鐵路除沙車集沙鏟集沙過程有限元模擬研究

吳文江， 李晨陽， 趙曉孟

(1.石家莊鐵道大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

鐵路除沙車集沙鏟集沙過程有限元模擬研究

吳文江1， 李晨陽2， 趙曉孟2

(1.石家莊鐵道大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

鐵路除沙車是課題組研發(fā)的用于沙漠地區(qū)鐵道線路除沙的專用設(shè)備，集沙裝置是鐵路除沙車的重要組成部分，在進(jìn)行集沙工作時(shí)，集沙裝置的集沙鏟承受了較大的阻力。為了研究集沙鏟工作時(shí)的受力情況和功耗情況，根據(jù)集沙鏟和積沙的各自特點(diǎn)，建立了沙土模型、積沙結(jié)構(gòu)模型和集沙鏟模型，對(duì)集沙鏟切割積沙的過程進(jìn)行了有限元?jiǎng)恿W(xué)分析。由仿真結(jié)果可知，集沙鏟在旋轉(zhuǎn)速度300 r/min，進(jìn)給速度3 km/h的額定工況下，其最大應(yīng)力為71.45 MPa，最大切割阻力為6 500 N，最大切割功耗在14～18.5 kW之間，集沙鏟葉片下邊緣和外側(cè)邊角處存在應(yīng)力集中。研究結(jié)果為鐵路除沙車集沙鏟結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的選型提供了理論依據(jù)。

集沙鏟；積沙；切割；有限元法；動(dòng)力學(xué)分析

0 引言

鐵路除沙車是沙漠地區(qū)用于清除鐵道線路積沙的專用養(yǎng)護(hù)設(shè)備，課題組研制的鐵路除沙車整車結(jié)構(gòu)如圖1所示。除沙系統(tǒng)是鐵路除沙車的重要組成部分，集沙鏟是其主要部件，集沙鏟的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由主軸和集沙葉片組成。主軸帶動(dòng)集沙葉片旋轉(zhuǎn)，集沙葉片收集沙子，并將沙子輸送到后部的排沙機(jī)構(gòu)，由排沙機(jī)構(gòu)將沙子輸送到軌道兩側(cè)。在集沙過程中，集沙鏟連續(xù)切割積沙并向排沙機(jī)構(gòu)推送沙子，因而受到持續(xù)和交變的阻力作用，此外集沙鏟的結(jié)構(gòu)也是影響其受力的重要因素，因此對(duì)其受力和功耗情況進(jìn)行分析，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化集沙鏟的結(jié)構(gòu)，更好的匹配驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，具有重要的研究意義[1]。

圖1 鐵路除沙車結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 集沙鏟結(jié)構(gòu)示意圖

1 模型的建立

1.1 積沙模型與結(jié)構(gòu)模型

積沙模型采用LS-DYNA971中的MAT193本構(gòu)模型，這種材料模型能夠有效的描述積沙的材質(zhì)特性，定義該模型的變量與土木工程中定義材料參數(shù)的類型相似。將改良的D-P模型屈服面計(jì)算方法應(yīng)用到MAT193材料模型中，增強(qiáng)了表面的抗扭曲能力，使其更加適用積沙材質(zhì)[2]。根據(jù)除沙車應(yīng)用區(qū)域鐵道線路積沙的特性，確定MAT193的主要參數(shù)(使用gm-cm-μs單位制)，其中積沙密度1.4 g·cm-3，彈性剪切模量0.03 Mbar，泊松比0.36，破壞面形狀參數(shù)2.8，摩擦角0.52 rad，凝聚力5×105N，膨脹角1.6 rad，最小剪切應(yīng)力0.05 Mbar。

圖3 積沙結(jié)構(gòu)模型示意圖

依據(jù)對(duì)除沙車應(yīng)用區(qū)域鐵道線路積沙情況的實(shí)際考察，結(jié)合機(jī)車車輛通行情況，設(shè)定被切割積沙斷面的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，積沙模型的寬度為2 400 mm，高度為400 mm，積沙表面為自然曲面，應(yīng)用二次曲線模擬積沙斷面的曲線。

1.2 集割過程的簡(jiǎn)化和集沙過程的設(shè)定

(1)假設(shè)主軸和集沙鏟葉片材料分別各向同性，集沙鏟主軸設(shè)置成剛體，集沙鏟葉片設(shè)置成柔性體，主軸與葉片之間共節(jié)點(diǎn)連接[3]。

