【Adams实例】排除列车手制动机反转制动隐患
0、引言
轨道机车承载着中国人的梦想，是中国高端装备制造业的典型代表，是中国走向世界的桥梁。轨道机车行业的快速发展离不开国家政策的支持，更离不开各个轨道机车企业对于产品经验积累和技术创新。
手制动机结构简单、使用轻便灵活、制动力较大，在现有客车上大量使用。由主动件摇把带动从动件锥轮，制动链绕在锥轮上带动基础制动装置，产生制动作用。
某系列客车采用手制动机，运用中发现部分机车发生反转制动现象（逆时针旋转手把为反向），为列车运行安全带来极大隐患。为更深入地研究此问题，并根据全路现况提出最简便易行的解决方案，须对手制动机的运动轨迹做仿真模拟。
1、问题描述
蜗轮蜗杆式手制动机结构简单，使用轻便灵活；制动力较大，在现有客车上大量使用。摇把的转轴是一根蜗杆，顺时针方向转动摇把即带动蜗轮主轴锥形链轮转动，把制动链卷绕在锥形链轮上，拉动手制动拉杆，带动基础制动装置动作，发生制动作用。停止转动摇把时，依靠蜗轮蜗杆的自锁作用，使手制动机保持制动而不会自然缓解。
图1 制动机结构示意图
25系列客车采用蜗轮蜗杆式手制动机，运用中发现部分车辆发生反转制动现象（逆时针旋转手把为反向），为更深入地研究此问题，并根据全路现况提出最简便易行的解决方案，须对手制动机的运动轨迹做仿真模拟。
2、原始方案分析
手制动机制动链运动轨迹仿真使用ADAMS软件来完成。仿真分析方案是首先针对问题结构建立仿真分析模型并模拟其运动状态，找出发生反转现象的原因，然后在此基础上提出改进措施，并对各改进方案一一进行验证，从而确定最终的改进方案。
本方案的关键步骤如下：
(1) 建立分析模型
以导入的CAD模型为基本几何模型，并在其基础上完善几何细节，然后再对完整的模型各构件进行质量参数的定义，主要包括质量、质心及转动惯量等参数。导入的CAD几何模型中没有完整的链条，只是将各个特殊的链环几何给出，因此需要在ADAMS中进行链条几何的完善工作，基于ADAMS对几何处理的功能，可将中间的各个链环进行位置调整及**完成链环的环环相扣，在绕链轮处还需要特殊处理，保证初始的缠绕状态合理。建立后的完整模型如图2所示。
图2 完整的制动机仿真模型
分析模型建立的另一个关键工作是建立各个链环之间的接触关系、相关链环与绕链轮、挡板及锥轮之间的接触关系，而这部分工作具有典型的重复性，因此，可以充分利用ADAMS的宏命令功能基于循环函数方便迅速地完成链条的定义。
(2) 原始方案的逆转仿真
实际情况是通过蜗轮蜗杆系统，由人提供力源，驱动锥轮运行，仿真过程中直接添加驱动载荷进行运动。原始方案的逆转分析结果如图3所示。
图3 原始方案逆转仿真结果
从图3中可以明显看出，在逆转驱动载荷作用下链条发生了逆转而且未出现卡死现象，说明原始设计方案存在逆转制动情况。为避免出现安全问题，必须通过改进设计方案，使手制动机实际工作过程中不发生逆转制动情况。
3、改进方案分析
为避免出现反转制动情况的发生，方案中提出了多种改进措施。
对各改进方案分别进行正转和反转仿真，验证改进方案是否会发生逆转、是否能够正常正转。通过仿真分析可知，在逆转时由于链传动的基本特性及手制动机设计的通过间隙等，大链轮相对小链轮更容易卡死，当然，力的传递在大链轮上表现的波动更明显，在链环的替换过程中。当挡板左移动时由于开口位置与锥轮间的等效通过间隙变大，造成逆转时通过性变容易，故容易发生逆转，而其向右移动则通过性变困难，不易发生逆转。当锥轮处第二链环同第一链环焊接在一起时，造成逆转状态下链条通过等效间隙变小，不易发生逆转，而当不焊接时，使得通过等效间隙变大，可能发生逆转。
因此，本文将锥轮处第二链环同第一链环焊接在一起时的方案作为最终改进方案。最终方案的仿真分析结果如图4和图5所示。
图4 改进方案正转仿真结果
从图4中可以看出，改进方案可以正常进行正转。从图5中可以看出改进方案逆转时出现卡死现象，说明不会出现逆转制动情况。总和图4和图5显示结果可以说明改进方案能够满足要求。
4、总结
通过ADAMS软件的仿真分析找出了手制动机原始方案中存在的反转制动的设计漏洞，通过对改进方案的仿真筛选出了最合理的设计方案。
传统的研发流程中，通过“功能性物理样机”检查机械系统的功能是否满足要求，将问题暴露在试验阶段；而ADAMS软件通过“功能性虚拟样机”来检查机械系统的运动情况，从而将传统试验阶段的主要功能提前到设计阶段，试验只起到最终方案的验证作用，从而大幅度提高研发效率、减少物理样机数量、降低研发成本，进而提高产品的核心竞争力。
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