摩擦力对装甲车辆铁路冲击稳定性影响研究

2022-10-31钱润华陶治

农业装备与车辆工程 2022年1期

钱润华，陶治

（100072 北京市陆军装甲兵学院）

0 引言

装甲车辆铁路运输中装载加固问题是运输安全性的重要问题。运输中，由于自然环境、线路不平度、运行工况等因素的影响，装甲车辆受到复杂的作用力，包括起稳定作用的摩擦力和加固力，和起破坏稳定作用的惯性力和横向风力。我国学者对这一类货物铁路运输装载研究可以概括为以下3 个方面：一是铁路装载货物纵向惯性力研究。如陈世勇[1]对27 T 轴重货车，在不同冲击速度、缓冲器类型、重车总重和加固方式条件下货物纵向惯性力研究，得出纵向惯性力随冲击速度、缓冲器类型、重车总重的变化规律；张兴[2]在货物刚性和柔性加固条件下，对影响货物纵向惯性力的调车连挂速度、货车自重、装载重量和缓冲器类型4 个因素进行了研究。二是装载加固强度和加固方法的研究。如王桥[3]等对履带式装备平车输送纵、横向稳定性计算分析，确定了拉牵加固最优系固点；黄永刚[4]研究了重型车辆铁路运输装载加固方案设计和计算。三是装载加固方案评价研究。如常青[5]对超限货物运输安全影响因素和安全评价方法进行研究；徐珊珊[6]对货物装载加固方案评价研究，并进行运输风险评估，分析决定货物运输装载加固措施；谭政民[7]研究了扩大货物装载加固优化算法，提出了扩大货物装载加固方案多目标评价方法，为科学制定装载加固方案提供依据。

上述对货物装载加固的研究都是从加固力的角度着手，而装载中维持稳定性的摩擦力没有进行过定量研究。一方面由于民用货物铁路运输基本不存在超限问题，所以加固力可以满足装载加固要求。另一方面铁路平车地板为国家统一标准，摩擦系数基本保持不变。但是装甲车辆铁路运输不同，为了解决装备超限问题，提升运输速度和效率，在铁路平车上加装了一种装置，可以使得装甲车辆铁路运输不超限。在此基础上通过改变装置和装甲车辆接触表面的材料，改变摩擦力（下文中将这种装置表面材料简称表面材料）。分析研究摩擦力对装甲车辆铁路冲击稳定性的影响对于运输安全性具有重要意义。

针对上述问题，以某型装甲车辆为例，首先通过实验测量装甲履带与表面材料的摩擦参数，然后利用SolidWorks 得出几何建模，导入ADAMS，通过ADAMS 建立铁路连挂冲击仿真模型，分析摩擦参数对装甲车辆纵向滑移距离的影响，为研究装甲车辆铁路冲击纵向稳定性提供依据。

1 装甲车辆履带与表面材料摩擦力实验

装甲车辆铁路运输中，由于线路不平度、车辆悬挂系统和运行工况等因素耦合作用，使装甲车辆履带对平车地板的加载表现出明显的动态加载特征，摩擦力来源于表面材料的切向反力，也因此呈现动态变化。

1.1 摩擦力产生机理研究

履带与相对较软的表面材料接触时，摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生摩擦力的总和。履带与表面材料的摩擦力主要取决于表面材料抗剪强度，抗剪强度与材料的力学特性有关。履刺在法向载荷作用下嵌入材料表面，实际接触面积由两部分组成，一为履刺弧面，它是发生粘着效应的面积，在发生相对滑动时发生剪切，产生剪切力。另一为履刺的端面，是犁沟效应作用的面积，滑动时履刺推挤软材料。摩擦力公式为

式中：T——剪切力；Pe——犁沟力；A——粘着面积；τb——粘着节点的剪切强度；S——犁沟面积；pe——单位面积的犁沟力。

剪切强度τb取决于表面材料的剪切强度极限，pe与表面材料的屈服极限成正比。当履带与表面材料间为静摩擦状态时，犁沟效应可忽略。

当履带与表面材料为滑动摩擦时，实际接触面积和接触点的变形条件都取决于法向载荷产生的压应力σ和切应力τ的联合作用。犁沟效应在法向载荷下，嵌入深度为h，履刺端面和表面材料接触。