(2)假設(shè)積沙各向同性，各部分的含水率、堅(jiān)實(shí)度和密度均勻[4]。

(3)假設(shè)在整個(gè)切割過程中，集沙鏟的旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度恒定，集沙鏟所處高度不變。

(4)集沙鏟有限元模型如圖4示，由于主軸和集沙葉片之間為剛體和柔性體硬連接，所以在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)使柔性體發(fā)生較大形變，為此在K文件中加入阻尼指令來減小剛體和柔性體連接處的應(yīng)力[6]。

圖4 集沙鏟的網(wǎng)格與節(jié)點(diǎn)劃分

圖5 集沙鏟與坐標(biāo)系的位置關(guān)系

集沙鏟工作過程中，需根據(jù)實(shí)際工作情況和程序要求進(jìn)行必要的設(shè)定，在LS-DYNA中如圖5所示，集沙主軸軸向處在X軸上，沙堆處在集沙鏟的+Z方向：

(1)設(shè)定軸、集沙鏟、積沙等均使用soild164單元，單點(diǎn)積分法計(jì)算[7]。

(2)在全局內(nèi)對(duì)軸添加集中質(zhì)量約束，限制其在X、Y方向的位移自由度和Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

(3)設(shè)定在初始時(shí)刻集沙鏟與積沙處在未接觸狀態(tài)，作業(yè)過程中集沙鏟切割積沙，將5個(gè)集沙鏟葉片定義為part集合，part集合與積沙面面侵蝕接觸[8]。

(4)根據(jù)額定工況定義集沙鏟的進(jìn)給速度為3 km/h，旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min，前進(jìn)方向?yàn)檠豘軸正向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槔@X軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

(5)為使積沙固定，對(duì)積沙下部點(diǎn)集合添加邊界約束。

(6)為積沙添加無反射邊界條件，定義無邊界solid實(shí)體，以消除邊界條件對(duì)切割過程的影響[9]。

(7)對(duì)積沙添加侵蝕后刪除指令，使積沙在指定單元侵蝕失效后由程序自動(dòng)刪去，避免產(chǎn)生負(fù)體積，以消除失效積沙對(duì)集沙鏟的影響。

2 集沙鏟工作過程分析

模擬集沙鏟切割積沙的工作過程，重點(diǎn)研究分析集沙鏟的應(yīng)力和功耗。

2.1 集沙鏟初始工況應(yīng)力分析與滿負(fù)荷工況應(yīng)力分析

模擬的初始集沙過程仿真結(jié)果如圖6所示，集沙鏟啟動(dòng)后，一開始并未與積沙接觸，在4 000μs時(shí)，集沙鏟所受阻尼力趨于穩(wěn)定，集沙葉片根部應(yīng)力達(dá)到1.705MPa。在6 000μs時(shí)，集沙鏟開始接觸到積沙，集沙鏟應(yīng)力逐漸變大，集沙葉片最大應(yīng)力出現(xiàn)在與沙接觸區(qū)域，其值為4.768MPa。此后，集沙葉片應(yīng)力繼續(xù)變大，一直達(dá)到18.96MPa。在14 000μs時(shí)，集沙鏟應(yīng)力值開始變小。從仿真結(jié)果分析可以得到以下結(jié)論：

(1)集沙葉片附加阻尼力所引起的最大應(yīng)力值是集沙鏟切割沙堆所產(chǎn)生最大應(yīng)力值的1/10，并且非工作葉片上的相對(duì)應(yīng)力值為零，因此阻尼力的添加并不影響計(jì)算結(jié)果。

