摩擦力對裝甲車輛鐵路沖擊穩定性影響研究

錢潤華，陶治

（100072 北京市 陸軍裝甲兵學院）

0 引言

裝甲車輛鐵路運輸中裝載加固問題是運輸安全性的重要問題。運輸中，由于自然環境、線路不平度、運行工況等因素的影響，裝甲車輛受到復雜的作用力，包括起穩定作用的摩擦力和加固力，和起破壞穩定作用的慣性力和橫向風力。我國學者對這一類貨物鐵路運輸裝載研究可以概括為以下3 個方面：一是鐵路裝載貨物縱向慣性力研究。如陳世勇[1]對27 T 軸重貨車，在不同沖擊速度、緩沖器類型、重車總重和加固方式條件下貨物縱向慣性力研究，得出縱向慣性力隨沖擊速度、緩沖器類型、重車總重的變化規律；張興[2]在貨物剛性和柔性加固條件下，對影響貨物縱向慣性力的調車連掛速度、貨車自重、裝載重量和緩沖器類型4 個因素進行了研究。二是裝載加固強度和加固方法的研究。如王橋[3]等對履帶式裝備平車輸送縱、橫向穩定性計算分析，確定了拉牽加固最優系固點；黃永剛[4]研究了重型車輛鐵路運輸裝載加固方案設計和計算。三是裝載加固方案評價研究。如常青[5]對超限貨物運輸安全影響因素和安全評價方法進行研究；徐珊珊[6]對貨物裝載加固方案評價研究，并進行運輸風險評估，分析決定貨物運輸裝載加固措施；譚政民[7]研究了擴大貨物裝載加固優化算法，提出了擴大貨物裝載加固方案多目標評價方法，為科學制定裝載加固方案提供依據。

上述對貨物裝載加固的研究都是從加固力的角度著手，而裝載中維持穩定性的摩擦力沒有進行過定量研究。一方面由于民用貨物鐵路運輸基本不存在超限問題，所以加固力可以滿足裝載加固要求。另一方面鐵路平車地板為國家統一標準，摩擦系數基本保持不變。但是裝甲車輛鐵路運輸不同，為了解決裝備超限問題，提升運輸速度和效率，在鐵路平車上加裝了一種裝置，可以使得裝甲車輛鐵路運輸不超限。在此基礎上通過改變裝置和裝甲車輛接觸表面的材料，改變摩擦力（下文中將這種裝置表面材料簡稱表面材料）。分析研究摩擦力對裝甲車輛鐵路沖擊穩定性的影響對于運輸安全性具有重要意義。

針對上述問題，以某型裝甲車輛為例，首先通過實驗測量裝甲履帶與表面材料的摩擦參數，然后利用SolidWorks 得出幾何建模，導入ADAMS，通過ADAMS 建立鐵路連掛沖擊仿真模型，分析摩擦參數對裝甲車輛縱向滑移距離的影響，為研究裝甲車輛鐵路沖擊縱向穩定性提供依據。

1 裝甲車輛履帶與表面材料摩擦力實驗

裝甲車輛鐵路運輸中，由于線路不平度、車輛懸掛系統和運行工況等因素耦合作用，使裝甲車輛履帶對平車地板的加載表現出明顯的動態加載特征，摩擦力來源于表面材料的切向反力，也因此呈現動態變化。

1.1 摩擦力產生機理研究

履帶與相對較軟的表面材料接觸時，摩擦力是粘著效應和犁溝效應產生摩擦力的總和。履帶與表面材料的摩擦力主要取決于表面材料抗剪強度，抗剪強度與材料的力學特性有關。履刺在法向載荷作用下嵌入材料表面，實際接觸面積由兩部分組成，一為履刺弧面，它是發生粘著效應的面積，在發生相對滑動時發生剪切，產生剪切力。另一為履刺的端面，是犁溝效應作用的面積，滑動時履刺推擠軟材料。摩擦力公式為

式中：T——剪切力；Pe——犁溝力；A——粘著面積；τb——粘著節點的剪切強度；S——犁溝面積；pe——單位面積的犁溝力。

剪切強度τb取決于表面材料的剪切強度極限，pe與表面材料的屈服極限成正比。當履帶與表面材料間為靜摩擦狀態時，犁溝效應可忽略。

當履帶與表面材料為滑動摩擦時，實際接觸面積和接觸點的變形條件都取決于法向載荷產生的壓應力σ和切應力τ的聯合作用。犁溝效應在法向載荷下，嵌入深度為h，履刺端面和表面材料接觸。

同時考慮粘著效應和犁溝效應，則摩擦系數為

履帶與表面材料摩阻系數主要和以下因素有關：（1）動態載荷，動態載荷通過改變實際接觸面積和材料表面變形狀態影響摩擦系數；（2）材料力學特性，材料的剪切強度極限和屈服極限影響摩擦系數；（3）相對滑動速度，滑動摩擦速度引起表面層變形和磨損，從而影響摩擦系數。

1.2 履帶與表面材料摩擦參數測試實驗

通過履帶—表面材料摩阻力試驗臺，實驗測試獲得3 種表面材料與履帶的摩擦系數。履帶-表面材料摩阻力試驗臺示意圖如圖1 所示。

圖1 履帶—表面材料摩阻力測試實驗臺示意圖Fig.1 Track-surface material friction test bench

經過履帶接觸面材料摩阻性能試驗臺測控數據采集系統處理后，得到3 種材料的摩擦系數隨滑移速率變化曲線，如圖2 所示。

圖2 材料摩擦系數曲線Fig.2 Material friction coefficient curve

材料A 的最大靜摩擦系數為0.45，滑動摩擦系數為0.34，材料B 的最大靜摩擦系數0.41，滑動摩擦系數為0.35，材料C 的最大靜摩擦系數為0.79，滑動摩擦系數為0.63。

