摘要：轨道交通设备的雨刮器在高速运行环境中承担着关键的视野保障功能，其动态性能直接影响运行安全与驾驶体验。本文基于有限元分析方法，对雨刮器系统的结构响应与动力特性进行建模与仿真，分析其在典型工况下的变形响应、固有频率及振动行为。研究结果表明，通过优化连杆机构结构参数和材料选型，可有效提升其抗振性能与系统稳定性，为雨刮器产品迭代提供理论依据和工程支撑。

关键词：轨道交通；雨刮器；有限元分析；动态性能；结构优化

在高速轨道交通系统中，驾驶视野的清晰程度对列车运行安全具有决定性意义。雨刮器作为保障前视清晰的关键机构，需在高速气动扰动和频繁启停工况下保持良好的工作状态。传统设计方式多基于静态受力分析与经验选型，难以准确预测其在动态环境中的性能表现。有限元分析（Finite Element Analysis， FEA）作为一种精确的结构仿真工具，已广泛应用于轨道交通系统各类部件的动态性能研究中，尤其适用于评估结构响应与振动特性。本文结合雨刮器系统在轨道交通实际运行中的工况要求，建立其三维结构模型并进行动力学仿真，探索其结构优化路径，以期提高其整体运行可靠性。

1 雨刮器系统结构概述

1.1 系统组成与传动机构

轨道交通雨刮器一般由驱动电机、减速器、曲柄摇杆机构、刮臂与刮片组成，常采用直流电机驱动的往复式机构。其典型传动结构为双连杆四杆系统，通过机械约束实现刮片的往返运动。刮臂长、摆角、连杆刚度及其连接间隙均对刮动质量和动态响应特性产生影响。

1.2 工况特征与动态要求

轨道车辆运行时，车头前部气动负荷显著，尤其在时速超过200 km/h时，雨刮器受到复杂气流扰动及不均匀接触载荷，产生周期性振动与结构冲击。此外，雨刮器需具备抗雨雪、抗风压、低噪声与高可靠性等多重性能指标，其动态性能需满足响应速度快、运行平稳、无共振等要求。

1.3 常见失效模式

典型失效模式包括刮臂变形、连杆松动引起的轨迹偏移、结构振动引发的连接件疲劳等。提高其结构刚度、优化运动轨迹和合理配置驱动参数是提升整体性能的关键。

2 有限元建模与动态特性分析

2.1 建模方法与参数设定

在有限元仿真中，雨刮器结构采用简化建模方式，主要包括连杆、刮臂和驱动轴系统。材料选择为Q235和高强度铝合金，模型中考虑结构非线性和接触条件。采用SolidWorks进行三维建模，导入ANSYS Workbench进行静力学和模态分析。约束条件设定为固定驱动端，刮片端给予典型风荷载（0.8kPa）与反作用力模拟刮水阻力。

2.2 模态分析与固有频率分布

模态分析结果显示，雨刮器系统前五阶固有频率分别为：23.1Hz、46.3Hz、71.4Hz、98.7Hz、124.5Hz，其中第一阶模态为连杆横向振动，第二阶为刮臂扭转振型。当列车运行激励频率靠近前两阶固有频率时，系统可能产生共振。因此需将工作频率避开这些频率范围，以避免结构失稳。

2.3 动态响应仿真与性能瓶颈识别

通过施加简谐激励力模拟轨道颠簸条件，分析系统动态响应。仿真表明，刮臂末端存在最大位移约为0.86mm，刮动轨迹出现轻微偏差。最大应力集中在连杆转接部位，达185MPa，接近材料屈服强度，长期运行存在疲劳隐患。此外，系统存在延迟响应问题，主要由驱动电机惯性与连杆弹性耦合效应引起。

3 结构优化与性能提升路

3.1 材料选择与局部刚度增强

为降低整体质量并提升刚度，可将部分结构材料由碳钢替换为高模量铝合金，同时在高应力区如连接销轴部位采用强化钢或复合材料包覆。刚度分析显示，改用铝合金后第一阶固有频率提升约12%，系统抗共振能力增强。

3.2 质量分布与惯量控制设计

质量分布直接影响系统振动特性。通过对比不同刮臂长度与质量配置方案，仿真表明，刮臂长度减小10%，且末端加装阻尼块（质量25g），系统末端位移降低21.5%，固有频率上升5.8%。同时，合理控制各构件转动惯量，有助于提升系统响应速度与抗冲击能力。例如，将刮臂质量控制在350g以内，连杆部分采用对称设计，惯性匹配后启动时间缩短0.2秒，提升运行效率。

3.3 控制策略对动态性能的耦合影响

尽管本研究以结构仿真为主，仍需考虑电机控制策略对整体动态性能的反馈作用。采用脉宽调制（PWM）与闭环控制系统能提高电机响应精度，使结构响应与信号变化更同步，减少刮动迟滞和“抽搐”问题。建议未来将结构优化与控制系统设计同步开展，实现多学科协同优化。

4 结语

轨道交通雨刮器在高动态负载环境下需具备良好的结构稳定性与响应性能。本文通过有限元建模与动力仿真，识别出当前结构设计中存在的振动放大与应力集中特点，进而从材料选型、结构参数调整与质量分布优化等方面提出改进路径。研究结果可为轨道交通装备制造中的雨刮系统优化提供理论依据和设计支撑，亦可为类似小型高速运动结构件的仿真分析提供参考。

参考文献

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