除雪車集雪螺旋切雪過(guò)程有限元模擬研究

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

0 引言

鐵路是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，在我國(guó)北方的一些地區(qū)，由于冬季降雪造成鐵路運(yùn)輸線路積雪中斷的事件時(shí)有發(fā)生。鐵路除雪車是一種能夠快速清除軌道積雪的鐵路養(yǎng)護(hù)設(shè)備，其中集雪螺旋是用以將分散的積雪聚集起來(lái)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)除雪車工作性能好壞起決定性作用。

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)集雪螺旋切削冰雪過(guò)程的文獻(xiàn)很少，所做的研究也不深入。鐵路軌道除雪車的集雪螺旋切削冰雪的過(guò)程屬于非線性動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題。本文采用ABAQUS軟件里的ABAQUS/Explicit模塊對(duì)集雪螺旋切雪過(guò)程進(jìn)行了建模和數(shù)值模擬[1]，分析了螺旋切削過(guò)程中螺旋—積雪相互作用的規(guī)律，并研究了螺距變化對(duì)螺旋受力的影響規(guī)律，為優(yōu)化除雪車的作業(yè)性能，提高效率，降低作業(yè)功耗，改善除雪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 鐵路除雪車結(jié)構(gòu)及工作原理

鐵路除雪車的結(jié)構(gòu)主要包括主機(jī)和除雪裝置兩部分。主機(jī)用來(lái)提供行進(jìn)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)除雪裝置；除雪裝置則在動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)清除軌道積雪的目的。除雪裝置作為鐵路除雪車的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置主要由集雪螺旋、變速器、拋雪風(fēng)扇、雪鏟、馬達(dá)等部分組成。除雪車工作時(shí)，由主機(jī)牽引除雪裝置并提供動(dòng)力，主機(jī)液壓系統(tǒng)與除雪裝置的馬達(dá)連接，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)拋雪風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇軸再將動(dòng)力傳遞至一個(gè)定傳動(dòng)比的T型變速器，變速器輸出軸帶動(dòng)集雪螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，集雪螺旋將分散積雪聚集到雪鏟中間，再利用拋雪風(fēng)扇將雪上揚(yáng)拋出，從而實(shí)現(xiàn)集雪、拋雪的工作過(guò)程。集雪螺旋的工作效率直接影響著除雪車的性能。

圖1 除雪裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 切削冰雪有限元模型建立

集雪螺旋在與積雪相互作用的過(guò)程中，既會(huì)對(duì)積雪產(chǎn)生剪切作用，也會(huì)使積雪材料發(fā)生塑性變形，本文使用的積雪本構(gòu)模型為線性Drucker-Prager模型，是擴(kuò)展的Druker-Prager 模型[2]中的一種，該模型是由經(jīng)典的Druker-Prager模型擴(kuò)展而來(lái)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于為積雪建立有限元模型的文獻(xiàn)幾乎沒有，國(guó)外一些學(xué)者建立的“車輪—積雪模型”采用的就是擴(kuò)展的Druker-Prager 模型[3]。在劃分網(wǎng)格時(shí)，利用ALE 自適應(yīng)網(wǎng)格(ALE adaptive meshing)的方法[4]，有效解決了積雪模型受到刀具切削時(shí)網(wǎng)格發(fā)生很大扭曲和變形從而導(dǎo)致計(jì)算不收斂的問(wèn)題[5]。

2.1 切削冰雪模型簡(jiǎn)化

由于軌道上積雪密度較小，集雪螺旋切削冰雪的過(guò)程因螺旋刀具與冰雪摩擦所產(chǎn)生的熱量可忽略不計(jì)。集雪螺旋的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文旨在分析集雪螺旋切削冰雪過(guò)程的受力特性，因此將集雪螺旋模型簡(jiǎn)化為直徑為750 mm，帶寬為100 mm，螺距為600 mm，軸向長(zhǎng)度為1 500 mm的帶狀螺旋，積雪模型簡(jiǎn)化為長(zhǎng)4 000 mm、寬2 500 mm、雪深150 mm的長(zhǎng)方體。同時(shí)對(duì)螺旋集雪的過(guò)程做出以下假設(shè)。