(2)集沙過程中，隨著切割積沙量的增加，集沙鏟最大應(yīng)力值越來越大，最大值出現(xiàn)在集沙鏟的根部和與積沙接觸的邊緣區(qū)域。

圖6 初始集沙工況集沙鏟應(yīng)力云圖

隨著集沙鏟的前移，其集沙鏟葉片單次集沙量逐步增加，當(dāng)單次集沙量達(dá)到最大時(shí)，集沙鏟進(jìn)入滿負(fù)荷工作狀態(tài)。模擬的滿負(fù)荷集沙鏟工作過程仿真結(jié)果如圖7所示，在1.3×105μs時(shí)，集沙鏟葉片剛接觸到積沙，此時(shí)集沙鏟葉片根部受力較大，最大應(yīng)力值為19.72 MPa；1.4×105μs時(shí)，集沙鏟葉片與積沙作用面積增大，此時(shí)集沙鏟的最大應(yīng)力為48.55 MPa，出現(xiàn)在集沙鏟與軌道貼合處附近，集沙鏟整體應(yīng)力并不大，但應(yīng)力較為集中；在1.48×105μs時(shí)，集沙鏟應(yīng)力繼續(xù)增大，應(yīng)力集中出現(xiàn)在與沙子接觸區(qū)域，最大值為71.45 MPa；在1.54×105μs時(shí)，集沙鏟最大應(yīng)力開始變小。從仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1)集沙鏟的最大應(yīng)力值隨著集沙鏟與積沙作用面積的增大而增大，最大應(yīng)力值為71.45 MPa。

(2)集沙鏟的最大應(yīng)力值常出現(xiàn)在其與積沙接觸的下邊緣處或外側(cè)邊緣的尖角處。

圖7 滿負(fù)荷工況集沙鏟應(yīng)力云圖

2.2 集沙鏟切割阻力和功耗分析

集沙鏟各葉片依次切割積沙的阻力如圖8所示，該力是X、Y、Z方向阻力的合力。在初始切割積沙時(shí)，切割阻力較小，隨著集沙鏟逐步達(dá)到滿負(fù)荷工況，切割阻力增加到5 500 N以上。

切割功耗是集沙鏟的主要功耗，其數(shù)值是選擇集沙鏟驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的主要依據(jù)[10]。在分析切割積沙阻力的基礎(chǔ)上，將切割阻力對(duì)位移積分，再對(duì)時(shí)間微分得到切割功耗曲線，切割功耗曲線如圖9所示，集沙鏟進(jìn)入滿負(fù)荷工況后，最大切割功耗在14～18.5 kW之間。

圖8 切削阻力變化曲線

圖9 切削功耗變化曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)集沙鏟集沙過程的模擬仿真，得到以下結(jié)論：

(1)集沙鏟大部分區(qū)域應(yīng)力在10～25 MPa之間，滿足強(qiáng)度要求。在集沙鏟下邊緣處和外側(cè)尖角處，最大應(yīng)力能達(dá)到71.45 MPa有應(yīng)力集中現(xiàn)象，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

(2)集沙鏟切割積沙過程中，切割阻力為周期性力，最大值為6 500 N左右，變化范圍較大，因而除沙鏟葉片存在潛在的疲勞損傷。

(3)集沙鏟最大切割功耗在14～18.5 kW之間有一定浮動(dòng)，為維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的額定功率應(yīng)大于18 kW。后期改進(jìn)中，考慮改變刀具形狀和添加配重，增加刀具轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以達(dá)到充分利用功率、降低額定功率、減小功率浮動(dòng)范圍的目的。

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The Study on Sand-collecting Process of Rail Sand-clearingVehicle with Finite Element Simulation

Wu Wenjiang1， Li Chenyang2， Zhao Xiaomeng1

(1.Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University , Shijiazhuang 050043,China;2.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043,China,)

The rail sand-clearing vehicle is a device designed by the research group to remove sand for rail tracks in desert area. The sand-collecting shovel is an important part in the vehicle. When the equipment works, the sand-collecting shovel bears large hindrance. To explore the sand shovel's cutting force and power consumption conditions in rotary movement, this paper uses LS-DYNA finite element dynamic analysis to simulate the shovel cutting process which is according to the characteristics of the sand shovel and the sand. This paper gets the concentrated stress, cutting force and power consumption of the sand shovel in real-time. The simulation experiments show that the maximum stress of the shovel is 71.45 MPa, and the maximum cutting force is 6 500 N and the average power consumption is between 14 to 18.5 kW on the sand shovel when it is in the speed of 300 r/min and 3 km/h. The research results provide a theoretical basis for the vehicle' further improvement and optimization.

sand-collecting shovel;sand pile;cutting;FEM;dynamic analysis

河北省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目 (yc2016003 )

吳文江(1965-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。E-mail:bfwwj@163.com

TH238

A

2095-0373(2017)02-0068-05

2016-04-19 責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.12

吳文江，李晨陽，趙曉孟.鐵路除沙車集沙鏟集沙過程有限元模擬研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(2):68-71.