吳文江， 李晨陽， 趙曉孟

(1.石家莊鐵道大學 工程訓練中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

鐵路除沙車集沙鏟集沙過程有限元模擬研究

吳文江1， 李晨陽2， 趙曉孟2

(1.石家莊鐵道大學 工程訓練中心，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

鐵路除沙車是課題組研發(fā)的用于沙漠地區(qū)鐵道線路除沙的專用設備，集沙裝置是鐵路除沙車的重要組成部分，在進行集沙工作時，集沙裝置的集沙鏟承受了較大的阻力。為了研究集沙鏟工作時的受力情況和功耗情況，根據集沙鏟和積沙的各自特點，建立了沙土模型、積沙結構模型和集沙鏟模型，對集沙鏟切割積沙的過程進行了有限元動力學分析。由仿真結果可知，集沙鏟在旋轉速度300 r/min，進給速度3 km/h的額定工況下，其最大應力為71.45 MPa，最大切割阻力為6 500 N，最大切割功耗在14～18.5 kW之間，集沙鏟葉片下邊緣和外側邊角處存在應力集中。研究結果為鐵路除沙車集沙鏟結構的優(yōu)化和驅動馬達的選型提供了理論依據。

集沙鏟；積沙；切割；有限元法；動力學分析

0 引言

鐵路除沙車是沙漠地區(qū)用于清除鐵道線路積沙的專用養(yǎng)護設備，課題組研制的鐵路除沙車整車結構如圖1所示。除沙系統(tǒng)是鐵路除沙車的重要組成部分，集沙鏟是其主要部件，集沙鏟的結構如圖2所示，由主軸和集沙葉片組成。主軸帶動集沙葉片旋轉，集沙葉片收集沙子，并將沙子輸送到后部的排沙機構，由排沙機構將沙子輸送到軌道兩側。在集沙過程中，集沙鏟連續(xù)切割積沙并向排沙機構推送沙子，因而受到持續(xù)和交變的阻力作用，此外集沙鏟的結構也是影響其受力的重要因素，因此對其受力和功耗情況進行分析，對于進一步優(yōu)化集沙鏟的結構，更好的匹配驅動馬達，具有重要的研究意義[1]。

圖1 鐵路除沙車結構示意圖

圖2 集沙鏟結構示意圖

1 模型的建立

1.1 積沙模型與結構模型

積沙模型采用LS-DYNA971中的MAT193本構模型，這種材料模型能夠有效的描述積沙的材質特性，定義該模型的變量與土木工程中定義材料參數(shù)的類型相似。將改良的D-P模型屈服面計算方法應用到MAT193材料模型中，增強了表面的抗扭曲能力，使其更加適用積沙材質[2]。根據除沙車應用區(qū)域鐵道線路積沙的特性，確定MAT193的主要參數(shù)(使用gm-cm-μs單位制)，其中積沙密度1.4 g·cm-3，彈性剪切模量0.03 Mbar，泊松比0.36，破壞面形狀參數(shù)2.8，摩擦角0.52 rad，凝聚力5×105N，膨脹角1.6 rad，最小剪切應力0.05 Mbar。

圖3 積沙結構模型示意圖

依據對除沙車應用區(qū)域鐵道線路積沙情況的實際考察，結合機車車輛通行情況，設定被切割積沙斷面的結構模型如圖3所示，積沙模型的寬度為2 400 mm，高度為400 mm，積沙表面為自然曲面，應用二次曲線模擬積沙斷面的曲線。

1.2 集割過程的簡化和集沙過程的設定

(1)假設主軸和集沙鏟葉片材料分別各向同性，集沙鏟主軸設置成剛體，集沙鏟葉片設置成柔性體，主軸與葉片之間共節(jié)點連接[3]。

(2)假設積沙各向同性，各部分的含水率、堅實度和密度均勻[4]。

(3)假設在整個切割過程中，集沙鏟的旋轉速度和前進速度恒定，集沙鏟所處高度不變。

(4)集沙鏟有限元模型如圖4示，由于主軸和集沙葉片之間為剛體和柔性體硬連接，所以在運動時會使柔性體發(fā)生較大形變，為此在K文件中加入阻尼指令來減小剛體和柔性體連接處的應力[6]。

圖4 集沙鏟的網格與節(jié)點劃分

圖5 集沙鏟與坐標系的位置關系

集沙鏟工作過程中，需根據實際工作情況和程序要求進行必要的設定，在LS-DYNA中如圖5所示，集沙主軸軸向處在X軸上，沙堆處在集沙鏟的+Z方向：

(1)設定軸、集沙鏟、積沙等均使用soild164單元，單點積分法計算[7]。

(2)在全局內對軸添加集中質量約束，限制其在X、Y方向的位移自由度和Y、Z方向的轉動自由度。

(3)設定在初始時刻集沙鏟與積沙處在未接觸狀態(tài)，作業(yè)過程中集沙鏟切割積沙，將5個集沙鏟葉片定義為part集合，part集合與積沙面面侵蝕接觸[8]。

