軌道交通刮雨器刮刷角度變量特性探索范文

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摘要：結(jié)合軌道交通四連桿結(jié)構(gòu)刮雨器的特點(diǎn)，采用參數(shù)化及等效模型，利用ADMAS軟件對(duì)刮雨器系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析研究。通過(guò)實(shí)例闡述了刮刷角度的變化所帶來(lái)的影響，研究分析了在不同刮刷角度下刮雨器系統(tǒng)的最大角加速度、沖擊力及關(guān)鍵部件的受力曲線。結(jié)果表明，隨著角度遞增，影響系統(tǒng)可靠性的角加速度、沖擊力等相關(guān)參數(shù)成正比遞增，刮刷角度越大致使雨刮系統(tǒng)產(chǎn)生瞬間沖擊力也越大，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性越低。最后從設(shè)計(jì)角度提出相應(yīng)的參數(shù)依據(jù)來(lái)提高整個(gè)刮雨器系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：刮雨器；刮刷角度；角加速度；沖擊力

0引言

刮雨器安裝于列車司機(jī)室擋風(fēng)玻璃前端，主要作用是對(duì)擋風(fēng)玻璃進(jìn)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(gè)重要條件，如刮刷角度過(guò)大，刮雨器系統(tǒng)所承受的負(fù)載重；刮刷角度過(guò)小影響司機(jī)視野，進(jìn)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(huán)境，另一方也是提高刮雨器可靠性的重要設(shè)計(jì)依據(jù)。陶璟程[2]簡(jiǎn)述了動(dòng)車組刮雨器的工作原理，針對(duì)刮雨器的不動(dòng)作和噴水故障進(jìn)行了故障分析和處置；趙未等[3]結(jié)合低地板有軌電車與地鐵車體設(shè)計(jì)的差異，剖析了兩者刮雨器安裝方式的區(qū)別，分析了低地板有軌電車刮雨器常見故障并提出改進(jìn)方案；賀白濤等[4]通過(guò)分析機(jī)車刮雨器的馬達(dá)故障，針對(duì)馬達(dá)設(shè)計(jì)的不足，提出改進(jìn)方案。本文針對(duì)刮刷角度的變化對(duì)整個(gè)刮雨器系統(tǒng)的可靠性的影響進(jìn)行分析，提出合理的參考依據(jù)。

1四連桿等效及參數(shù)化模型的建立

刮雨器驅(qū)動(dòng)裝置主要是由四連桿機(jī)構(gòu)及電動(dòng)機(jī)組成，四連桿的尺寸是決定刮刷角度的重要參數(shù)，因此在ADAMS系統(tǒng)環(huán)境下，對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行等效及參數(shù)化模型的運(yùn)動(dòng)仿真和分析，求解出其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)即刮刷角度、運(yùn)動(dòng)速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，用以評(píng)價(jià)角度變化對(duì)刮雨器的工作性能的影響。定義a、b、c、d為設(shè)計(jì)變量并定義DV_LAB、DV_LBC、DV_LCD及DV_LAD四個(gè)變量，分別對(duì)應(yīng)刮雨器系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)板、連桿、擺動(dòng)板及固定桿長(zhǎng)度，通過(guò)矢量關(guān)系建立A、B、C、D點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系，采用等效模型建立參數(shù)化模型，并進(jìn)行4個(gè)旋轉(zhuǎn)副和1個(gè)固定副的約束條件的施加，如圖1所示。

2刮刷角度變量運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1不同刮刷角度的行程速度變化系數(shù)影響分析