(1)假設(shè)積雪各向同性，所有部分的性質(zhì)相同，深度相等，密度均勻。

(2)假設(shè)集雪螺旋為剛體[6]。

(3)假設(shè)在整個(gè)除雪過(guò)程中，集雪螺旋轉(zhuǎn)速不變，前進(jìn)速度不變，除雪深度不變。

2.2 切削冰雪過(guò)程設(shè)定

圖2 裝配完成后的切雪模型

切雪作業(yè)開始后，螺旋下沉100 mm，即切削深度為100 mm，將積雪模型和螺旋刀具模型用三維制圖軟件Solidworks作出，保存為.xt格式，分別導(dǎo)入ABAQUS軟件，并裝配。裝配好的模型如圖2所示。設(shè)定集雪螺旋的回轉(zhuǎn)軸平行于Y軸，螺旋工作時(shí)沿Z軸正方向前進(jìn)。

定義集雪螺旋的密度為7 860 kg/m3，楊氏模量為212 000 MPa，泊松比為0.288。積雪模型選用擴(kuò)展的 Drucker-Prager 本構(gòu)模型，其主要參數(shù)設(shè)定如表1和表2所示[7]。

表1 積雪的D-P材料模型參數(shù)

表2 積雪的D-P硬化參數(shù)

將切削模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，集雪螺旋采用四面體單元，共劃分5 104個(gè)單元，集雪模型采用六面體結(jié)構(gòu)單元，共劃分140 000個(gè)單元。本文將集雪螺旋切削冰雪的過(guò)程設(shè)置2個(gè)分析步進(jìn)行處理，第一個(gè)分析步是使處于冰雪表面的螺旋下沉100 mm，第二個(gè)分析步使螺旋旋轉(zhuǎn)前進(jìn)切削雪層，時(shí)間為5 s。除雪車作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度與集雪螺旋轉(zhuǎn)速可根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，本文參考除雪車進(jìn)行除雪實(shí)驗(yàn)時(shí)的車速與螺旋轉(zhuǎn)速，設(shè)定其Z軸方向前進(jìn)速度為180 mm/s，角速度為-12 rad/s，旋轉(zhuǎn)方向遵守右手法則。

3 集雪螺旋集雪作業(yè)過(guò)程分析

3.1 集雪螺旋切削冰雪過(guò)程應(yīng)力分析

本文主要研究螺旋切削冰雪的過(guò)程，即模型的第二個(gè)分析步。在此分析步中，螺旋轉(zhuǎn)速為12 rad/s，位移速度為180 mm/s,為看圖方便，將變形過(guò)大的失效單元隱藏，積雪所受應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 集雪螺旋切削積雪應(yīng)力云圖

圖4 集雪螺旋切削積雪應(yīng)力時(shí)域曲線圖

積雪所受應(yīng)力大小反映了螺旋刀具對(duì)冰雪的切削能力，積雪所受應(yīng)力越大，其被切削發(fā)生位移的可能性越大，螺旋刀具對(duì)冰雪的切削能力也就越強(qiáng)。整個(gè)作業(yè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的最大應(yīng)力時(shí)域曲線如圖4所示，切削冰雪的過(guò)程應(yīng)力在1 200 kPa附近上下波動(dòng)，波動(dòng)是由螺旋的周期性旋轉(zhuǎn)和積雪位移后導(dǎo)致的厚度不均勻所造成，平均應(yīng)力大小為1 195 kPa，最大應(yīng)力為1 443 kPa，應(yīng)力平均值和最大值是評(píng)判一定結(jié)構(gòu)的螺旋刀具切削冰雪能力的重要指標(biāo)。

3.2 切削冰雪過(guò)程受力及扭矩分析

對(duì)整個(gè)除雪過(guò)程中集雪螺旋受到積雪的反作用力和反作用扭矩進(jìn)行分析，有助于了解集雪螺旋切削冰雪過(guò)程的力學(xué)特性。螺旋在X軸方向所受反作用力為其在垂直方向的受力，螺旋在Z軸方向所受反作用力為其在前進(jìn)方向的受力，反映了除雪作業(yè)的阻力。X向力與Z向力的合力大小可為螺旋軸軸承、聯(lián)軸器等零件的選型提供重要依據(jù)。X向力的時(shí)域曲線如圖5所示，在時(shí)間為0處，螺旋下沉到雪中作業(yè)深度并開始做回旋前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)瞬時(shí)受力最大，達(dá)到795 N，隨后受力變小，力大小在250 N上下平穩(wěn)波動(dòng)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。Z向力的時(shí)域曲線與X向力相似，在螺旋工作開始，瞬時(shí)受力很大，最大受力達(dá)到2 570 N，隨后受力趨于平緩，大小在350 N上下波動(dòng)，開始正常作業(yè)。

