仿生條紋結構表面推沙板構建及磨損性能研究

鄭明軍， 苗佳峰， 吳文江， 王再宙

(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 教務處，河北 石家莊 050043；3.河北師范大學 職業(yè)技術學院，河北 石家莊 050024)

0 引言

隨著中國鐵路不斷向西部推進，鐵路維護的成本逐漸增加，而中國西北地區(qū)沙害情況比較嚴重，這些風沙地區(qū)鋪設的鐵道線路經(jīng)常受到風沙的影響，會對鐵路運輸、旅客安全造成一定的影響。通常情況下，清理軌道上積沙的方式靠人工清理，這種方式弊端明顯，除沙效率低。為解決沙害對鐵路的危害，鄭明軍等[1-2]研制出一臺靈活性較好的軌道除沙車，很好地解決了這一問題。隨著軌道除沙車的不斷改進，新一代除沙車靈活、機動性強，性能更加優(yōu)越。其中，新一代軌道除沙車的推沙裝置，主要清理軌道兩側的集沙，推沙板作為推沙裝置的核心部件，長時間與沙粒接觸摩擦，勢必造成推沙板有一定的磨損，所以推沙板還需要進一步提高耐磨性。

近年來，越來越多的學者投入到仿生學領域，仿生學在機械領域發(fā)揮的作用越來越大，例如將仿生學應用在機械結構上，并且有大量的研究成果應用到實際生產(chǎn)當中。李建橋等[3]根據(jù)臭蜣螂頭部唇基表面的凸起設計出一款仿生犁壁，試驗表明仿生犁壁減阻率為6.6%～12.7%；Gorb et al[4]利用動物爪趾腳墊鋼毛分割與地面的家畜面積來提高附著力，設計并研制出一款高附著性能的仿生裝置；馬云海等[5]研究穿山甲的鱗片紋路，并進行磨料磨損試驗，結果發(fā)現(xiàn)磨料平行于鱗片表面運動時耐磨性更好。還有許多學者將扇貝、動物鱗片[6-7]作為仿生對象，設計出具有耐磨性的機械結構[8-9]，這些仿生結構具有重要的實踐意義。本次研究將借鑒某些動物優(yōu)秀自身結構，設計出仿生耐磨型推沙板，通過離散元分析來驗證仿生推沙板的耐磨性能[10]。

1 建立仿生推沙板模型

1.1 仿生對象選取

自然界中，很多生物擁有適應其生活環(huán)境的一些特性。像扇貝、穿山甲鱗片、沙蜥鱗片和蜣螂的頭部唇基表面等，如圖1所示，這些表面幾何結構的耐磨性經(jīng)過進化后有了顯著提高，所以觀察這些表面幾何結構，可以設計出滿足研究需求的幾何結構。

圖1 具有耐磨性的幾何結構

1.2 仿生推沙板建模

以穿山甲鱗片的紋路為主，利用逆向工程[11-12]提取鱗片紋路的幾何結構，在相似原理基礎上，仿生對象的鱗片紋路與函數(shù)y=3sin(πx/12)十分吻合，結合推沙板整個觸沙面和推沙要求，考慮加工效率、經(jīng)濟效益等方面，將仿生推沙板條紋曲線的波谷進行填充拉伸，只保留波峰部分如圖2(a)所示，最終仿生推沙板結構設計為：單體條紋長度為350 mm、寬為24 mm、高為6 mm。條紋方向與沙粒運動方向相互垂直，每個條紋間距為24 mm，共分布5個條紋。依據(jù)平面推沙板結構如圖2(b)所示，考慮到仿真時間和對稱原理，將仿真推沙板模型寬度B減半為350 mm，高度H為400 mm，厚度T為12 mm，板尖角度α為36.5°，建立耐磨推沙板模型和普通推沙板三維模型如圖2(c)、圖2(d)所示。

圖2 2種推沙板模型

2 顆粒接觸模型

基于Hertz-Mindlin (No Slip)接觸模型，添加Hertz-Mindlin with Archard Wear和Record Relative Wear接觸模型，這就是離散元仿真中的磨損接觸模型。其中Archard Wear接觸模型是定量分析部件磨損深度，而Relative Wear接觸模型是定性分析部件接收的能量。