(4)根據額定工況定義集沙鏟的進給速度為3 km/h，旋轉速度為300 r/min，前進方向為沿Z軸正向移動，旋轉方向為繞X軸順時針轉動。

(5)為使積沙固定，對積沙下部點集合添加邊界約束。

(6)為積沙添加無反射邊界條件，定義無邊界solid實體，以消除邊界條件對切割過程的影響[9]。

(7)對積沙添加侵蝕后刪除指令，使積沙在指定單元侵蝕失效后由程序自動刪去，避免產生負體積，以消除失效積沙對集沙鏟的影響。

2 集沙鏟工作過程分析

模擬集沙鏟切割積沙的工作過程，重點研究分析集沙鏟的應力和功耗。

2.1 集沙鏟初始工況應力分析與滿負荷工況應力分析

模擬的初始集沙過程仿真結果如圖6所示，集沙鏟啟動后，一開始并未與積沙接觸，在4 000μs時，集沙鏟所受阻尼力趨于穩(wěn)定，集沙葉片根部應力達到1.705MPa。在6 000μs時，集沙鏟開始接觸到積沙，集沙鏟應力逐漸變大，集沙葉片最大應力出現(xiàn)在與沙接觸區(qū)域，其值為4.768MPa。此后，集沙葉片應力繼續(xù)變大，一直達到18.96MPa。在14 000μs時，集沙鏟應力值開始變小。從仿真結果分析可以得到以下結論：

(1)集沙葉片附加阻尼力所引起的最大應力值是集沙鏟切割沙堆所產生最大應力值的1/10，并且非工作葉片上的相對應力值為零，因此阻尼力的添加并不影響計算結果。

(2)集沙過程中，隨著切割積沙量的增加，集沙鏟最大應力值越來越大，最大值出現(xiàn)在集沙鏟的根部和與積沙接觸的邊緣區(qū)域。

圖6 初始集沙工況集沙鏟應力云圖

隨著集沙鏟的前移，其集沙鏟葉片單次集沙量逐步增加，當單次集沙量達到最大時，集沙鏟進入滿負荷工作狀態(tài)。模擬的滿負荷集沙鏟工作過程仿真結果如圖7所示，在1.3×105μs時，集沙鏟葉片剛接觸到積沙，此時集沙鏟葉片根部受力較大，最大應力值為19.72 MPa；1.4×105μs時，集沙鏟葉片與積沙作用面積增大，此時集沙鏟的最大應力為48.55 MPa，出現(xiàn)在集沙鏟與軌道貼合處附近，集沙鏟整體應力并不大，但應力較為集中；在1.48×105μs時，集沙鏟應力繼續(xù)增大，應力集中出現(xiàn)在與沙子接觸區(qū)域，最大值為71.45 MPa；在1.54×105μs時，集沙鏟最大應力開始變小。從仿真結果可以得到以下結論：

(1)集沙鏟的最大應力值隨著集沙鏟與積沙作用面積的增大而增大，最大應力值為71.45 MPa。

(2)集沙鏟的最大應力值常出現(xiàn)在其與積沙接觸的下邊緣處或外側邊緣的尖角處。

圖7 滿負荷工況集沙鏟應力云圖

2.2 集沙鏟切割阻力和功耗分析

集沙鏟各葉片依次切割積沙的阻力如圖8所示，該力是X、Y、Z方向阻力的合力。在初始切割積沙時，切割阻力較小，隨著集沙鏟逐步達到滿負荷工況，切割阻力增加到5 500 N以上。

切割功耗是集沙鏟的主要功耗，其數(shù)值是選擇集沙鏟驅動馬達的主要依據[10]。在分析切割積沙阻力的基礎上，將切割阻力對位移積分，再對時間微分得到切割功耗曲線，切割功耗曲線如圖9所示，集沙鏟進入滿負荷工況后，最大切割功耗在14～18.5 kW之間。

圖8 切削阻力變化曲線

圖9 切削功耗變化曲線

3 結論

通過對集沙鏟集沙過程的模擬仿真，得到以下結論：

(1)集沙鏟大部分區(qū)域應力在10～25 MPa之間，滿足強度要求。在集沙鏟下邊緣處和外側尖角處，最大應力能達到71.45 MPa有應力集中現(xiàn)象，需對其結構進行優(yōu)化。

(2)集沙鏟切割積沙過程中，切割阻力為周期性力，最大值為6 500 N左右，變化范圍較大，因而除沙鏟葉片存在潛在的疲勞損傷。

(3)集沙鏟最大切割功耗在14～18.5 kW之間有一定浮動，為維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，其驅動馬達的額定功率應大于18 kW。后期改進中，考慮改變刀具形狀和添加配重，增加刀具轉動慣量，以達到充分利用功率、降低額定功率、減小功率浮動范圍的目的。

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The Study on Sand-collecting Process of Rail Sand-clearingVehicle with Finite Element Simulation

Wu Wenjiang1， Li Chenyang2， Zhao Xiaomeng1

(1.Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University , Shijiazhuang 050043,China;2.School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043,China,)

The rail sand-clearing vehicle is a device designed by the research group to remove sand for rail tracks in desert area. The sand-collecting shovel is an important part in the vehicle. When the equipment works, the sand-collecting shovel bears large hindrance. To explore the sand shovel's cutting force and power consumption conditions in rotary movement, this paper uses LS-DYNA finite element dynamic analysis to simulate the shovel cutting process which is according to the characteristics of the sand shovel and the sand. This paper gets the concentrated stress, cutting force and power consumption of the sand shovel in real-time. The simulation experiments show that the maximum stress of the shovel is 71.45 MPa, and the maximum cutting force is 6 500 N and the average power consumption is between 14 to 18.5 kW on the sand shovel when it is in the speed of 300 r/min and 3 km/h. The research results provide a theoretical basis for the vehicle' further improvement and optimization.

sand-collecting shovel;sand pile;cutting;FEM;dynamic analysis

河北省研究生創(chuàng)新項目 (yc2016003 )

吳文江(1965-)，男，博士，教授，研究方向為機電一體化系統(tǒng)設計方法。E-mail:bfwwj@163.com

TH238

A

2095-0373(2017)02-0068-05

2016-04-19 責任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.12

吳文江，李晨陽，趙曉孟.鐵路除沙車集沙鏟集沙過程有限元模擬研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(2):68-71.