点击下载——过山车轮轨摩擦实验台设计.doc

过山车轮轨摩擦实验台设计

宋海洋^①，屈福政

(大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024)

摘 要：过山车轮轨系统的摩擦系数对过山车设计至关重要。首先介绍了摩擦系数测试实验台设计，然后利用ADAMS动力学仿真软件和ANSYS有限元分析软件，对实验台动态性能进行了研究。通过仿真测试出五组不同作用力下的摩擦系数，利用MATLAB软件进行数据处理，得到摩擦系数与作用力和速度的函数关系，验证了实验台的可行性。

关 键 词：过山车；轮轨摩擦系数；实验台；刚柔耦合分段仿真；ADAMS软件

1 引言

过山车是利用自身的初始重力势能完成运动的大型游乐设施，其运行过程中的运动学和动力学性能直接决定了其安全性。过山车的轮轨系统包括行走轮、侧导轮、倒挂轮和轨道^[1]，过山车的运行过程就是初始重力势能被轮轨摩擦和其他阻力不断消耗的过程，所以轮轨系统摩擦的大小直接决定了过山车运行过程中的运动学和动力学性能。

现有的过山车运动学和动力学分析都是根据经验给定轮轨系统的摩擦系数，而实际的摩擦受到材料性质、载荷、滑动速度、温度、表面粗糙度、表面膜等因素的影响^[2]，所以有必要就过山车轮轨系统摩擦特性进行实验研究，以保证仿真的真实性，提高过山车的整体设计水平。为了达到上述目的，本文设计了一种过山车轮轨系统摩擦系数实验台，用来确定轮系与轨道之间的摩擦系数。因为要适应不同的轨道和轮组，实验台结构比较复杂；另外，由于轮轨相对运行速度比较快，所以有必要对实验台的动态性能进行仿真分析，保证实验台的性能。

2 实验台

2．1 设计依据

根据现有的仿真和样机测试结果，本实验台的主要设计参数如下:

1)过山车最大运行速度100km/h；

2)行走轮最大受力56kN；

3)行走轮与轨道的最大摩擦系数为0．035。

2．2 机械结构设计过山车摩擦系数实验台由加载装置、车轮组、轨道、驱动装置和支撑装置等部分组成，如图1所示。其中，车轮组为三轮系统中的任意一种，本文以研究行走轮为例。由于实验环境和空间的限制，很难按实际过山车的运动模式建立实验台，因此这里用一个大的圆环形轨道，用驱动装置驱动轨道做旋转运动，进而实现轨道和车轮的相对运动。

轨道通过固定的支撑轮约束实现绕固定轴旋转，采用定量马达作为圆环轨道的驱动装置，依据马达上的转速传感器测量值改变排量，实现轨道的速度控制。车轮组靠液压缸加载作用与轨道接触，用导向装置实现车轮组横向约束，导向装置在沿轨道方向的受力通过拉压传感器测得。液压缸上装有压力传感器，用来测得车轮组所受的作用力。最终，将所有采集数据通过计算机处理得出对应于给定速度和作用力的摩擦系数。

2．3 液压系统设计

根据实际需要，本文设计的实验台选择了液压传动作为驱动实验台运转的传动方式，与其他传动方式相比，液压传动具有传动平稳、承载能力大、调速范围大和易于实现过载保护的优点。

本实验台的液压系统中有两个回路，一是驱动液压缸，另一个驱动液压马达。液压系统采用双输出电机，分别驱动齿轮泵和变量泵(见图2)。

3 实验台刚柔耦合仿真

3．1 实验台虚拟样机建模

采用ADAMS软件进行实验台刚柔耦合仿真。本文将实验台整机模型划分为刚性体部件和柔性体部件，并且利用弹簧弹力模拟加载液压缸的作用力，用step函数模拟马达的驱动。