同时考虑粘着效应和犁沟效应，则摩擦系数为

履带与表面材料摩阻系数主要和以下因素有关：（1）动态载荷，动态载荷通过改变实际接触面积和材料表面变形状态影响摩擦系数；（2）材料力学特性，材料的剪切强度极限和屈服极限影响摩擦系数；（3）相对滑动速度，滑动摩擦速度引起表面层变形和磨损，从而影响摩擦系数。

1.2 履带与表面材料摩擦参数测试实验

通过履带—表面材料摩阻力试验台，实验测试获得3 种表面材料与履带的摩擦系数。履带-表面材料摩阻力试验台示意图如图1 所示。

图1 履带—表面材料摩阻力测试实验台示意图Fig.1 Track-surface material friction test bench

经过履带接触面材料摩阻性能试验台测控数据采集系统处理后，得到3 种材料的摩擦系数随滑移速率变化曲线，如图2 所示。

图2 材料摩擦系数曲线Fig.2 Material friction coefficient curve

材料A 的最大静摩擦系数为0.45，滑动摩擦系数为0.34，材料B 的最大静摩擦系数0.41，滑动摩擦系数为0.35，材料C 的最大静摩擦系数为0.79，滑动摩擦系数为0.63。

2 装甲车辆铁路冲击动力学模型的建立

装甲车辆铁路冲击动力学模型包括冲击车、被冲击车和装甲车辆3 个部分。冲击速度选择3，5，8 km/h。ADAMS 软件自动根据机械系统模型中的部件、约束和作用力，对每个部件建立运动微分方程。首先在SolidWorks 中绘制冲击车、被冲击车和装甲车辆几何模型。模型建立完成后，以Paralid(*.x_t)文件导入ADAMS/View。

2.1 装甲车辆模型建立

装甲车辆装载运输过程中主动轮处于抱死状态，所以只能在铁路平车上平动。将炮塔和车体视为一个整体，悬挂系统主要是与平衡肘连接的扭力轴，在车体和负重轮之间添加扭杆力。由于履带接触压力分布不均匀，在履带板之间加旋转副，履带和负重轮之间设置接触力。履带与负重轮拓扑图如图3 所示，装甲车辆模型如图4 所示。

图3 履带—负重轮拓扑图Fig.3 Track-wheel topology

图4 装甲车辆模型Fig.4 Armored vehicle model

2.2 冲击车、被冲击车模型

冲击车为C70 型敞车，被冲击车为NX70 型平车，两种车均采用K6 转向架。转向架固定在车体前后两侧，转向架的摇枕与车体通过固定副连接。左右侧架与摇枕之间通过bushing 轴套力设置三向的刚度和阻尼系数。承载鞍与左右侧架设置前后两个bushing 轴套力，并设置侧架和承载鞍之间的三向刚度和阻尼系数。K6 转向架模型，如图5 所示，铁路冲击模型，如图6 所示。

图5 K6 转向架模型Fig.5 K6 bogie model

图6 铁路冲击模型Fig.6 Railway impact model

2.3 车钩缓冲装置模型

车钩缓冲装置在连挂冲击中对装载装备纵向惯性力影响很大，缓冲器的阻抗特性是车钩缓冲装置动力学性能的重要表现。缓冲器有不同的结构参数和摩擦副性能，所以在不同的冲击速度下，不同缓冲器的阻抗特性差别很大。对装甲车辆铁路运输采用的MT-2 型缓冲器阻抗特性进行分析。依据中车二七车辆有限公司得到MT-2 型缓冲器测试数据，将缓冲器特性曲线复杂非线性特征通过分段线性化方法简化。简化后的车钩力—缓冲器行程曲线如图7 所示。