(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊050043)

0 引言

鐵路是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動脈，在我國北方的一些地區(qū)，由于冬季降雪造成鐵路運(yùn)輸線路積雪中斷的事件時有發(fā)生。鐵路除雪車是一種能夠快速清除軌道積雪的鐵路養(yǎng)護(hù)設(shè)備，其中集雪螺旋是用以將分散的積雪聚集起來的關(guān)鍵部件，其設(shè)計是否合理，對除雪車工作性能好壞起決定性作用。

目前國內(nèi)有關(guān)集雪螺旋切削冰雪過程的文獻(xiàn)很少，所做的研究也不深入。鐵路軌道除雪車的集雪螺旋切削冰雪的過程屬于非線性動力學(xué)的問題。本文采用ABAQUS軟件里的ABAQUS/Explicit模塊對集雪螺旋切雪過程進(jìn)行了建模和數(shù)值模擬[1]，分析了螺旋切削過程中螺旋—積雪相互作用的規(guī)律，并研究了螺距變化對螺旋受力的影響規(guī)律，為優(yōu)化除雪車的作業(yè)性能，提高效率，降低作業(yè)功耗，改善除雪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 鐵路除雪車結(jié)構(gòu)及工作原理

鐵路除雪車的結(jié)構(gòu)主要包括主機(jī)和除雪裝置兩部分。主機(jī)用來提供行進(jìn)動力和驅(qū)動除雪裝置；除雪裝置則在動力系統(tǒng)的驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)清除軌道積雪的目的。除雪裝置作為鐵路除雪車的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置主要由集雪螺旋、變速器、拋雪風(fēng)扇、雪鏟、馬達(dá)等部分組成。除雪車工作時，由主機(jī)牽引除雪裝置并提供動力，主機(jī)液壓系統(tǒng)與除雪裝置的馬達(dá)連接，馬達(dá)驅(qū)動拋雪風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動，風(fēng)扇軸再將動力傳遞至一個定傳動比的T型變速器，變速器輸出軸帶動集雪螺旋轉(zhuǎn)動，集雪螺旋將分散積雪聚集到雪鏟中間，再利用拋雪風(fēng)扇將雪上揚(yáng)拋出，從而實(shí)現(xiàn)集雪、拋雪的工作過程。集雪螺旋的工作效率直接影響著除雪車的性能。

圖1 除雪裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 切削冰雪有限元模型建立

集雪螺旋在與積雪相互作用的過程中，既會對積雪產(chǎn)生剪切作用，也會使積雪材料發(fā)生塑性變形，本文使用的積雪本構(gòu)模型為線性Drucker-Prager模型，是擴(kuò)展的Druker-Prager 模型[2]中的一種，該模型是由經(jīng)典的Druker-Prager模型擴(kuò)展而來。目前國內(nèi)關(guān)于為積雪建立有限元模型的文獻(xiàn)幾乎沒有，國外一些學(xué)者建立的“車輪—積雪模型”采用的就是擴(kuò)展的Druker-Prager 模型[3]。在劃分網(wǎng)格時，利用ALE 自適應(yīng)網(wǎng)格(ALE adaptive meshing)的方法[4]，有效解決了積雪模型受到刀具切削時網(wǎng)格發(fā)生很大扭曲和變形從而導(dǎo)致計算不收斂的問題[5]。

2.1 切削冰雪模型簡化

由于軌道上積雪密度較小，集雪螺旋切削冰雪的過程因螺旋刀具與冰雪摩擦所產(chǎn)生的熱量可忽略不計。集雪螺旋的實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文旨在分析集雪螺旋切削冰雪過程的受力特性，因此將集雪螺旋模型簡化為直徑為750 mm，帶寬為100 mm，螺距為600 mm，軸向長度為1 500 mm的帶狀螺旋，積雪模型簡化為長4 000 mm、寬2 500 mm、雪深150 mm的長方體。同時對螺旋集雪的過程做出以下假設(shè)。