ADAMS中的柔性体载体是包含构件模态信息的模态中性文件(．mnf文件)，该文件包含有柔性体的集中质量和刚度矩阵、节点质量与惯量、节点坐标、特征值、模态振型和模态载荷等信息^[3]，本文借助ANSYS有限元软件来完成柔性体建模；刚性体模型的建立选用PRO/E软件，为了简化模型，只将复杂零件从PRO/E中导入到ADAMS，其余刚性体在 ADAMS中直接简化建模或用约束代替。虚拟样机模型创建后，定义各构件之间相对运动关系，使相互独立的各个构件组成一个有确定运动的机械系统。ADAMS提供的常用约束包括：转动副(Revolute)，固定副(Fixed)，移动副(Translational)，球面副(Spherical)等，实验台各部件的约束关系由表1给出。当两个构件的表面之间发生接触时，这两个构件就会在接触的位置产生接触力，ADAMS中提供了多种接触类型。其中，轨道和车轮组的接触类型属于柔性体与柔性体接触，接触材质为钢与橡胶接触；轨道和所有支撑轮的接触类型属于柔性体与刚性体接触，接触材质为钢与钢接触，接触参数设置如表2所示^[3]。

至此，实验台的仿真模型已经建立，如图3所示，根据实际工况确定虚拟样机中各参数设置，进行刚柔耦合仿真。

3．2 仿真结果分析

本实验台仿真的关键问题在于车轮组与轨道的接触，其接触类型为柔性体与柔性体的接触，易发生接触力突然消失、接触体互相穿透的现象。本文采用分段仿真法，将仿真的整个时间段分成数个小的时间段分别进行仿真，调用ADAMS脚本仿真中的Save命令和Reload命令，在完成一段仿真时，用Save命令将当前的所有动力学参数值和系统变量存为一个文件，下一段仿真开始时，用Reload命令将该文件载入并作为当前段仿真的初始值，同时每一段仿真结束都输出一个结果文件，以便最后的数据融合^[4]。分段仿真法避免了ADAMS求解多接触问题时易发生的错误。

以测量车轮组在最大作用力下的摩擦系数为例，设置仿真时长为20s，步长为0．1，进行仿真。通过测量驱动轮、轨道和车轮组的转速时程曲线如图4示，可以看出驱动轮、轨道和车轮组之间没有打滑现象发生。车轮组在10s时刻达到实验所要求的最大转速173．6rad/s(即100km/h)，之后平稳运转。

图5是车轮组所受作用力的时程曲线，可以看出弹簧弹力较好的模拟了设有蓄能器的液压缸作用力的动态效果，作用力值在56kN上下振荡。图6是车轮组车轮轮心竖直方向位移的时程曲线，可以看出车轮组在运行过程中的振动情况。由于车轮组与轨道是柔性体，所以在刚开始接触时有一定的变形，导致车轮组位移较大，之后车轮组在一定范围内平稳振动，最大位移为5mm。通过测量模拟拉压传感器的拉力，经过数据处理可得到车轮组所受的摩擦力，然后，通过摩擦系数计算公式计算出车轮组与轨道之间的摩擦系数，并转换成摩擦系数关于轨道速度的曲线(图7)。

为了验证实验台的可行性，分别对20kN、30kN、40kN、50kN和56kN五组不同车轮组作用力值进行了仿真，经过尝试得知仿真的时间长短对本文研究的仿真结果没有影响，考虑到耗时问题，设置仿真时长为7s，步长为0．1，仿真结束得到五条摩擦系数关于轨道速度的曲线。利用MAT-LAB软件进行数据处理，得到摩擦系数关于作用力和速度的曲面及函数表达式，分别如图8和式1所示^[5]。

f(v，N)=0．02661+0．002608v－2．449e－7N (1)

式中f—车轮组与轨道之间的摩擦系数；

v—轨道速度，m/s；

N—车轮组所受的作用力，N。

4 结论

利用虚拟样机技术，通过对所设计的过山车轮轨系统摩擦系数测试实验台的仿真研究，证明了该实验台的动力学性能可以满足摩擦性能测试的要求。

参 考 文 献：

[1]   郑建荣，汪惠群．过山车虚拟样机的建模与动态仿真分析[J]．机械设计与研究，2004，Vol．20(2)：74－77．

[2]   韩中领，汪家道，陈大融，孔宪梅．一种多功能摩擦实验台的设计及实验[J]．机械科学与技术，2007，Vol．26(10)：1245－1248．

[3]   李增刚著．ADANS入门详解与实例[M]．北京：国防工业出版社，2009．

[4]   石明全．基于ADAMS的多接触问题研究[J]．计算机工程与应用，2004，Vol．29：220 －222．

[5]   陈杰著．MATLAB宝典[M]．北京：电子工业出版社，2007．