2 裝甲車輛鐵路沖擊動力學模型的建立

裝甲車輛鐵路沖擊動力學模型包括沖擊車、被沖擊車和裝甲車輛3 個部分。沖擊速度選擇3，5，8 km/h。ADAMS 軟件自動根據機械系統模型中的部件、約束和作用力，對每個部件建立運動微分方程。首先在SolidWorks 中繪制沖擊車、被沖擊車和裝甲車輛幾何模型。模型建立完成后，以Paralid(*.x_t)文件導入ADAMS/View。

2.1 裝甲車輛模型建立

裝甲車輛裝載運輸過程中主動輪處于抱死狀態，所以只能在鐵路平車上平動。將炮塔和車體視為一個整體，懸掛系統主要是與平衡肘連接的扭力軸，在車體和負重輪之間添加扭桿力。由于履帶接觸壓力分布不均勻，在履帶板之間加旋轉副，履帶和負重輪之間設置接觸力。履帶與負重輪拓撲圖如圖3 所示，裝甲車輛模型如圖4 所示。

圖3 履帶—負重輪拓撲圖Fig.3 Track-wheel topology

圖4 裝甲車輛模型Fig.4 Armored vehicle model

2.2 沖擊車、被沖擊車模型

沖擊車為C70 型敞車，被沖擊車為NX70 型平車，兩種車均采用K6 轉向架。轉向架固定在車體前后兩側，轉向架的搖枕與車體通過固定副連接。左右側架與搖枕之間通過bushing 軸套力設置三向的剛度和阻尼系數。承載鞍與左右側架設置前后兩個bushing 軸套力，并設置側架和承載鞍之間的三向剛度和阻尼系數。K6 轉向架模型，如圖5 所示，鐵路沖擊模型，如圖6 所示。

圖5 K6 轉向架模型Fig.5 K6 bogie model

圖6 鐵路沖擊模型Fig.6 Railway impact model

2.3 車鉤緩沖裝置模型

車鉤緩沖裝置在連掛沖擊中對裝載裝備縱向慣性力影響很大，緩沖器的阻抗特性是車鉤緩沖裝置動力學性能的重要表現。緩沖器有不同的結構參數和摩擦副性能，所以在不同的沖擊速度下，不同緩沖器的阻抗特性差別很大。對裝甲車輛鐵路運輸采用的MT-2 型緩沖器阻抗特性進行分析。依據中車二七車輛有限公司得到MT-2 型緩沖器測試數據，將緩沖器特性曲線復雜非線性特征通過分段線性化方法簡化。簡化后的車鉤力—緩沖器行程曲線如圖7 所示。

圖7 車鉤力—緩沖器行程曲線圖Fig.7 Coupler force-buffer stroke diagram

在沖擊車和被沖擊車兩個marker 之間，建立彈簧阻尼器力元，定義彈簧的剛度和阻尼值，定義剛度時，選擇spline 曲線，輸入3 組緩沖器行程和剛度值，分別是沖擊速度為3，5，8 km/h 的試驗值。

2.4 摩擦力的設置

在履帶和平車接觸表面設置摩擦系數。ADAMS 中摩擦系數采用庫倫摩擦模型，輸入靜摩擦系數和滑動摩擦系數，最大靜摩擦系數對應的滑移速度為Vs，滑動摩擦對應的滑移速度為Vd，在滑移速度Vs和Vd之間時，處于過渡階段。按照實驗測得的摩擦參數，分別輸入3 種表面材料的摩擦參數。

3 仿真結果分析

按照裝甲車輛鐵路沖擊實際工況，利用ADAMS 對沖擊速度為3，5，8 km/h 的連掛沖擊工況進行了動力學仿真計算。連掛沖擊中，裝甲車輛在鐵路平車上不采用加固措施，僅通過更換不同的材料改變摩擦系數的方式，仿真計算摩擦系數對裝甲車輛縱向滑移量的影響。計算結果如圖8—圖10 所示。

圖8 3 km/h 沖擊速度滑移量—摩擦系數曲線Fig.8 3 km/h impact velocity slip amount-friction coefficient curve

圖9 5 km/h 沖擊速度滑移量—摩擦系數曲線Fig.9 5 km/h impact velocity Slip amount-friction coefficient curve

圖10 8 km/h 沖擊速度滑移量—摩擦系數曲線Fig.10 8 km/h impact velocity slip amount-friction coefficient curve

裝甲車輛鐵路沖擊摩擦系數與縱向滑移量仿真結果如圖11 所示。

圖11 滑移量—摩擦系數曲線Fig.11 Slip amount-friction coefficient curve

4 結論

（1）表面材料摩擦系數與裝甲車輛最大滑移量成反比，增大表面材料的摩擦系數可以增加裝甲車輛鐵路裝載的縱向穩定性。

（2）當沖擊速度為3 km/h 時，最大靜摩擦系數和滑動摩擦系數的增加對最大滑移量影響較小。當沖擊速度為8 km/h 時，最大靜摩擦系數和滑動摩擦系數的增加對最大滑移量的影響較大。表明沖擊速度越大，摩擦系數的數值增大對最大滑移距離減小的效果越明顯。

（3）和滑動摩擦系數相比，最大靜摩擦系數對最大滑移量的影響大。