(1)假設(shè)積雪各向同性，所有部分的性質(zhì)相同，深度相等，密度均勻。

(2)假設(shè)集雪螺旋為剛體[6]。

(3)假設(shè)在整個除雪過程中，集雪螺旋轉(zhuǎn)速不變，前進(jìn)速度不變，除雪深度不變。

2.2 切削冰雪過程設(shè)定

圖2 裝配完成后的切雪模型

切雪作業(yè)開始后，螺旋下沉100 mm，即切削深度為100 mm，將積雪模型和螺旋刀具模型用三維制圖軟件Solidworks作出，保存為.xt格式，分別導(dǎo)入ABAQUS軟件，并裝配。裝配好的模型如圖2所示。設(shè)定集雪螺旋的回轉(zhuǎn)軸平行于Y軸，螺旋工作時沿Z軸正方向前進(jìn)。

定義集雪螺旋的密度為7 860 kg/m3，楊氏模量為212 000 MPa，泊松比為0.288。積雪模型選用擴(kuò)展的 Drucker-Prager 本構(gòu)模型，其主要參數(shù)設(shè)定如表1和表2所示[7]。

表1 積雪的D-P材料模型參數(shù)

表2 積雪的D-P硬化參數(shù)

將切削模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，集雪螺旋采用四面體單元，共劃分5 104個單元，集雪模型采用六面體結(jié)構(gòu)單元，共劃分140 000個單元。本文將集雪螺旋切削冰雪的過程設(shè)置2個分析步進(jìn)行處理，第一個分析步是使處于冰雪表面的螺旋下沉100 mm，第二個分析步使螺旋旋轉(zhuǎn)前進(jìn)切削雪層，時間為5 s。除雪車作業(yè)時前進(jìn)速度與集雪螺旋轉(zhuǎn)速可根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，本文參考除雪車進(jìn)行除雪實(shí)驗時的車速與螺旋轉(zhuǎn)速，設(shè)定其Z軸方向前進(jìn)速度為180 mm/s，角速度為-12 rad/s，旋轉(zhuǎn)方向遵守右手法則。

3 集雪螺旋集雪作業(yè)過程分析

3.1 集雪螺旋切削冰雪過程應(yīng)力分析

本文主要研究螺旋切削冰雪的過程，即模型的第二個分析步。在此分析步中，螺旋轉(zhuǎn)速為12 rad/s，位移速度為180 mm/s,為看圖方便，將變形過大的失效單元隱藏，積雪所受應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 集雪螺旋切削積雪應(yīng)力云圖

圖4 集雪螺旋切削積雪應(yīng)力時域曲線圖

積雪所受應(yīng)力大小反映了螺旋刀具對冰雪的切削能力，積雪所受應(yīng)力越大，其被切削發(fā)生位移的可能性越大，螺旋刀具對冰雪的切削能力也就越強(qiáng)。整個作業(yè)動態(tài)過程的最大應(yīng)力時域曲線如圖4所示，切削冰雪的過程應(yīng)力在1 200 kPa附近上下波動，波動是由螺旋的周期性旋轉(zhuǎn)和積雪位移后導(dǎo)致的厚度不均勻所造成，平均應(yīng)力大小為1 195 kPa，最大應(yīng)力為1 443 kPa，應(yīng)力平均值和最大值是評判一定結(jié)構(gòu)的螺旋刀具切削冰雪能力的重要指標(biāo)。