鑒于轉(zhuǎn)動(dòng)板的長(zhǎng)度變化對(duì)角度變化的敏感度相對(duì)其他參數(shù)比較大，故采用單因素分析法，分析時(shí)保證除轉(zhuǎn)動(dòng)板參數(shù)變化外，其他設(shè)計(jì)變量不發(fā)生改變來(lái)研究四連桿的急性回轉(zhuǎn)特性。為研究急性回轉(zhuǎn)特性變化給刮雨器系統(tǒng)帶來(lái)的影響，以某軌道交通動(dòng)車車輛刮雨器為例，刮臂的長(zhǎng)度為900mm，質(zhì)量為2.4kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.684kg•m2，四連桿初始參數(shù)為X=[24.5，112.5，44.5，108.7]，定義轉(zhuǎn)動(dòng)板長(zhǎng)度參數(shù)變化值為DV_LAB=[24.5，26，27.5，29，30.5，31.5]，通過(guò)仿真結(jié)果其對(duì)應(yīng)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(shù)對(duì)應(yīng)的行程速度變化系數(shù)K來(lái)衡量四連桿的急性回轉(zhuǎn)特性的明顯程度，如表1所示。四連桿有無(wú)行程速度變化，取決于有無(wú)極位夾角θ。當(dāng)θ＝0時(shí)，K＝1，此時(shí)機(jī)構(gòu)沒有行程速度變化；當(dāng)θ≠0時(shí)，K＞1，則機(jī)構(gòu)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(shù)變化大，對(duì)于刮雨器相同刮刷頻率（即同一周期內(nèi)）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(duì)刮雨器的沖擊力也增大。由表1可知，刮刷角度增大時(shí)，其極位夾角遞增，行程速度變化系數(shù)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(yīng)盡量趨向于0，使得往程和回程無(wú)速度差別為最佳。

2.2不同刮刷角度的加速度參數(shù)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(gè)刮雨器系統(tǒng)所受沖擊的大小，由于四連桿機(jī)構(gòu)本身存在急性回轉(zhuǎn)特性，所以在運(yùn)行過(guò)程刮臂在某一時(shí)刻加速度達(dá)到最大值，此時(shí)刮雨器系統(tǒng)受到的慣性力最大。式中：M為物體質(zhì)量，kg；L為刮臂長(zhǎng)度，m；α為系統(tǒng)角加速，rad/s2。從圖2加速度曲線可見，在一個(gè)刮刷周期內(nèi)角加速度平穩(wěn)上升，在某個(gè)時(shí)刻達(dá)到最小后急劇上升并在另外某個(gè)時(shí)刻峰值達(dá)到最大，并急劇下降至為0，最終完成整個(gè)刮雨器動(dòng)作過(guò)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(yīng)的沖擊力也遞增，相比70°，在90°的刮刷角度時(shí)系統(tǒng)所受沖擊力基本是前面的2倍，若刮臂更長(zhǎng)、質(zhì)量更大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也隨之增大，造成的沖擊也會(huì)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(tǒng)可靠性降低的重要因素，特別是對(duì)于刮臂部分。

3刮刷角度變量對(duì)連接部位動(dòng)力學(xué)分析

在刮雨器運(yùn)行過(guò)程中，考慮到?jīng)_擊對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)板、擺動(dòng)板的影響，選取連接處轉(zhuǎn)動(dòng)副所承受的力和平均力進(jìn)行比較并進(jìn)行仿真分析，相關(guān)約束副如圖3所示。經(jīng)仿真，其各轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間段（除JOINT9外），整體趨勢(shì)為平滑-突變-平滑的參數(shù)變化，分析認(rèn)為，在一個(gè)周期內(nèi)其角加速度參數(shù)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(gè)鉸鏈處的受力情況也增大。同時(shí)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、344N，力的增幅基本是以2倍速增，也就是說(shuō)在運(yùn)行過(guò)程中，其所承受的力從某一個(gè)值遞增到最大值時(shí)的斜率遞增，同時(shí)各組件所承受的平均力基本在85°～90°狀態(tài)下，力的增幅也較大。所述鉸鏈承受的最大力均發(fā)生在刮臂往程的最大刮刷角度處，主要原因是此時(shí)速度最小，而加速度和沖擊力最大。

4結(jié)論

本文采用參數(shù)化及等效模型對(duì)刮雨器系統(tǒng)在不同刮刷角度條件下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比分析，結(jié)果顯示，隨著角度遞增，影響系統(tǒng)可靠性的角加速度、沖擊力等相關(guān)參數(shù)也成正比遞增，特別是角加速度在極短時(shí)間內(nèi)斷崖式增長(zhǎng)后又急速下降的特點(diǎn)符合四連桿急回特性。針對(duì)軌道交通刮雨器的實(shí)際使用工況，為提高整體系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)在保證司乘人員清晰的視野范圍內(nèi)，盡可能減小刮刷角度、降低刮刷頻率、提高材料強(qiáng)度，以便改善雨刮臂在換向時(shí)系統(tǒng)各部件和驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)合處的受力情況。

作者：趙春先 何岳平 單位：中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司 湖南聯(lián)誠(chéng)電氣科技有限公司