懸掛式振動除冰機關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計*

李順秋，劉曉亮，王中長，彭仕新

（濱州學(xué)院機電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

鐵路線路運行過程中，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，高速鐵路線路的接觸網(wǎng)表面會凝結(jié)大量空氣中的氣態(tài)水。盡管鐵路在運行過程中會產(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)。尤其是雨雪過后的夜間隨著氣溫進一步降低，則會引起接觸網(wǎng)的長距離的覆冰現(xiàn)象。由于高鐵線路設(shè)計規(guī)劃時，大多經(jīng)過人口密度相對較低的山區(qū)，地勢情況比較復(fù)雜，對除冰工作的開展增加了不可抗拒的約束[1]。目前，國內(nèi)外通常采用人工機械式除冰，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)生震動時內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力處理不當(dāng)，可能會對接觸網(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)危險性極高。為了提高除冰效率，切實保護工作人員的人身安全，采用智能化的機械裝置取代人力在鐵路線路上進行除冰工作已然成為當(dāng)前發(fā)展的趨勢。因此各國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)代高科技實現(xiàn)遠程控制除冰。本文研究的懸掛式震動除冰機將代替人在鐵路線路上進行除冰作業(yè)，對機械除冰震動機構(gòu)做動力學(xué)仿真分析同時驗證除冰機在運行過程中敲擊接觸網(wǎng)產(chǎn)生時自身的受力情況和實現(xiàn)高鐵線路除冰方面機械化的理論。

1 除冰機構(gòu)的設(shè)計計算

遠程遙控機械人除冰的技術(shù)原理是使用無線信號遙控除冰裝置，利用轉(zhuǎn)動的打擊棒通過敲擊對接觸網(wǎng)線路產(chǎn)生的局部撞擊能力，對接觸網(wǎng)線路產(chǎn)生的振動效應(yīng)使覆冰脫落，從而實現(xiàn)了除冰的效果。除冰設(shè)備主要由設(shè)備主體結(jié)構(gòu)、除冰機構(gòu)、掛線行走機構(gòu)、信號接收模塊和信號發(fā)送模塊等單元體組成（如圖1所示）。就目前的發(fā)展情況來看，機械震動式除冰技術(shù)與無人機除冰技術(shù)和機器人除冰技術(shù)相比技術(shù)較先進，操作相對簡單，作業(yè)在地面就能完成，極大的減輕打冰人“除冰工人”的勞動強度，有力保障工人的人身安全[3]。

圖1 敲擊震動除冰電路原理

1.1 對接觸網(wǎng)的震動力學(xué)分析

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

單個敲擊棍除冰分析，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)敲擊棍的長度為L，則此時敲擊棍和覆冰的接觸面積為：

在相應(yīng)的機械結(jié)合面上，同時對接觸網(wǎng)產(chǎn)生的擠壓力Fσ和剪切力Fτ，分別計算如下：

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

通過對接觸網(wǎng)產(chǎn)生的局部震動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構(gòu)及線路行走機構(gòu)的電動機功能，能源消耗較小，較容易實現(xiàn)遠距離作業(yè)。機械震動除冰作業(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 除冰機構(gòu)總功率的計算

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

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

圖2 電機參數(shù)

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

懸掛式震動鐵路接觸網(wǎng)除冰機的機械除冰機構(gòu)采用電機驅(qū)動，通過皮帶傳動動力，將旋轉(zhuǎn)力傳遞到敲擊棍上，使敲擊棍連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動敲擊接觸網(wǎng)，最終使覆冰掉落。

2.1 除冰機構(gòu)總傳動系統(tǒng)

除冰機構(gòu)采用兩段式敲擊接觸網(wǎng)，由電機作為原動力，通過皮帶傳動。遠程控制電機的啟停，來控制敲擊棍的旋轉(zhuǎn)[5]。為達到理想的除冰效果，擊打接觸網(wǎng)對覆冰產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)大于冰的附著力。

2.2 除冰機構(gòu)傳動的三維設(shè)計

懸掛振動式除冰機構(gòu)三維模型設(shè)計采用SolidWorks進行三維零件建模，在運用同心、重合等邊界條件進行約束裝配[6]。敲擊部分在滿足強度要求的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計也要合理。擊打部分與中間軸之間需要進行倒圓角處理，進一步增強連接部位的抗彎曲強度（結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示）。

圖3 敲擊棍倒角結(jié)構(gòu)

各工作機構(gòu)之間的裝配及配合是除冰機構(gòu)設(shè)計的難點，現(xiàn)有的文獻資料尚且沒有完整的裝配方法和仿真運動。經(jīng)參考其他現(xiàn)有文獻，小組研究，主要是采用皮帶作為原動件和執(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出，為類似建模裝配重要零件提供建議方法。

畫零件前，先在草圖繪制界面對實體輪廓大小進行調(diào)整，連成封閉曲線繪制出實體輪廓，如圖4所示。將構(gòu)建的實體輪廓導(dǎo)入零件圖中，進行草圖繪制，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 實體輪廓

圖5 實體草圖

3 敲擊棍的有限元分析

懸掛式鐵路接觸網(wǎng)除冰機在工作過程中，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，有較好的機械性能，相對密度1.4左右，相較于其他金屬材料質(zhì)量輕支化度較小?？箯潖姸仍?0 MPa左右，其抗彎強度直接影響在接觸網(wǎng)上的工作壽命，因此，對其進行有限元動應(yīng)力強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)建分析項目

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

圖6 剛體動力學(xué)建模界面

（2）定義材料數(shù)據(jù)

雙擊項目中A2欄Engineering Data項，進入材料參數(shù)設(shè)置界面，在該界面下面進行材料參數(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，此時會彈出“打開對話框”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

雙擊主界面項目管理區(qū)項目中A3欄Model項，進入Mechanial界面，在該界面下進行網(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）選項單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Sove，此時會彈出進度顯示條件，表示正在求解，完成后自動消失，求解完成后可以通過Solution Information查看求解過程信息[8]。

3.3 后處理

（1）查看整體響應(yīng)

選擇Workbench界面左側(cè)樹結(jié)構(gòu)圖中的Solution（A6）選項，此時會出現(xiàn)Solution工具欄，在其中選Total Deformation選項后再彈出的快捷菜單中選擇Evaluate A11 Results，此時進行求解，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截面在根部，添加半徑為0.5 mm開始增加倒角半徑當(dāng)添加至1 mm時力達到最大隨后開始發(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。在除冰機工作運行過程中，敲擊點也屬于一處危險截面，需要對該點結(jié)構(gòu)做進一步優(yōu)化，以達到工作要求。

表1 PA、PP、PE、PE性能對照表

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，對內(nèi)徑表面噴涂鏡面涂料來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

隨著鐵路運輸?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。針對冬季空氣濕度大，鐵路接觸網(wǎng)遇到濕度大的冷空氣時易附著表面結(jié)成冰溜，嚴重影響列車運行的問題[12]。本文對設(shè)計的懸掛式振動除冰機關(guān)鍵零部件進行動態(tài)力學(xué)仿真分析和靜態(tài)應(yīng)力強度仿真分析，并對分析結(jié)果中震動除冰執(zhí)行部件做優(yōu)化改進，提高除冰機工作的可靠性。最終，經(jīng)多次試驗仿真得出，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)遠程控制除冰機進行除冰工作，為鐵路接觸網(wǎng)覆冰后實現(xiàn)機械化除冰設(shè)備設(shè)計提供參考方向。