懸掛式振動(dòng)除冰機(jī)關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

李順秋，劉曉亮，王中長(zhǎng)，彭仕新

（濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

鐵路線路運(yùn)行過(guò)程中，由于冬季氣溫較低空氣濕度大，尤其是遇到雨雪或冰凍等極端惡劣天氣時(shí)，高速鐵路線路的接觸網(wǎng)表面會(huì)凝結(jié)大量空氣中的氣態(tài)水。盡管鐵路在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的熱能，只是一定程度的減緩覆冰的形成速度，并不能完全阻止覆冰凝結(jié)。尤其是雨雪過(guò)后的夜間隨著氣溫進(jìn)一步降低，則會(huì)引起接觸網(wǎng)的長(zhǎng)距離的覆冰現(xiàn)象。由于高鐵線路設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，大多經(jīng)過(guò)人口密度相對(duì)較低的山區(qū)，地勢(shì)情況比較復(fù)雜，對(duì)除冰工作的開(kāi)展增加了不可抗拒的約束[1]。目前，國(guó)內(nèi)外通常采用人工機(jī)械式除冰，工人使用木棒等硬物敲打接觸網(wǎng)，使接觸網(wǎng)被迫產(chǎn)生局部震動(dòng)而脫落。但是，這種除冰方式的效果并不理想，在接觸網(wǎng)產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力處理不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)電力線路造成結(jié)構(gòu)上的損傷[2]。然而，除冰成本和作業(yè)危險(xiǎn)性極高。為了提高除冰效率，切實(shí)保護(hù)工作人員的人身安全，采用智能化的機(jī)械裝置取代人力在鐵路線路上進(jìn)行除冰工作已然成為當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。因此各國(guó)工程師們也研究出很多種為不同鐵路接觸網(wǎng)供電覆冰后的除冰方法，并取得了一定研究成果，電流熱效應(yīng)融冰、涂抹防冰涂料、現(xiàn)代高科技實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制除冰。本文研究的懸掛式震動(dòng)除冰機(jī)將代替人在鐵路線路上進(jìn)行除冰作業(yè)，對(duì)機(jī)械除冰震動(dòng)機(jī)構(gòu)做動(dòng)力學(xué)仿真分析同時(shí)驗(yàn)證除冰機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中敲擊接觸網(wǎng)產(chǎn)生時(shí)自身的受力情況和實(shí)現(xiàn)高鐵線路除冰方面機(jī)械化的理論。

1 除冰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

遠(yuǎn)程遙控機(jī)械人除冰的技術(shù)原理是使用無(wú)線信號(hào)遙控除冰裝置，利用轉(zhuǎn)動(dòng)的打擊棒通過(guò)敲擊對(duì)接觸網(wǎng)線路產(chǎn)生的局部撞擊能力，對(duì)接觸網(wǎng)線路產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)使覆冰脫落，從而實(shí)現(xiàn)了除冰的效果。除冰設(shè)備主要由設(shè)備主體結(jié)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、掛線行走機(jī)構(gòu)、信號(hào)接收模塊和信號(hào)發(fā)送模塊等單元體組成（如圖1所示）。就目前的發(fā)展情況來(lái)看，機(jī)械震動(dòng)式除冰技術(shù)與無(wú)人機(jī)除冰技術(shù)和機(jī)器人除冰技術(shù)相比技術(shù)較先進(jìn)，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，作業(yè)在地面就能完成，極大的減輕打冰人“除冰工人”的勞動(dòng)強(qiáng)度，有力保障工人的人身安全[3]。

圖1 敲擊震動(dòng)除冰電路原理

1.1 對(duì)接觸網(wǎng)的震動(dòng)力學(xué)分析

覆冰的震動(dòng)力學(xué)性能主要由環(huán)境溫度t、平均密度ρ、抗壓強(qiáng)度pc、剪力強(qiáng)度pt決定。

單個(gè)敲擊棍除冰分析，敲擊棍于接觸網(wǎng)的接觸寬度B=1 mm，與接觸網(wǎng)平面的夾角為25°。

對(duì)接觸網(wǎng)敲擊瞬間產(chǎn)生的擠壓力和剪切力。假設(shè)敲擊棍的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則此時(shí)敲擊棍和覆冰的接觸面積為：

在相應(yīng)的機(jī)械結(jié)合面上，同時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)產(chǎn)生的擠壓力Fσ和剪切力Fτ，分別計(jì)算如下：

根據(jù)接觸網(wǎng)覆冰的厚度選用不同扭矩的電機(jī)，設(shè)計(jì)敲擊棍電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，每秒可對(duì)接觸網(wǎng)沖擊5次，電機(jī)工作的扭矩為Mm，則所需的除冰電機(jī)功率為：P=Mmω。

