軌道除沙車集沙裝置關(guān)鍵功能仿真研究①

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(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

0 引 言

我國沙害嚴(yán)重地區(qū)，每年都會季節(jié)性地出現(xiàn)大風(fēng)黃沙滿天的惡劣天氣，造成鐵路軌道積沙，導(dǎo)致火車減速、停運(yùn)和脫軌，阻斷了交通運(yùn)輸，嚴(yán)重妨礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們?nèi)粘３鲂?。所以及時有效地清除鐵路軌道積沙、保證暢通的鐵路干線是鐵路養(yǎng)護(hù)工作的重要內(nèi)容。參考我國目前鐵路小型養(yǎng)護(hù)機(jī)械和國外大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時對國外鐵路除沙機(jī)械的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)研制集機(jī)械、電氣、液壓于一體且能實(shí)現(xiàn)集沙、刮沙、傳沙以及揚(yáng)沙等功能的軌道除沙機(jī)械具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1][2]。集沙裝置是軌道除沙車的重要組成部分, 主要起到集沙和刮沙的作用。其結(jié)構(gòu)布局影響到整車其他裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；其中集沙工作效率也影響整車的工作效率、作業(yè)質(zhì)量。所以合理設(shè)計(jì)集沙裝置的結(jié)構(gòu)對軌道除沙車工作效率和整車布局起到了至關(guān)重要的作用[3][4]。

1 結(jié)構(gòu)介紹

軌道除沙車主要由集沙裝置、中間運(yùn)輸裝置、揚(yáng)沙裝置、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。當(dāng)軌道除沙車行走至沙害地段，通過集沙裝置對沙子進(jìn)行堆積和收集，所收集的沙土經(jīng)中間運(yùn)輸裝置運(yùn)送到回轉(zhuǎn)的揚(yáng)沙裝置，其將沙子揚(yáng)到軌道的一側(cè)，完成整個除沙過程。

圖1 軌道除沙車總體原理方案示意圖

2 技術(shù)要求

1)實(shí)現(xiàn)一定的除沙寬度；

2)軌面以下一定除沙深度；

3)及時避讓鋼軌周圍障礙。

3 集沙裝置結(jié)構(gòu)及功能

集沙裝置置于整個車輛的最前端，主要由側(cè)翼、鏟尖、刮沙機(jī)構(gòu)和箱體組成，如圖2所示。其后部需要安裝中間運(yùn)輸裝置，需與地面成一定角度安裝。

集沙裝置主要包括集沙和刮沙兩個功能，集沙主要實(shí)現(xiàn)的功能是將鋼軌周圍一定范圍內(nèi)的沙子堆積起來，利用側(cè)翼、鏟尖和液壓缸共同完成，為了達(dá)到一定的除沙寬度在側(cè)翼上安裝液壓缸，其目的是使側(cè)翼張開一定的角度，為了避讓鋼軌周圍出現(xiàn)大石塊等突發(fā)情況，在側(cè)翼上安裝抬升液壓缸，如圖3所示。為了將軌面以下一定深度的沙子鏟推起來，同時和側(cè)翼相配合實(shí)現(xiàn)集沙功能，所設(shè)計(jì)鏟尖的結(jié)構(gòu)帶有兩個凸槽，目的是為了避讓鋼軌，如圖4所示。刮沙機(jī)構(gòu)位于集沙裝置的箱體內(nèi)，其主要功能是將前面堆積的沙子不斷的刮到箱體底部的漏斗中，實(shí)現(xiàn)刮沙，如圖5所示，刮沙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)是根據(jù)技術(shù)的成熟的刮板輸送機(jī)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。刮沙機(jī)構(gòu)主要包括刮刀、鏈條、鏈輪、主從動軸以及動力源等結(jié)構(gòu)。箱體箱體主要起到配合和支撐刮板機(jī)構(gòu)的作用，其具體尺寸要根據(jù)刮板機(jī)構(gòu)的總體長度和高度以及鏟尖的安裝角度等綜合考慮，初定其主要由側(cè)板、底板組成，如圖6所示[5][6]。

圖2 集沙裝置

圖3 側(cè)翼

圖4 鏟尖結(jié)構(gòu)

圖5 刮沙機(jī)構(gòu)

