鐵路軌道除沙車除沙裝置的離散元仿真分析與試驗

鄭明軍， 胡慶江， 吳文江

（1．石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2．石家莊鐵道大學 工程訓練中心，河北 石家莊 050043）

0 引言

鐵路軌道除沙車作為清除沙漠地區(qū)軌道積沙的鐵路養(yǎng)護設備，對保障鐵路運輸?shù)恼＿\營起到了不可忽視的作用［1］。軌道除沙車的集沙、排沙和拋沙過程屬于機械結(jié)構(gòu)與沙土的切割和碰撞過程，目前國內(nèi)外對除沙車除沙過程中機械—沙土接觸作用機理尚未深入研究，從而使除沙裝置的設計缺乏相應的理論指導。由于除沙車除沙過程中沙粒數(shù)目巨大，且呈現(xiàn)出非線性流動狀態(tài)，通常應用于機械—沙土接觸模型的分析法、經(jīng)驗法和連續(xù)體數(shù)值法均不適用［2］。DEM 是一種處理非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，目前該方法已成為研究顆粒體運動問題的通用方法，并在礦山、能源化工、散粒體運輸和農(nóng)業(yè)等許多領域發(fā)揮了重要作用［3］。

1 離散元法基礎理論

離散元中接觸力學模型按接觸方式、球體接觸理論可分為硬球模型和軟球模型［4］。硬球模型認為顆粒間的碰撞是瞬時的，顆粒之間不會發(fā)生顯著的塑性變形，其缺點只考慮2個顆粒的同時碰撞，而軟球模型接觸時會出現(xiàn)多個顆粒持續(xù)的碰撞［5］。軟球模型是離散元法中一種常見的接觸模型，由于西北風沙地區(qū)沙子干燥細小、沙粒間黏附力可忽略，近似理想顆粒體等特點?；谲浨蚰Ｐ停捎肏ertz-Mindlin接觸力學模型模擬沙粒在除沙車內(nèi)運動過程。

其法向接觸力為

式中，kn為法向剛度；δn為法向重疊量；˙δn為法向相對速度影響因子；cn為法向阻尼系數(shù)。

接觸時的切向力為

式中，δτ為切向重疊量；˙δτ為切向相對速度；μ 為滑動摩擦因數(shù)；Sτ為切向剛度。

2 除沙車結(jié)構(gòu)原理與建模

2.1 除沙車結(jié)構(gòu)原理與模型簡化

鐵路軌道除沙車結(jié)構(gòu)主要由集沙裝置、排沙裝置、拋沙裝置、驅(qū)動裝置等部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。軌道除沙車最前端為集沙裝置，它由集沙鏟、固定鏟構(gòu)成。除沙車作業(yè)時集沙鏟伸入到軌面以下，配合固定鏟旋轉(zhuǎn)來將沙子刮入集沙鏟內(nèi)，然后將沙子送入緊鄰其后的排沙裝置螺旋內(nèi)，螺旋軸向轉(zhuǎn)動將沙子橫向推到拋沙裝置拋沙扇處，拋沙扇將沙子以一定的速度拋出拋沙口。除沙車驅(qū)動裝置由柴油機提供動力，驅(qū)動液壓系統(tǒng)中的液壓泵工作，從而完成整個除沙工作過程。

在EDEM 中，只需要建立沙粒與除沙車工作部件模型來進行模擬仿真，為了減小仿真時間，仿真時將鐵路軌道除沙車工作裝置模型進行簡化，如圖2所示。簡化模型中除沙車主要運動部件與樣機實際尺寸一致，將簡化后的三維模型導入到EDEM 中。