2.1 Hertz-Mindlin with Archard Wear接觸模型

此接觸模型基于Archard[13]的磨損理論而來的，Archard Wear接觸模型是對hm接觸模型進行了一個擴展，可以近似給出部件在磨料磨損下的深度。Hertz-Mindlin with Archard Wear接觸模型的磨損表達式

Q=WFndt

(1)

式中,Q為部件被磨料磨損的體積;W為部件與磨料間的磨損常數(shù)；Fn為部件受到的切向力；dt為磨料在部件表面做的切向距離。

W=K/H

(2)

式中,K為無量綱磨損系數(shù)；H為部件的硬度，在離散元仿真中設置的磨損系數(shù)為5.049×10-13。

2.2 Hertz-Mindlin Record Relative Wear接觸模型

Relative Wear接觸模型的理論基礎是磨料與部件表面之間的相對速度和作用力，它能準確分析出部件受到磨損的部位，但分析不出磨損速率的確切值。在離散元仿真中，法向接觸能量、切向接觸能量、法向接觸力和切向接觸力是衡量部件的磨損程度標準。

用這2種接觸模型進行仿真分析，從定性和定量2方面研究推沙板的磨損情況。

3 離散元仿真結果分析

3.1 推沙板的網(wǎng)格劃分

若直接將模型導入EDEM中，則結果會出現(xiàn)如圖3所示的情況，這是由于EDEM自動畫的網(wǎng)格過于粗糙，所以還需要重新劃分網(wǎng)格。利用EDEM自身的修改網(wǎng)格功能對推沙板模型進行重新劃分網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格尺寸為2 mm，結果如圖4所示。重新劃分網(wǎng)格后推沙板的吸收能量局部分布圖如5所示，從圖5可以看出重新劃分網(wǎng)格后的磨損分布更加精細準確。初步預測推沙板2個板尖處的磨損最為嚴重，然后向板內(nèi)逐漸擴散。

圖3 EDEM自動劃分能量網(wǎng)格

圖4 修改后的網(wǎng)格劃分

圖5 重新劃分網(wǎng)格后的能量網(wǎng)格

3.2 仿生推沙板與平面推沙板的仿真結果對比

仿真過程中，推沙板與沙粒簡的能量接觸是以推沙板上單元的相對位移與接觸力確定的，這些接觸能量分為2部分，分別為累積法向接觸能量和累積切向接觸能量，推沙板的磨損主要是這2種能量共同造成的。此外還有推沙板的磨損深度也進一步反映出其磨損情況。

平面推沙板的推沙仿真過程如圖6所示。同樣的方法來仿真耐磨型仿生推沙板，在兩者的推沙角度均為90°時，仿真結果如表1所示。

圖6 平面推沙板的推沙過程

表1 推沙角度為90°的仿真結果

從表1中可看出，在推沙角度為90°時，2種推沙板的磨損深度和累計接觸能量無明顯差別，這是由于當推沙角度為90°時，2種推沙板磨損機理基本一樣，但改變推沙角度分別為75°、60°和45°，2種推沙板的磨損評判標準結果分別如表2、表3、表4所示。

表2 不同推沙角度情況下的磨損深度

表3 不同推沙角度情況下的法向累計接觸能量

表4 不同推沙角度情況下的切向累計接觸能量

從表2～表4可以看出，推沙板推沙角度越小，2種推沙板的磨損深度、法向累計能量和切向累計能量也越小，耐磨性提高，并且仿生耐磨性推沙板的耐磨優(yōu)勢體現(xiàn)的越加明顯，從推沙板的磨損深度就可以很直觀地看出來。但有一點需要注意的是，無論推沙板的推沙角度如何變化，不管是仿生推沙板還是平面推沙板，其切向累計接觸能量都要大于法向累計接觸能量，這說明推沙板在推沙過程中，沙粒對推沙板的滑移摩檫力最大。

