劉紅現(xiàn)，柯堅(jiān)，王國志，鄧斌

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

由于現(xiàn)代有軌電車在國內(nèi)的普及，使得對(duì)槽型軌的清潔研究工作正在興起。姜超設(shè)計(jì)了一種公鐵兩用的有軌電車工程清洗車，其對(duì)軌道槽的清洗采用的是高壓水射流技術(shù)[2]；高慧瑩等人設(shè)計(jì)了一種鏟除機(jī)構(gòu)，可以鏟除普通軌道面上的干痂和異物[3]；Yuxin Huang等人設(shè)計(jì)了類似的裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道面和道床的全面清掃，不僅延長了軌道和車輪的壽命，也更有力地保障了行車安全[4]。在這些研究中，均沒有針對(duì)現(xiàn)代有軌電車槽型軌道內(nèi)具體污物的清理研究。

直接采用高壓水射流技術(shù)清潔槽型軌會(huì)使大量污物滯留在軌道槽內(nèi)，因此需要先對(duì)槽型軌道進(jìn)行清掃。有些污物與軌道粘附性較強(qiáng)，為了提高清掃效果，本文根據(jù)槽型軌道內(nèi)污物的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種軌道槽污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)依托于以鐵路平車為載體的槽型軌道清掃車上，作為軌道清掃裝置的一部分，隨著鐵路平車運(yùn)動(dòng)。在綜合考慮了槽型軌的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)污物形成影響的基礎(chǔ)上，該裝置利用扭轉(zhuǎn)彈簧使機(jī)構(gòu)緊貼軌道槽，增強(qiáng)除污效果，同時(shí)遇到固定硬顆粒時(shí)，可使其能向上轉(zhuǎn)動(dòng)，有一定的避障能力。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS，針對(duì)機(jī)構(gòu)在槽型軌道內(nèi)3種不同的運(yùn)動(dòng)情況，分析系統(tǒng)的相關(guān)性能指標(biāo)，設(shè)置不同的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)，強(qiáng)化裝置對(duì)污物的松動(dòng)效果，為槽型軌道的清潔提供一定的依據(jù)。

1 槽型軌除污裝置

1.1 槽型軌除污裝置組成

槽型軌清潔裝置，作為附設(shè)裝置掛配在軌道車輛下部隨行清掃槽型軌道，主要由支架和置于支座上的污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)和滾刷機(jī)構(gòu)構(gòu)成；支架通過支座掛配在軌道車輛上；污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)通過連接板聯(lián)接在支架上；滾刷機(jī)構(gòu)與支架相聯(lián)；支架上設(shè)置有負(fù)壓空氣吸塵裝置，依軌道車輛前進(jìn)的方向，污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾刷機(jī)構(gòu)和負(fù)壓空氣吸塵裝置依次設(shè)置，如圖1所示。

圖1 槽型軌除污裝置

1.2 槽型軌除污裝置工作原理

在該裝置中，隨著軌道車輛的運(yùn)行，污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)松動(dòng)軌道槽內(nèi)污物，滾刷裝置利用離心力將軌道槽內(nèi)污物掃起，被掃起的污物落在負(fù)壓空氣吸塵裝置吸力作用范圍內(nèi)，污物在最短時(shí)間內(nèi)被吸走，減少了揚(yáng)塵，從而達(dá)到清潔槽型軌的目的。污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)在整個(gè)清潔裝置中起著重要的作用，其污物松動(dòng)的能力直接影響著槽型軌清潔的效果。

2 污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能要求

該機(jī)構(gòu)是整個(gè)槽型軌除污裝置的一部分，污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用于清掃前期松動(dòng)軌道槽內(nèi)污物，方便滾刷清掃，最后由負(fù)壓空氣吸塵裝置將污物吸入垃圾箱，其功能要求主要有：

1) 機(jī)構(gòu)的齒形耙耙齒應(yīng)與軌道槽內(nèi)部緊貼，并且與軌道槽的作用力大小適中，避免對(duì)軌道造成劃傷等損害，減少耙齒磨損加劇。