3.2 切削冰雪過程受力及扭矩分析

對整個除雪過程中集雪螺旋受到積雪的反作用力和反作用扭矩進(jìn)行分析，有助于了解集雪螺旋切削冰雪過程的力學(xué)特性。螺旋在X軸方向所受反作用力為其在垂直方向的受力，螺旋在Z軸方向所受反作用力為其在前進(jìn)方向的受力，反映了除雪作業(yè)的阻力。X向力與Z向力的合力大小可為螺旋軸軸承、聯(lián)軸器等零件的選型提供重要依據(jù)。X向力的時域曲線如圖5所示，在時間為0處，螺旋下沉到雪中作業(yè)深度并開始做回旋前進(jìn)運(yùn)動，此時瞬時受力最大，達(dá)到795 N，隨后受力變小，力大小在250 N上下平穩(wěn)波動，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。Z向力的時域曲線與X向力相似，在螺旋工作開始，瞬時受力很大，最大受力達(dá)到2 570 N，隨后受力趨于平緩，大小在350 N上下波動，開始正常作業(yè)。

螺旋在Y軸方向所受反作用力是其在螺旋回轉(zhuǎn)軸方向所受軸向力，該力的大小可為螺旋軸軸承選型提供參考，使軸承的軸向受力性能可以滿足要求，同時該力的大小也反映了螺旋的軸向集雪性能，有助于改善集雪螺旋的集雪效率。根據(jù)計算結(jié)果，Y向力在切削剛開始時的瞬時脈沖達(dá)到6 869 N，在正常切削狀態(tài)下，受力大小在1 100 N上下浮動。

螺旋所受繞螺旋回轉(zhuǎn)軸的反作用扭矩則直觀地反映了積雪在集雪螺旋工作動時帶來的阻力狀況，為集雪螺旋的材料選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和除雪裝置的動力配置等提供依據(jù)。螺旋軸軸向反作用扭矩的時域曲線如圖6所示，螺旋在0 s時還未開始旋轉(zhuǎn)，所受扭矩為負(fù)值，旋轉(zhuǎn)開始所受瞬時扭矩最大，達(dá)到844 N·m，在工作狀態(tài)平穩(wěn)后，扭矩穩(wěn)定在150 N·m附近。

圖5 螺旋在X軸方向所受反作用力時域曲線圖

圖6 螺旋所受反作用扭矩時域曲線圖

4 螺距對螺旋—積雪相互作用的影響

螺距是集雪螺旋的重要參數(shù)之一，螺距大小對集雪螺旋的切削性能，集雪效率，受力狀況等都有重要影響，研究不同螺距大小對集雪過程中螺旋—積雪相互作用的影響可為優(yōu)化螺旋結(jié)構(gòu)，改善螺旋集雪性能提供重要參考。

圖7 積雪應(yīng)力對比曲線圖

設(shè)定螺距為600 mm、500 mm、400 mm 3組模型進(jìn)行對比分析。在研究過程中，為了突出螺距改變對除雪過程受力狀況的影響，忽略螺旋剛開始旋轉(zhuǎn)時的瞬態(tài)力學(xué)特征，選擇一般工況即已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)的時間段的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。3種螺距的螺旋應(yīng)力對比曲線如圖7所示，從曲線可以看出螺距為600 mm時，積雪所受應(yīng)力最大，其次是500 mm的螺距。螺距為400 mm時，積雪應(yīng)力最小。應(yīng)力大小反映了螺旋刀具切削冰雪的能力，因此可以得出，增大螺距可以增強(qiáng)螺旋對冰雪的切割能力，但是增大螺距對于螺旋刀具切削冰雪能力的提升幅度并不顯著。

根據(jù)數(shù)值仿真數(shù)據(jù)得到3種不同螺距的螺旋各方向所受平均力，平均力方差，扭矩值和扭矩方差等性能評判參數(shù)，如表3所示。

表3 不同螺距螺旋性能評判數(shù)據(jù)

集雪螺旋在X軸和Z軸方向的受力會直接施加到聯(lián)軸器和軸承，3種螺距螺旋X向受力的對比曲線如圖8所示，螺旋Z向受力與X向受力特征相似，結(jié)合表3數(shù)據(jù)，可以得出，3種螺旋在X軸、Z軸方向的受力大小相差不多，在50 N以內(nèi)，但是當(dāng)螺距為600 mm時，其受力方差明顯大于其它兩張螺距的螺旋。螺距增大，其受力的波動越大，對軸承造成的瞬時沖擊就越大。螺距過小，也會增加螺旋受力的波動情況，在此3組模型當(dāng)中，500 mm螺距工作狀態(tài)最穩(wěn)定，受力波動最小。因此，在集雪螺旋設(shè)計時，適當(dāng)減小螺距，有利于集雪螺旋平穩(wěn)工作，減少對軸承和聯(lián)軸器等零件的沖擊。

