趙春先，何岳平

（中國鐵路青藏集團有限公司，西寧 810000；湖南聯(lián)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(tǒng)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(huán)境，另一方也是提高刮雨器可靠性的重要設計依據(jù)。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(jié)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(qū)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(tǒng)的可靠性的影響進行分析，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)動裝置主要是由四連桿機構(gòu)及電動機組成，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，對四連桿機構(gòu)進行等效及參數(shù)化模型的運動仿真和分析，求解出其運動學參數(shù)即刮刷角度、運動速度和加速度等運動參數(shù)，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(tǒng)中的轉(zhuǎn)動板、連桿、擺動板及固定桿長度，通過矢量關(guān)系建立A、B、C、D點的坐標關(guān)系，采用等效模型建立參數(shù)化模型，并進行4個旋轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)影響分析

鑒于轉(zhuǎn)動板的長度變化對角度變化的敏感度相對其他參數(shù)比較大，故采用單因素分析法，分析時保證除轉(zhuǎn)動板參數(shù)變化外，其他設計變量不發(fā)生改變來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(zhì)量為2.4 kg，轉(zhuǎn)動慣量為0.684 kg·m2，四連桿初始參數(shù)為X=[24.5，112.5，44.5，108.7]，定義轉(zhuǎn)動板長度參數(shù)變化值為DV_LAB=[24.5，26，27.5，29，30.5，31.5]，通過仿真結(jié)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(shù)對應的行程速度變化系數(shù)K來衡量四連桿的急性回轉(zhuǎn)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(shù)

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(gòu)沒有行程速度變化；當θ≠0時，K＞1，則機構(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(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(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刮雨器系統(tǒng)所受沖擊的大小，由于四連桿機構(gòu)本身存在急性回轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhì)量，kg；L為刮臂長度，m；α為系統(tǒng)角加速，rad/s2。

從圖2加速度曲線可見，在一個刮刷周期內(nèi)角加速度平穩(wěn)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(tǒng)所受沖擊力基本是前面的2倍，若刮臂更長、質(zhì)量更大，轉(zhuǎn)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(tǒng)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?jīng)_擊對轉(zhuǎn)動板、擺動板的影響，選取連接處轉(zhuǎn)動副所承受的力和平均力進行比較并進行仿真分析，相關(guān)約束副如圖3所示。

圖3 各轉(zhuǎn)動副位置圖

經(jīng)仿真，其各轉(zhuǎn)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(shù)變化，分析認為，在一個周期內(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(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(jié)論

本文采用參數(shù)化及等效模型對刮雨器系統(tǒng)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(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間內(nèi)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(tǒng)可靠性設計，從設計角度出發(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、提高材料強度，以便改善雨刮臂在換向時系統(tǒng)各部件和驅(qū)動裝置結(jié)合處的受力情況。