通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)產(chǎn)生的局部震動(dòng)使得覆冰掉落的方式，能夠震蕩大面積的落冰，除冰作業(yè)效率高[4]。除冰設(shè)備自帶的能源只需主要為除冰機(jī)構(gòu)及線路行走機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)功能，能源消耗較小，較容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離作業(yè)。機(jī)械震動(dòng)除冰作業(yè)前，需要根據(jù)作業(yè)段相鄰的換電池距離裝載合適的能源即可。

1.2 除冰機(jī)構(gòu)總功率的計(jì)算

由設(shè)計(jì)要求及參數(shù)敲擊棍轉(zhuǎn)速n=300 r/min，齒輪傳動(dòng)比i=8，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 400 r/min，實(shí)際電流ie=4 A，實(shí)際功率為48 W，敲擊棍擊打接觸網(wǎng)角度θ=25°，對(duì)覆冰產(chǎn)生的彎曲強(qiáng)度H=(1.1～1.4)×104Pa，彎 曲 應(yīng) 力τ=0.25H+4.2×104=4.5×104Pa。

選擇合適的電機(jī)對(duì)提升除冰機(jī)的續(xù)航、強(qiáng)化除冰機(jī)的除冰效果至關(guān)重要，以及合理的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是除冰機(jī)安全長(zhǎng)時(shí)間工作的關(guān)鍵所在，電機(jī)安裝在除冰機(jī)下部有利于平衡除冰機(jī)的前后質(zhì)量。根據(jù)除冰機(jī)的大多在空中接觸網(wǎng)上工作，環(huán)境寒冷惡劣要求電機(jī)能夠耐低溫、濕冷。在接觸網(wǎng)上由遠(yuǎn)程控制的遙控器控制啟停，電機(jī)尺寸71mm×51mm，如圖2所示。使用過(guò)程中通過(guò)正確的保養(yǎng)和操作減少電機(jī)等零部件的更換和維修，因此，電機(jī)使用壽命3 000 h的可調(diào)速電機(jī)。在提升續(xù)航方面，通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算除冰機(jī)運(yùn)行距離消耗平均電能來(lái)推算兩相鄰地區(qū)的距離需要配備的電池?cái)?shù)量，到指定目的地后更換電池來(lái)增加續(xù)航。

圖2 電機(jī)參數(shù)

2 旋轉(zhuǎn)敲擊聯(lián)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸掛式震動(dòng)鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)的機(jī)械除冰機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)動(dòng)力，將旋轉(zhuǎn)力傳遞到敲擊棍上，使敲擊棍連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)敲擊接觸網(wǎng)，最終使覆冰掉落。

2.1 除冰機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)系統(tǒng)

除冰機(jī)構(gòu)采用兩段式敲擊接觸網(wǎng)，由電機(jī)作為原動(dòng)力，通過(guò)皮帶傳動(dòng)。遠(yuǎn)程控制電機(jī)的啟停，來(lái)控制敲擊棍的旋轉(zhuǎn)[5]。為達(dá)到理想的除冰效果，擊打接觸網(wǎng)對(duì)覆冰產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)大于冰的附著力。

2.2 除冰機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的三維設(shè)計(jì)

懸掛振動(dòng)式除冰機(jī)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì)采用SolidWorks進(jìn)行三維零件建模，在運(yùn)用同心、重合等邊界條件進(jìn)行約束裝配[6]。敲擊部分在滿足強(qiáng)度要求的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要合理。擊打部分與中間軸之間需要進(jìn)行倒圓角處理，進(jìn)一步增強(qiáng)連接部位的抗彎曲強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示）。

圖3 敲擊棍倒角結(jié)構(gòu)

各工作機(jī)構(gòu)之間的裝配及配合是除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料尚且沒(méi)有完整的裝配方法和仿真運(yùn)動(dòng)。經(jīng)參考其他現(xiàn)有文獻(xiàn)，小組研究，主要是采用皮帶作為原動(dòng)件和執(zhí)行件的能量傳遞樞紐。為更好地適合于裝配皮帶以及齒輪等零件需要在裝配圖中畫(huà)出，為類似建模裝配重要零件提供建議方法。

畫(huà)零件前，先在草圖繪制界面對(duì)實(shí)體輪廓大小進(jìn)行調(diào)整，連成封閉曲線繪制出實(shí)體輪廓，如圖4所示。將構(gòu)建的實(shí)體輪廓導(dǎo)入零件圖中，進(jìn)行草圖繪制，選取原輪廓草圖在上方工具欄找到【掃描】并添加約束條件，如圖5所示。

圖4 實(shí)體輪廓

圖5 實(shí)體草圖

3 敲擊棍的有限元分析

懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機(jī)在工作過(guò)程中，敲擊棍和兩端軸承連接處的受力是尤為關(guān)鍵的。要求敲打部位具備一定的韌性以及能夠承受較高抗彎和抗拉強(qiáng)度，介于選取材料需要具備良好的介電性能，因此首選PE材料。PE材料彈性模量（E）為2 900～3 400 MPa，有較好的機(jī)械性能，相對(duì)密度1.4左右，相較于其他金屬材料質(zhì)量輕支化度較小。抗彎強(qiáng)度在60 MPa左右，其抗彎強(qiáng)度直接影響在接觸網(wǎng)上的工作壽命，因此，對(duì)其進(jìn)行有限元?jiǎng)討?yīng)力強(qiáng)度分析是完全有必要的。

