模型對刮雨器系統在不同刮刷角度條件下進行了運動學和動力學仿真對比分析，結果顯示，隨著角度遞增，影響系統可靠性的角加速度、沖擊力等相關參數也成正比遞增，特別是角加速度在極短時間內斷崖式增長后又急速下降的特點符合四連桿急回特性。針對軌道交通刮雨器的實際使用工況，為提高整體系統可靠性設計，從設計角度出發在保證司乘人員清晰的視野范圍內，盡可能減小刮刷角度、降低刮刷頻率、提高材料強度，以便改善雨刮臂在換向時系統各部件和驅動裝置結合處的受力情況。