3.3 仿生推沙板的耐磨機理

這種添加條紋后的推沙板耐磨機理是：推沙板向前推沙過程中，沙粒沖向推沙板表面，當一些沙粒以某一角度運動到A點時(見圖7)，沙粒會以同樣的角度反彈出去，反彈的沙粒會與后續(xù)沙粒在B點發(fā)生干涉，動能會損失一部分，碰撞后顆粒的運動方向為兩者碰撞后的速度合方向，落向條紋后端，動能損失會降低對推沙板的磨損。當在2個條紋間有沙粒發(fā)生干涉時，沙粒運動到C點反彈，與后繼來的顆粒發(fā)生和B點相同的干涉，沙粒在D點反彈后與后繼來的顆粒發(fā)生干涉，而后續(xù)的顆粒動能要大于沙粒在D點反彈后的動能，所以沙粒在E點發(fā)生的碰撞最終落點會以合矢量方向落到磨損表面后面，不會對表面發(fā)生二次磨損，這也是推沙板上條紋的前端磨損較為嚴重的原因。

圖7 沙粒在仿生推沙板表面的運動矢量簡圖

4 仿生推沙板的磨損因素分析

4.1 條紋高度不同對推沙板的磨損影響

改變擬合方程振幅來改變推沙板條紋高度，取條紋高度分別為4、5、6、7、8 mm這5種，在推沙角度為60°、推沙深度為240 mm、推沙速度為0.5 m/s進行仿真，磨損深度、法向累計接觸能量和切向累計接觸能量的仿真結果如圖8所示。

圖8 不同條紋高度推沙板的磨損情況柱狀圖

從圖8可看出，條紋高度過高時，推沙板的磨損情況不如條紋高度低的，但條紋高度為5 mm時，推沙板的磨損深度是這5種條紋高度中最大的。綜合考慮，條紋高度為4 mm或6 mm，推沙板的磨損情況最為理想。

4.2 條紋間距不同對推沙板的磨損影響

以推沙板條紋間距16、20、24 mm分別進行離散元仿真分析，其他設置不變，得出磨損深度、法向累計接觸能量和切向累計接觸能量的仿真結果如圖9所示。

圖9 不同條紋間距推沙板的磨損情況

從圖9可看出，當條紋間距由16 mm改為20 mm時，推沙板的3種評判磨損情況的指標均增加，從20 mm增加至24 mm時，3種評判指標均下降。推沙板條紋間距為24 mm時，推沙板的耐磨性最優(yōu)，也可做為耐磨推沙板的指導方案。

4.3 推沙速度不同對推沙板的磨損影響

將推沙速度分別設置為0.5、0.7、0.9 m/s，其他推沙設置均不改變，進行離散元仿真分析，推沙板的磨損深度、法向累計接觸能量和切向累計接觸能量結果如圖10所示。

圖10 不同推沙速度推沙板的磨損情況

從圖10可看出，隨著推沙速度的變化，推沙板受沙粒作用下推沙板表面磨損衡量標準的變化趨勢差異較大。速度增加，推沙板的磨損深度呈遞減趨勢，推沙板的法向累積接觸能量先降低再上升，推沙板的切向累積接觸能量先上升再降低。

總結以上分析，當條紋高度為4 mm或6 mm、條紋間距為24 mm和推沙速度越高時，耐磨推沙板的耐磨性越好，對于提高除沙車推沙裝置的耐磨性有一定的指導意義。

5 結論

(1)根據(jù)仿生學原理，某些生物結構具有耐磨性，將這些特殊的生物結構作為仿生對象，設計出的條紋型仿生推沙板具有可行性。

(2)通過對比條紋型仿生推沙板與平面推沙板的磨損深度、法向累計接觸能量和切向累計接觸能量，仿真結果表明，推沙角度越小，仿生推沙板的耐磨性越優(yōu)于平面推沙板。

(3)分析出耐磨推沙板的條紋高度為4 mm和6 mm，條紋間距為24 mm時，耐磨性較為優(yōu)秀，隨著沙板推沙速度的增加，推沙板的磨損深度呈下降趨勢。