對比分析3種螺距集雪螺旋在Y軸即螺旋回轉(zhuǎn)軸方向的受力可以得出，螺距增大，有利于減小螺旋軸向的受力。同時，螺旋螺距越小，其軸向受力大，對積雪的軸向輸送能力就越強(qiáng)，從而減少了雪的縱向無效流動，提高集雪效率。同時，大螺距也會顯著增加螺旋工作時的受力波動。

回轉(zhuǎn)螺旋受到的反作用扭矩對比曲線如圖9所示，結(jié)合表3數(shù)據(jù)，可以看出，3種螺旋所受的扭矩值平均值分別為153 N·m、158 N·m、156 N·m，差距很小，幾乎可以忽略不計，扭矩方差分別為2 871 N·m、931 N·m、1 456 N·m?？梢娐菥嗵髸?dǎo)致螺旋受到的瞬時反作用扭矩波動幅度變大，螺距過小也會帶來扭矩波動的不平穩(wěn)。過大的瞬時扭矩不利于集雪作業(yè)的平穩(wěn)進(jìn)行，也會對變速器齒輪、傳動裝置、液壓馬達(dá)、液壓油泵等造成很大的沖擊，降低它們的壽命。因此，從改善集雪螺旋工作平穩(wěn)性的角度來講，500 mm的螺距是最優(yōu)選擇。

圖8 螺旋X軸方向受力對比曲線圖

圖9 螺旋所受反作用扭矩對比曲線圖

5 結(jié)論

(1)針對冬季北方積雪的物理特性建立的螺旋—積雪相互作用模型，經(jīng)除雪車實(shí)際應(yīng)用驗證，能夠有效地模擬集雪螺旋與積雪相互作用的過程。

(2)應(yīng)力大小是反映螺旋刀具切削冰雪能力的重要指標(biāo)；X向力與Z向力的合力大小反映了除雪作業(yè)的阻力；螺旋在Y軸方向所受反作用力是其在螺旋回轉(zhuǎn)軸方向所受軸向力，該力的大小反映了螺旋的軸向集雪性能；螺旋所受繞螺旋回轉(zhuǎn)軸的反作用扭矩則直觀地反映了積雪在集雪螺旋工作時帶來的阻力狀況。

(3)增大螺距會小幅度增強(qiáng)螺旋切削冰雪的能力；同時增大螺距會減小螺旋的軸向受力，不利于提高螺旋對積雪的軸向輸送能力；而螺距的改變對于除雪阻力的影響非常小。此外，過大或過小的螺距選擇都會使螺旋受力和所受反作用扭矩波動過大，不利于集雪螺旋的平穩(wěn)工作，還會對軸承、變速器齒輪、傳動裝置、液壓馬達(dá)、液壓油泵等造成很大的沖擊，降低其壽命。

(4)綜合考慮以上因素，當(dāng)螺距為500 mm時，螺旋的垂向受力和前進(jìn)方向受力波動幅度最小，扭矩波動幅度最小，工作穩(wěn)定性最好，同時也保證了集雪螺旋有較好的切削冰雪性能和軸向集雪性能，是三者間的最優(yōu)選擇。

本研究工作探索了螺旋—積雪相互作用規(guī)律，可用于預(yù)測集雪螺旋在除雪作業(yè)中的受力狀況，預(yù)測不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對集雪螺旋作業(yè)效果的影響，為集雪螺旋的幾何結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計、結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇、零件選型、動力單元的配置提供參考依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到提高除雪車工作效率，降低功耗的目標(biāo)。