2) 在齒形耙對(duì)污物松動(dòng)的過程中，耙齒會(huì)有磨損，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮磨損的補(bǔ)償。

3) 在對(duì)軌道槽內(nèi)的污物進(jìn)行松動(dòng)時(shí)，遇到固定硬顆粒，齒形耙應(yīng)該有一定的避障能力。

4) 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)方便更換耙齒。

2.2 污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

采用SolidWorks建立三維模型，虛擬樣機(jī)軟件ADAMS仿真的方法。虛擬樣機(jī)(virtual prototype)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，其中ADAMS應(yīng)用較為普遍，早在對(duì)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)應(yīng)用了該技術(shù)。

污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)模型如圖2(a)所示，整個(gè)機(jī)構(gòu)由連接件、軸、耙齒連接桿、扭轉(zhuǎn)彈簧和耙齒構(gòu)成，連接件和軸的兩邊分別焊有2個(gè)螺釘，軸用于連接連接件和耙齒連接桿，使兩者能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，耙齒連接桿和耙齒通過螺栓相連，耙齒尖端恰好與軌道槽底部相配合。2個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧套在軸的兩端，扭轉(zhuǎn)彈簧的兩端固定在螺釘上，通過扭轉(zhuǎn)彈簧可以使耙齒貼緊軌道槽，既能補(bǔ)償耙齒磨損，又能在遇到固定硬顆粒時(shí)，能向上翻轉(zhuǎn)一定的角度，越過較硬顆粒，防止損壞耙齒，起到避障的作用。

2.3 仿真基本工況

軌道清潔車輛運(yùn)行速度36km/h，污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平行于軌道槽中心線，材料為普通碳鋼。軌道槽內(nèi)顆粒污染物主要有粘附性顆粒和固定硬顆粒，在不同扭轉(zhuǎn)彈簧剛度下，污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)2種不同污染物的松動(dòng)效果進(jìn)行仿真，從而確定最佳的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度。

2.4 模型初步分析

根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)行力學(xué)分析，當(dāng)機(jī)構(gòu)在無污物的軌道槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)在軌道槽中心面受力情況如圖2(b)所示。圖中：Fx和Fy分別為軸對(duì)動(dòng)作件在x和y方向的作用力，G為動(dòng)作件的重力，F(xiàn)0為槽型軌對(duì)動(dòng)作件的支撐力，f為摩擦力，S為動(dòng)作件的質(zhì)心點(diǎn)C到軸中心點(diǎn)O的距離，L為耙齒尖端的垂直面到軸中心點(diǎn)O的距離，M為2個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧對(duì)動(dòng)作件的轉(zhuǎn)矩M0之和。

圖2 污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)組成和力學(xué)模型

由力學(xué)分析可以得到剛體的力平衡方程和力矩平衡方程，即：

(1)

解方程組可得：

M=GS+F0L=ρVgS+F0L

(2)

式中：ρ——?jiǎng)傮w密度，剛體為普通碳鋼，ρ=7.801×10-6kg/mm3；V——?jiǎng)傮w體積，通過SolidWorks質(zhì)量評(píng)估V=1 894.00mm3；a——質(zhì)心到軸中心的距離，a=12.25mm。

分析可知，當(dāng)槽型軌與動(dòng)作件之間的作用力為0時(shí)，即兩者間沒有碰撞，F(xiàn)0=0時(shí)，動(dòng)作件運(yùn)動(dòng)最為平穩(wěn)，代入可得：

G=ρgV=144.89N

(3)

M0≤M/2=ρVga/2=887.48N·mm

(4)

根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)，設(shè)置的安裝轉(zhuǎn)矩和最終得到的工作轉(zhuǎn)矩應(yīng)該<887.48N·mm，然后通過對(duì)不同剛度下扭轉(zhuǎn)彈簧的仿真，分析動(dòng)作件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3 動(dòng)力學(xué)仿真和分析