圖1 鐵路軌道除沙車三維模型

圖2 除沙車工作裝置簡化模型

2.2 仿真過程的設定

（1）設置全局變量。全局變量主要針對機械部件和顆粒材料的接觸作用，通過深入研究沙漠地區(qū)低粘結(jié)度沙土的特性，并建立機械—沙土離散元接觸模型。離散元仿真參數(shù)主要包括沙粒材料的本征參數(shù)（如泊松比、密度、剪切模量等）和沙粒與沙粒、沙粒與機械接觸部件材料的接觸參數(shù)（碰撞恢復系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)等）［6-7］。材料參數(shù)和物料間接觸模型參數(shù)，如表1和表2所示。沙粒堆積角作為表征顆粒摩擦特性的宏觀參數(shù)，直接影響材料參數(shù)和接觸參數(shù)，利用測試沙粒堆積角中典型方法抽板法測得試驗沙粒堆積角，當沙粒半徑大小為6 mm 時滿足試驗沙粒堆積角［8］。因此設定沙粒模型半徑為6 mm，沙粒材料選取為全局變量所設置的顆粒并自動計算出質(zhì)量等屬性參數(shù)。

表1 材料屬性

表2 材料間的接觸參數(shù)

（2）添加運動屬性。仿真前對該離散元模型的機械組成進行集成，使其分為移動件、轉(zhuǎn)動件2大部分，在Dynamic選項卡分別將機架、螺旋、拋沙扇、集沙鏟、固定鏟定義為線性移動（Linear Translation），移動速度設置為0．6 m／s；并且將集沙鏟、螺旋、拋沙扇定義為線性旋轉(zhuǎn)（Linear Rotation），轉(zhuǎn)速分別設置為課題研發(fā)設計時的額定轉(zhuǎn)速100 r／min、400 r／min和250 r／min。為能夠準確模擬除沙車的運動狀態(tài)，設定轉(zhuǎn)速為實際除沙車工作時轉(zhuǎn)速，設定仿真模型移動開始時間為1 s。

（3）定義顆粒工廠。研究設定產(chǎn)生沙粒500 kg，產(chǎn)生速率600 kg／s。仿真計算中的2次迭代之間的時間間隔為時間步長，時間步長由程序根據(jù)沙粒半徑、密度等參數(shù)自動計算而成。為防止由于時間步長過大而導致的發(fā)散問題，通常設置固定時間步長為Rayleigh時間步長的20%，設定仿真模型移動開始時間為1 s，結(jié)束時間為5 s。

3 仿真模擬與結(jié)果分析

模擬除沙車內(nèi)集沙、排沙、拋沙的工作過程，除沙車在1 s時充沙完畢和3 s時除沙車穩(wěn)定工作狀態(tài)下的模擬仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 除沙車仿真結(jié)果

3.1 試驗分析

對鐵路軌道除沙車進行樣機試驗，樣機試驗如圖4所示。由圖4可知，額定工況下模擬固定質(zhì)量沙堆的除沙過程，試驗拋沙軌跡與模擬仿真拋沙軌跡較為吻合，表明仿真模型及仿真結(jié)果有效性，二者主要區(qū)別在試驗中拋沙軌跡略低于仿真拋沙軌跡。試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果之間的偏差初步估計主要來源于試驗選取沙粒與風沙地區(qū)沙粒相比濕度較大，導致試驗中拋沙軌跡略低于仿真拋沙軌跡。此外，從圖3和圖4可以看出除沙車工作時沙粒存在回流現(xiàn)象，這為以后改進除沙車結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設計提供了參考方向。

圖4 除沙車樣機試驗

3.2 沙粒數(shù)值規(guī)律分析

通過對仿真結(jié)果得到除沙車拋沙質(zhì)量曲線如圖5所示。由圖5可知，在0 s時刻模型未產(chǎn)生任何沙粒，沙粒的總質(zhì)量為零。沙粒在1 s后充沙結(jié)束并達到靜止狀態(tài)。隨后除沙車開始作業(yè)，沙粒由拋沙扇拋出仿真區(qū)域，沙粒質(zhì)量開始下降，除沙車穩(wěn)定工作狀態(tài)下單位時間除沙量最大可達110 kg。

