轨道交通刮雨器刮刷角度变量特性探索范文
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摘要：结合轨道交通四连杆结构刮雨器的特点，采用参数化及等效模型，利用ADMAS软件对刮雨器系统进行了动力学、运动学分析研究。通过实例阐述了刮刷角度的变化所带来的影响，研究分析了在不同刮刷角度下刮雨器系统的最大角加速度、冲击力及关键部件的受力曲线。结果表明，随着角度递增，影响系统可靠性的角加速度、冲击力等相关参数成正比递增，刮刷角度越大致使雨刮系统产生瞬间冲击力也越大，导致系统可靠性越低。最后从设计角度提出相应的参数依据来提高整个刮雨器系统的可靠性。
关键词：刮雨器；刮刷角度；角加速度；冲击力
0引言
刮雨器安装于列车司机室挡风玻璃前端，主要作用是对挡风玻璃进行清洁，保证驾驶员的视野始终清晰[1]。为保证驾驶员的视野始终清晰，刮刷角度作为保证清晰视野的一个重要条件，如刮刷角度过大，刮雨器系统所承受的负载重；刮刷角度过小影响司机视野，进而影响行车安全，因此合适的刮刷角度一方面是保证司乘人员清晰地观察周围环境，另一方也是提高刮雨器可靠性的重要设计依据。陶璟程[2]简述了动车组刮雨器的工作原理，针对刮雨器的不动作和喷水故障进行了故障分析和处置；赵未等[3]结合低地板有轨电车与地铁车体设计的差异，剖析了两者刮雨器安装方式的区别，分析了低地板有轨电车刮雨器常见故障并提出改进方案；贺白涛等[4]通过分析机车刮雨器的马达故障，针对马达设计的不足，提出改进方案。本文针对刮刷角度的变化对整个刮雨器系统的可靠性的影响进行分析，提出合理的参考依据。
1四连杆等效及参数化模型的建立
刮雨器驱动装置主要是由四连杆机构及电动机组成，四连杆的尺寸是决定刮刷角度的重要参数，因此在ADAMS系统环境下，对四连杆机构进行等效及参数化模型的运动仿真和分析，求解出其运动学参数即刮刷角度、运动速度和加速度等运动参数，用以评价角度变化对刮雨器的工作性能的影响。定义a、b、c、d为设计变量并定义DV_LAB、DV_LBC、DV_LCD及DV_LAD四个变量，分别对应刮雨器系统中的转动板、连杆、摆动板及固定杆长度，通过矢量关系建立A、B、C、D点的坐标关系，采用等效模型建立参数化模型，并进行4个旋转副和1个固定副的约束条件的施加，如图1所示。
2刮刷角度变量运动学仿真分析
2.1不同刮刷角度的行程速度变化系数影响分析
鉴于转动板的长度变化对角度变化的敏感度相对其他参数比较大，故采用单因素分析法，分析时保证除转动板参数变化外，其他设计变量不发生改变来研究四连杆的急性回转特性。为研究急性回转特性变化给刮雨器系统带来的影响，以某轨道交通动车车辆刮雨器为例，刮臂的长度为900mm，质量为2.4kg，转动惯量为0.684kg•m2，四连杆初始参数为X=[24.5，112.5，44.5，108.7]，定义转动板长度参数变化值为DV_LAB=[24.5，26，27.5，29，30.5，31.5]，通过仿真结果其对应的刮刷角度为：70°、75°、80°、85°、90°和95°共5种。采用上述5种刮刷角度参数对应的行程速度变化系数K来衡量四连杆的急性回转特性的明显程度，如表1所示。四连杆有无行程速度变化，取决于有无极位夹角θ。当θ＝0时，K＝1，此时机构没有行程速度变化；当θ≠0时，K＞1，则机构有行程速度变化。K越大，行程速度变化越显著。由此可见，刮刷角度越大行程系数变化大，对于刮雨器相同刮刷频率（即同一周期内）的情况下，刮刷面积越大，其线速度也就越大，角速度也越大，对刮雨器的冲击力也增大。由表1可知，刮刷角度增大时，其极位夹角递增，行程速度变化系数K也增大，即往程速度小于回程速度。因此综合考虑，极位夹角应尽量趋向于0，使得往程和回程无速度差别为最佳。
2.2不同刮刷角度的加速度参数影响分析
角度的变化最直接影响角加速度的变化，如图2、表2所示，而角加速度的大小决定了整个刮雨器系统所受冲击的大小，由于四连杆机构本身存在急性回转特性，所以在运行过程刮臂在某一时刻加速度达到最大值，此时刮雨器系统受到的惯性力最大。式中：M为物体质量，kg；L为刮臂长度，m；α为系统角加速，rad/s2。从图2加速度曲线可见，在一个刮刷周期内角加速度平稳上升，在某个时刻达到最小后急剧上升并在另外某个时刻峰值达到最大，并急剧下降至为0，最终完成整个刮雨器动作过程。由图2、表2分析可知，随着刮刷角度的增加，角加速度和相应的冲击力也递增，相比70°，在90°的刮刷角度时系统所受冲击力基本是前面的2倍，若刮臂更长、质量更大，转动惯量也随之增大，造成的冲击也会随着刮刷角度的增大而递增。因此不同大小的冲击力是造成刮雨器系统可靠性降低的重要因素，特别是对于刮臂部分。
3刮刷角度变量对连接部位动力学分析
在刮雨器运行过程中，考虑到冲击对转动板、摆动板的影响，选取连接处转动副所承受的力和平均力进行比较并进行仿真分析，相关约束副如图3所示。经仿真，其各转动副的受力情况如图4所示。各约束副受力的曲线显示其最大的受力值均在同一时间段（除JOINT9外），整体趋势为平滑-突变-平滑的参数变化，分析认为，在一个周期内其角加速度参数突变是引起各约束副受力突变的重要因素，也是符合四连杆的急回特性。由图4、表5分析可知，随着刮刷角度的增大，其各个铰链处的受力情况也增大。同时也可以看出，刮刷角度每增加5°，铰链3受承受的最大力的增幅分别为27、42、76、176、344N，力的增幅基本是以2倍速增，也就是说在运行过程中，其所承受的力从某一个值递增到最大值时的斜率递增，同时各组件所承受的平均力基本在85°～90°状态下，力的增幅也较大。所述铰链承受的最大力均发生在刮臂往程的最大刮刷角度处，主要原因是此时速度最小，而加速度和冲击力最大。
4结论
本文采用参数化及等效模型对刮雨器系统在不同刮刷角度条件下进行了运动学和动力学仿真对比分析，结果显示，随着角度递增，影响系统可靠性的角加速度、冲击力等相关参数也成正比递增，特别是角加速度在极短时间内断崖式增长后又急速下降的特点符合四连杆急回特性。针对轨道交通刮雨器的实际使用工况，为提高整体系统可靠性设计，从设计角度出发在保证司乘人员清晰的视野范围内，尽可能减小刮刷角度、降低刮刷频率、提高材料强度，以便改善雨刮臂在换向时系统各部件和驱动装置结合处的受力情况。
作者：赵春先 何岳平 单位：中国铁路青藏集团有限公司 湖南联诚电气科技有限公司