3.1 模型簡化與設(shè)置

為了節(jié)省仿真時(shí)間，首先簡化模型，然后導(dǎo)入ADAMS中，采用Boolean運(yùn)算合并部件，并對(duì)合并后的各部件重命名，如將耙齒和耙齒連接桿合并，命名為動(dòng)作件，如圖3所示。

圖3 簡化模型的初始設(shè)置

在ADAMS中導(dǎo)入簡化的模型，設(shè)置初始條件。設(shè)置重力沿-y方向?yàn)?9 806.65kgmm/s2，設(shè)置各零件的材料均為普通碳鋼，動(dòng)作件和軸、連接件和軸之間設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，連接件和槽型軌之間設(shè)置為移動(dòng)副，方向與槽型軌面平行，槽型軌固定在大地上。在耙齒與軌道槽之間設(shè)置接觸，接觸類型為固體-固體，設(shè)置摩擦力，動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。各構(gòu)件間的約束關(guān)系如表1所示。另外建立2個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，令其力的作用點(diǎn)分別為A、B兩點(diǎn)，然后設(shè)置其安裝轉(zhuǎn)矩為300 N·mm，工作扭轉(zhuǎn)變形角為20°，設(shè)置其剛度為變量，依次取合適的值，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到不同的轉(zhuǎn)矩，以此分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。設(shè)置機(jī)構(gòu)相對(duì)于軌道槽的運(yùn)動(dòng)速度為1 000mm/s。

表1 各構(gòu)件之間的約束關(guān)系

3.2 仿真和結(jié)果分析

分析機(jī)構(gòu)在軌道槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況，存在三種運(yùn)動(dòng)情況。第一種是理想情況A，即軌道槽內(nèi)沒有污物，第二種情況B，軌道槽內(nèi)存在粘附性顆粒，第三種情況C，軌道槽內(nèi)存在固定硬顆粒。建立對(duì)應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析。

1) 運(yùn)動(dòng)情況A—軌道槽內(nèi)無污物時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析

機(jī)構(gòu)在無污物的軌道槽內(nèi)工作，設(shè)置仿真時(shí)間為2s，仿真步數(shù)為300步，設(shè)置扭轉(zhuǎn)彈簧剛度如表2，運(yùn)動(dòng)情況A，進(jìn)行仿真。觀察動(dòng)作件質(zhì)心點(diǎn)在豎直方向上的位移變化情況，因?yàn)榉抡娲螖?shù)較多，只列出與結(jié)果相近的3次仿真數(shù)據(jù)，如圖4所示，可以看出，當(dāng)彈簧剛度為k=3Nmm/(°)時(shí)，動(dòng)作件達(dá)到平衡的時(shí)間最短，運(yùn)動(dòng)最平穩(wěn)，此時(shí)彈簧的工作轉(zhuǎn)矩為Mmax=360.157Nmm，如圖7所示。

表2 三種運(yùn)動(dòng)情況仿真中扭轉(zhuǎn)彈簧剛度的設(shè)置

圖4 運(yùn)動(dòng)情況A下扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k的影響

2) 運(yùn)動(dòng)情況B—軌道槽內(nèi)存在粘附性顆粒時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析

在軌道槽內(nèi)建立幾個(gè)與軌道槽緊貼的物塊，代替污物，物塊與軌道槽，物塊與物塊，物塊與耙齒之間分別建立接觸力，如圖3所示。

設(shè)置仿真時(shí)間為2s，仿真步數(shù)為300步，設(shè)置扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度如表2，運(yùn)動(dòng)情況B，進(jìn)行仿真，觀察各個(gè)物塊沿軌道槽z軸方向的速度變化情況和動(dòng)作件沿y軸的位移變化情況。由于數(shù)據(jù)較多，取其中2個(gè)污物A和B的3組與結(jié)果相近的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，污物A質(zhì)心沿z軸方向速度變化如圖5?？梢钥闯霎?dāng)扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k=8Nmm/(°)時(shí)，污物A和B的速度變化最大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間最長，說明此時(shí)污物A和B受到耙齒的作用最為強(qiáng)烈，污物松動(dòng)效果最好，此時(shí)工作轉(zhuǎn)矩為Mmax=504.051Nmm，如圖7所示。