3.3 除沙車受力及轉(zhuǎn)矩規(guī)律分析

圖5 沙粒質(zhì)量曲線

受力及轉(zhuǎn)矩是評價除沙車工作性能的重要指標。通過離散元后處理功能對除沙車工作過程中的受力及轉(zhuǎn)矩狀況進行模擬分析，得到除沙車集沙鏟和拋沙扇的受力及扭矩特性曲線如圖6所示。由圖6可知，在除沙車工作的初始階段，集沙鏟和拋沙扇的受力及轉(zhuǎn)矩急劇增大，這是由于該階段除沙車與沙粒開始接觸，接觸過程中發(fā)生受力作用使得受力及轉(zhuǎn)矩急劇增大。每次集沙鏟與拋沙扇接觸沙粒瞬間受力及轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變。這為除沙車參數(shù)選型提供了理論基礎，除沙車工作裝置存在潛在的疲勞損傷。

圖6 除沙車工作部件特性曲線

3.4 除沙車拋沙距離軌跡分析

拋沙距離是除沙車設計要求的重要指標，除沙車在風沙地區(qū)進行除沙作業(yè)時對拋沙距離有一定的設計指標。影響拋沙距離的因素主要是拋沙扇轉(zhuǎn)速的大小，如果拋沙扇轉(zhuǎn)速較小，沙子將不能拋到滿足列車通行的安全距離之外。根據(jù)設計指標要求除沙車拋沙距離不少于4 m，設置拋沙扇轉(zhuǎn)速為200 r／min、250 r／min、300 r／min 3組模型進行對比研究來分析拋沙軌跡及距離情況，模型設置地面邊界長度為7 m來直觀分析拋沙距離的遠近，3組模型中除沙車穩(wěn)定工作狀態(tài)下3 s時拋沙軌跡效果，如圖7所示。

圖7 不同拋沙扇轉(zhuǎn)速下拋沙軌跡圖

由圖7可知，通過仿真結(jié)果在忽略空氣阻力等額外影響下，拋沙扇轉(zhuǎn)速為200 r／min時拋沙距離為3 m 左右，從拋沙效果來看拋出的沙子集中性非常好。拋沙扇轉(zhuǎn)速為250 r／min時拋沙距離大于4 m，從拋沙效果來看拋出的沙子集中性一般。拋沙扇轉(zhuǎn)速為300 r／min時拋沙距離為大于5 m，從拋沙效果來看拋出的沙子集中性較差。

因此，除沙車進行現(xiàn)場除沙作業(yè)時，拋沙扇轉(zhuǎn)速至少為250 r／min時才能滿足設計要求。隨著拋沙扇轉(zhuǎn)速的提高，拋沙集中性越來越差，從拋沙集中性角度看，拋沙扇轉(zhuǎn)速為300 r／min時集中性太差，拋沙扇轉(zhuǎn)速在250 r／min附近時既滿足拋沙設計指標又滿足集中性要求。

4 結(jié)論

利用離散元單元法分析沙粒在除沙車內(nèi)集沙、排沙、拋沙的動態(tài)過程和數(shù)值規(guī)律，分析規(guī)律如下。

（1）依據(jù)鐵路軌道除沙車真實尺寸，建立機械-沙土離散元模型。通過模擬除沙車集沙、排沙、拋沙運動過程并與試驗過程相互驗證，驗證了離散元仿真技術在除沙車上應用是可靠的。

（2）除沙車在額定工況下，通過分析沙粒數(shù)值規(guī)律，得出除沙效率為110 kg／s，拋沙扇轉(zhuǎn)速在250 r／min時滿足最近拋沙距離設計指標。集沙鏟和拋沙扇工作阻力最大分別為6 500 N、1 650 N，最大轉(zhuǎn)矩分別為1 100 N·m、200 N·m。除沙裝置工作阻力為周期性力，變化范圍較大，會造成集沙鏟和拋沙扇的疲勞損傷，在后期設計中，可以通過改變刀具形狀或增加配重來減小除沙裝置工作阻力及轉(zhuǎn)矩。

（3）通過除沙裝置受力特性和扭矩特性參數(shù)的獲得，為集沙鏟、拋沙扇動力馬達選型及結(jié)構(gòu)設計提供了理論依據(jù)，進而達到提高除沙車效率，降低功耗的目標。