螺旋在Y軸方向所受反作用力是其在螺旋回轉(zhuǎn)軸方向所受軸向力，該力的大小可為螺旋軸軸承選型提供參考，使軸承的軸向受力性能可以滿足要求，同時(shí)該力的大小也反映了螺旋的軸向集雪性能，有助于改善集雪螺旋的集雪效率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Y向力在切削剛開始時(shí)的瞬時(shí)脈沖達(dá)到6 869 N，在正常切削狀態(tài)下，受力大小在1 100 N上下浮動(dòng)。

螺旋所受繞螺旋回轉(zhuǎn)軸的反作用扭矩則直觀地反映了積雪在集雪螺旋工作動(dòng)時(shí)帶來(lái)的阻力狀況，為集雪螺旋的材料選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和除雪裝置的動(dòng)力配置等提供依據(jù)。螺旋軸軸向反作用扭矩的時(shí)域曲線如圖6所示，螺旋在0 s時(shí)還未開始旋轉(zhuǎn)，所受扭矩為負(fù)值，旋轉(zhuǎn)開始所受瞬時(shí)扭矩最大，達(dá)到844 N·m，在工作狀態(tài)平穩(wěn)后，扭矩穩(wěn)定在150 N·m附近。

圖5 螺旋在X軸方向所受反作用力時(shí)域曲線圖

圖6 螺旋所受反作用扭矩時(shí)域曲線圖

4 螺距對(duì)螺旋—積雪相互作用的影響

螺距是集雪螺旋的重要參數(shù)之一，螺距大小對(duì)集雪螺旋的切削性能，集雪效率，受力狀況等都有重要影響，研究不同螺距大小對(duì)集雪過(guò)程中螺旋—積雪相互作用的影響可為優(yōu)化螺旋結(jié)構(gòu)，改善螺旋集雪性能提供重要參考。

圖7 積雪應(yīng)力對(duì)比曲線圖

設(shè)定螺距為600 mm、500 mm、400 mm 3組模型進(jìn)行對(duì)比分析。在研究過(guò)程中，為了突出螺距改變對(duì)除雪過(guò)程受力狀況的影響，忽略螺旋剛開始旋轉(zhuǎn)時(shí)的瞬態(tài)力學(xué)特征，選擇一般工況即已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)的時(shí)間段的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。3種螺距的螺旋應(yīng)力對(duì)比曲線如圖7所示，從曲線可以看出螺距為600 mm時(shí)，積雪所受應(yīng)力最大，其次是500 mm的螺距。螺距為400 mm時(shí)，積雪應(yīng)力最小。應(yīng)力大小反映了螺旋刀具切削冰雪的能力，因此可以得出，增大螺距可以增強(qiáng)螺旋對(duì)冰雪的切割能力，但是增大螺距對(duì)于螺旋刀具切削冰雪能力的提升幅度并不顯著。

根據(jù)數(shù)值仿真數(shù)據(jù)得到3種不同螺距的螺旋各方向所受平均力，平均力方差，扭矩值和扭矩方差等性能評(píng)判參數(shù)，如表3所示。

表3 不同螺距螺旋性能評(píng)判數(shù)據(jù)

集雪螺旋在X軸和Z軸方向的受力會(huì)直接施加到聯(lián)軸器和軸承，3種螺距螺旋X向受力的對(duì)比曲線如圖8所示，螺旋Z向受力與X向受力特征相似，結(jié)合表3數(shù)據(jù)，可以得出，3種螺旋在X軸、Z軸方向的受力大小相差不多，在50 N以內(nèi)，但是當(dāng)螺距為600 mm時(shí)，其受力方差明顯大于其它兩張螺距的螺旋。螺距增大，其受力的波動(dòng)越大，對(duì)軸承造成的瞬時(shí)沖擊就越大。螺距過(guò)小，也會(huì)增加螺旋受力的波動(dòng)情況，在此3組模型當(dāng)中，500 mm螺距工作狀態(tài)最穩(wěn)定，受力波動(dòng)最小。因此，在集雪螺旋設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)減小螺距，有利于集雪螺旋平穩(wěn)工作，減少對(duì)軸承和聯(lián)軸器等零件的沖擊。