圖5 不同彈簧剛度k作用下污物A速度變化

3) 運(yùn)動(dòng)情況C—軌道槽內(nèi)存在固定硬顆粒時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析

在軌道槽內(nèi)建立一物塊代替固定硬顆粒，在耙齒與軌道槽、耙齒與物塊之間建立接觸力。設(shè)置仿真時(shí)間為0.2s，仿真步數(shù)為300步，設(shè)置扭轉(zhuǎn)彈簧剛度如表2，運(yùn)動(dòng)情況C，由于數(shù)據(jù)較多，取與結(jié)果相近的3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。依次比較各圖動(dòng)作件質(zhì)心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的情況，如圖6所示，可以測量出動(dòng)作件在0.055 5s遇到固定硬顆粒，當(dāng)彈簧剛度k=9Nmm/(°)時(shí)，動(dòng)作件最先達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)為0.672s，最大工作轉(zhuǎn)矩為Mmax=584.220Nmm，如圖7所示。

圖6 不同扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k作用下對(duì)動(dòng)作件的影響

圖7 三種運(yùn)動(dòng)情況下扭轉(zhuǎn)彈簧最佳工作轉(zhuǎn)矩

以上分析了3種運(yùn)動(dòng)情況，并得到了扭轉(zhuǎn)彈簧的3個(gè)最大工作轉(zhuǎn)矩，為了使其能滿足各種情況下的工作需求，可知當(dāng)扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k=9Nmm/(°)，安裝轉(zhuǎn)矩M0=300Nmm，安裝變形角φ=20°，機(jī)構(gòu)的工作效果最好。此時(shí)最大工作轉(zhuǎn)矩Mmax=584.220Nmm<887.48N·mm，滿足要求。根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)要求，查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，即可設(shè)計(jì)出符合工作要求的扭轉(zhuǎn)彈簧。

4 結(jié)語

1) 采用ADAMS與SolidWorks軟件相結(jié)合，快速有效建立仿真模型，對(duì)污物松動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，實(shí)時(shí)獲得各個(gè)部件的位移、速度和扭轉(zhuǎn)彈簧工作轉(zhuǎn)矩的曲線，使整個(gè)仿真過程可視化，提高了工作效率，節(jié)約時(shí)間和成本。

2) 分析機(jī)構(gòu)的3種運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)不同剛度的扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。運(yùn)動(dòng)情況A，確定出最佳扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k=3Nmm/(°)，該狀態(tài)下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)最平穩(wěn)，對(duì)應(yīng)最大工作轉(zhuǎn)矩Mmax=360.157Nmm；運(yùn)動(dòng)情況B，確定出最佳扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k=8Nmm/(°)，該狀態(tài)下污物的松動(dòng)效果最佳，對(duì)應(yīng)最大工作轉(zhuǎn)矩Mmax=504.051Nmm；運(yùn)動(dòng)情況C，確定出最佳扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k=9Nmm/(°)，該狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)最先恢復(fù)穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)最大工作轉(zhuǎn)矩Mmax=584.220Nmm。

3) 運(yùn)動(dòng)情況C時(shí)彈簧工作轉(zhuǎn)矩最大，此時(shí)扭轉(zhuǎn)彈簧剛度k=9Nmm/(°)，安裝轉(zhuǎn)矩M0=300Nmm，安裝變形角φ=20°，以此作為機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)和安裝的依據(jù)，使用該方法得到的扭轉(zhuǎn)彈簧，能夠有效松動(dòng)槽型軌內(nèi)粘附性污物。

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