圖6 箱體

4 主要結(jié)構(gòu)功能仿真分析

Adams是廣泛運(yùn)用的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件。用戶可利用該軟件在計(jì)算機(jī)上建立和測試虛擬樣機(jī)，同時可以對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動性能有所掌握。該軟件可對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析，同時能輸出位移、速度、加速度等曲線[7][8]。本文利用三維實(shí)體軟件UG和Adams相結(jié)合的方式對側(cè)翼的張開和抬升進(jìn)行模擬仿真，分析其運(yùn)動性能是否滿足規(guī)定的要求，對以后其他結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計(jì)起參考作用。具體步驟如下：1)首先將側(cè)翼樣機(jī)以Adams能識別的Parasolid(*xmt.x_t)格式導(dǎo)入到Adams/View環(huán)境下；2)重新設(shè)定領(lǐng)、部件材料屬性，軟件也會同時自動計(jì)算部件的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量等信息[4][9][10]；3)樣機(jī)導(dǎo)入Adams后要根據(jù)樣機(jī)的運(yùn)動關(guān)系對一些部件添加約束和驅(qū)動，使它們之間有現(xiàn)對運(yùn)動關(guān)系[11]。

4.1 側(cè)翼張開運(yùn)動仿真

在Adams/View環(huán)境下，需要對側(cè)翼張開機(jī)構(gòu)各個部件定義約束，步驟如下：

1)分析側(cè)翼張開運(yùn)動中，確實(shí)不需動作或沒有相對運(yùn)動的部件如后面箱體和后側(cè)翼等結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)入之前繼續(xù)布爾加運(yùn)算；2)分析確定各部分約束的類型，合理的約束才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動，包括：后側(cè)翼和地面鏈接處為固定副，液壓缸前端耳環(huán)與末端耳環(huán)和前側(cè)翼與后側(cè)翼的凸臺為轉(zhuǎn)動副，后側(cè)翼和前側(cè)翼合頁處為轉(zhuǎn)動副，活塞和液壓缸之間為移動副；3)在移動副上施加驅(qū)動設(shè)置合理的參數(shù)公式。經(jīng)過以上步驟，最終獲得性能參數(shù)曲線圖。側(cè)翼張開仿真模型如圖7所示。側(cè)翼張開角度曲線圖如圖8所示。側(cè)翼張開運(yùn)動側(cè)翼Y方向位移曲線圖如圖9所示。

圖7 側(cè)翼張開仿真模型

從以上圖中可以看出，側(cè)翼張開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，張開液壓缸安裝位置準(zhǔn)確。達(dá)到最大除沙范圍和側(cè)翼最大的擺角的主要性能評價指標(biāo)要求。

4.2 側(cè)翼抬升運(yùn)動仿真

在Adams/View環(huán)境下，同樣需要對側(cè)翼抬升樣機(jī)各部分件繼續(xù)約束定義，步驟如下：

圖8 側(cè)翼張開角度曲線圖

圖9 側(cè)翼Y方向的位移曲線圖

圖10 側(cè)翼抬升仿真模型

圖11 活塞桿行程曲線圖

圖12 側(cè)翼液壓缸收縮位移曲圖

1)分析側(cè)翼抬升過程中，確實(shí)不需動作或沒有相對運(yùn)動的部件如后面箱體整體、前后側(cè)翼及張開液壓缸合為一體，在導(dǎo)入之前繼續(xù)布爾加運(yùn)算；2)分析確定各部分約束的類型，包括：箱體與地面鏈接處為固定副，后側(cè)翼與前側(cè)翼轉(zhuǎn)軸鏈接處定義為轉(zhuǎn)動副，液壓缸前端耳環(huán)與末端耳環(huán)和后側(cè)翼和箱體鏈接處定義轉(zhuǎn)動副，抬升液壓缸的活塞和缸筒鏈接處定義移動副；3)在移動副上施加驅(qū)動設(shè)置合理的參數(shù)公式。經(jīng)過以上步驟，最終獲得性能參數(shù)曲線圖[4]。側(cè)翼抬升模型圖如圖10所示?；钊麠U行程曲線圖如圖11所示。側(cè)翼液壓缸收縮位移曲線圖如圖12所示[12][13][14]15]。

從以上圖中可以看出，側(cè)翼抬升設(shè)計(jì)合理，抬升液壓缸安裝位置準(zhǔn)確。達(dá)到抬升避障的性能指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

本文對軌道除沙車的集沙裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上建立三維實(shí)體模型，根據(jù)技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，對能實(shí)現(xiàn)集沙功的側(cè)翼的張開和抬升進(jìn)行了運(yùn)動仿真分析，得到了滿足技術(shù)要求的機(jī)構(gòu)模型。根據(jù)運(yùn)動仿真結(jié)果顯示，在側(cè)翼進(jìn)行抬升避障時，側(cè)翼整體的垂直抬升的高度滿足要求。為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化仿真奠定基礎(chǔ)。

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