對(duì)比分析3種螺距集雪螺旋在Y軸即螺旋回轉(zhuǎn)軸方向的受力可以得出，螺距增大，有利于減小螺旋軸向的受力。同時(shí)，螺旋螺距越小，其軸向受力大，對(duì)積雪的軸向輸送能力就越強(qiáng)，從而減少了雪的縱向無(wú)效流動(dòng)，提高集雪效率。同時(shí)，大螺距也會(huì)顯著增加螺旋工作時(shí)的受力波動(dòng)。

回轉(zhuǎn)螺旋受到的反作用扭矩對(duì)比曲線如圖9所示，結(jié)合表3數(shù)據(jù)，可以看出，3種螺旋所受的扭矩值平均值分別為153 N·m、158 N·m、156 N·m，差距很小，幾乎可以忽略不計(jì)，扭矩方差分別為2 871 N·m、931 N·m、1 456 N·m?？梢娐菥嗵髸?huì)導(dǎo)致螺旋受到的瞬時(shí)反作用扭矩波動(dòng)幅度變大，螺距過(guò)小也會(huì)帶來(lái)扭矩波動(dòng)的不平穩(wěn)。過(guò)大的瞬時(shí)扭矩不利于集雪作業(yè)的平穩(wěn)進(jìn)行，也會(huì)對(duì)變速器齒輪、傳動(dòng)裝置、液壓馬達(dá)、液壓油泵等造成很大的沖擊，降低它們的壽命。因此，從改善集雪螺旋工作平穩(wěn)性的角度來(lái)講，500 mm的螺距是最優(yōu)選擇。

圖8 螺旋X軸方向受力對(duì)比曲線圖

圖9 螺旋所受反作用扭矩對(duì)比曲線圖

5 結(jié)論

(1)針對(duì)冬季北方積雪的物理特性建立的螺旋—積雪相互作用模型，經(jīng)除雪車實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，能夠有效地模擬集雪螺旋與積雪相互作用的過(guò)程。

(2)應(yīng)力大小是反映螺旋刀具切削冰雪能力的重要指標(biāo)；X向力與Z向力的合力大小反映了除雪作業(yè)的阻力；螺旋在Y軸方向所受反作用力是其在螺旋回轉(zhuǎn)軸方向所受軸向力，該力的大小反映了螺旋的軸向集雪性能；螺旋所受繞螺旋回轉(zhuǎn)軸的反作用扭矩則直觀地反映了積雪在集雪螺旋工作時(shí)帶來(lái)的阻力狀況。

(3)增大螺距會(huì)小幅度增強(qiáng)螺旋切削冰雪的能力；同時(shí)增大螺距會(huì)減小螺旋的軸向受力，不利于提高螺旋對(duì)積雪的軸向輸送能力；而螺距的改變對(duì)于除雪阻力的影響非常小。此外，過(guò)大或過(guò)小的螺距選擇都會(huì)使螺旋受力和所受反作用扭矩波動(dòng)過(guò)大，不利于集雪螺旋的平穩(wěn)工作，還會(huì)對(duì)軸承、變速器齒輪、傳動(dòng)裝置、液壓馬達(dá)、液壓油泵等造成很大的沖擊，降低其壽命。

(4)綜合考慮以上因素，當(dāng)螺距為500 mm時(shí)，螺旋的垂向受力和前進(jìn)方向受力波動(dòng)幅度最小，扭矩波動(dòng)幅度最小，工作穩(wěn)定性最好，同時(shí)也保證了集雪螺旋有較好的切削冰雪性能和軸向集雪性能，是三者間的最優(yōu)選擇。

本研究工作探索了螺旋—積雪相互作用規(guī)律，可用于預(yù)測(cè)集雪螺旋在除雪作業(yè)中的受力狀況，預(yù)測(cè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)集雪螺旋作業(yè)效果的影響，為集雪螺旋的幾何結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇、零件選型、動(dòng)力單元的配置提供參考依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到提高除雪車工作效率，降低功耗的目標(biāo)。