在ANSYS系統(tǒng)界面的分析系統(tǒng)選中剛體動(dòng)力學(xué)，將Solid-Works建好的模型轉(zhuǎn)變格式后導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中操作步驟如下[7]。

3.1 前處理

（1）創(chuàng)建分析項(xiàng)目

雙擊主界面toolbox中的Analysis System＞Rigid Dynamics（剛體動(dòng)力學(xué)）選項(xiàng)，在項(xiàng)目中創(chuàng)建分析項(xiàng)目，如圖6所示。

圖6 剛體動(dòng)力學(xué)建模界面

（2）定義材料數(shù)據(jù)

雙擊項(xiàng)目中A2欄Engineering Data項(xiàng)，進(jìn)入材料參數(shù)設(shè)置界面，在該界面下面進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置，選材完畢后關(guān)閉A2：Engineering Data，返回Workbench主界面，材料庫(kù)添加完畢。

（3）添加劑和模型

在A2欄的上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中旋擇Import Geomtry＞Browse，此時(shí)會(huì)彈出“打開(kāi)對(duì)話框”導(dǎo)入模型后關(guān)閉退出DM，返回Workbench主界面。

（4）定義零件行為

雙擊主界面項(xiàng)目管理區(qū)項(xiàng)目中A3欄Model項(xiàng)，進(jìn)入Mechanial界面，在該界面下進(jìn)行網(wǎng)格的劃分、分析設(shè)置、結(jié)構(gòu)查看等操作。

（5）設(shè)置連接

查看是否生成Contact接觸，生成后繼續(xù)添加Revolute對(duì)象，完成后設(shè)置初始條件

3.2 求解

在outline攝結(jié)構(gòu)圖中rigid Dynamics（A5）選項(xiàng)單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Sove，此時(shí)會(huì)彈出進(jìn)度顯示條件，表示正在求解，完成后自動(dòng)消失，求解完成后可以通過(guò)Solution Information查看求解過(guò)程信息[8]。

3.3 后處理

（1）查看整體響應(yīng)

選擇Workbench界面左側(cè)樹(shù)結(jié)構(gòu)圖中的Solution（A6）選項(xiàng)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)Solution工具欄，在其中選Total Deformation選項(xiàng)后再?gòu)棾龅目旖莶藛沃羞x擇Evaluate A11 Results，此時(shí)進(jìn)行求解，求解后得到的圖形如圖7所示[9-10]。

圖7 敲擊棍彎曲應(yīng)力力學(xué)分布圖

經(jīng)ANSYS求解分析得出敲擊棍的危險(xiǎn)截面在根部，添加半徑為0.5 mm開(kāi)始增加倒角半徑當(dāng)添加至1 mm時(shí)力達(dá)到最大隨后開(kāi)始發(fā)生跟切現(xiàn)象。因此在根部做倒圓角是很有必要的，并且倒圓角的角度為1 mm。在除冰機(jī)工作運(yùn)行過(guò)程中，敲擊點(diǎn)也屬于一處危險(xiǎn)截面，需要對(duì)該點(diǎn)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到工作要求。

表1 PA、PP、PE、PE性能對(duì)照表

重復(fù)上述的操作求解出兩端軸承座的有限元分析結(jié)果云圖如圖8所示[11]。在軸承座接觸部位縱向受力較大，對(duì)內(nèi)徑表面噴涂鏡面涂料來(lái)減小接觸面的切向應(yīng)力，緊固螺栓處需要在螺栓與軸承座之間加墊片的防滑處理。

圖8 兩端軸承座的受力分析云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，在原先環(huán)境惡劣的地區(qū)也通上了快速鐵路。針對(duì)冬季空氣濕度大，鐵路接觸網(wǎng)遇到濕度大的冷空氣時(shí)易附著表面結(jié)成冰溜，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的問(wèn)題[12]。本文對(duì)設(shè)計(jì)的懸掛式振動(dòng)除冰機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)仿真分析和靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度仿真分析，并對(duì)分析結(jié)果中震動(dòng)除冰執(zhí)行部件做優(yōu)化改進(jìn)，提高除冰機(jī)工作的可靠性。最終，經(jīng)多次試驗(yàn)仿真得出，在敲擊棍根部添加1.0 mm的倒圓角是承受最大應(yīng)力的角度。接觸網(wǎng)線路覆冰后的除冰工作，亦可使用現(xiàn)代高科技技術(shù)遠(yuǎn)程控制除冰機(jī)進(jìn)行除冰工作，為鐵路接觸網(wǎng)覆冰后實(shí)現(xiàn)機(jī)械化除冰設(shè)備設(shè)計(jì)提供參考方向。