， ，

(1. 北京鐵路局 天津機(jī)務(wù)段，天津 300232； 2.石家莊鐵道大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

軌道除沙車集沙鏟功耗分析與形狀優(yōu)化

李晨陽1，吳文江2，王振興3

(1. 北京鐵路局 天津機(jī)務(wù)段，天津 300232； 2.石家莊鐵道大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河北 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

基于離散元法，利用EDEM軟件中的Hertz-Mindlin接觸模型，研究沙子物理特性和集沙鏟幾何特點(diǎn)，建立基于EDEM軟件單葉集沙仿真模型。分析了集沙鏟轉(zhuǎn)速為90 r/min，100 r/min，120 r/min時(shí)，沙堆沙粒能量的數(shù)值規(guī)律，計(jì)算出在額定工況下3種轉(zhuǎn)速下所需功率分別4.24 kW，5.29 kW，7.46 kW。同時(shí)對定轉(zhuǎn)速120 r/min下集沙鏟葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真得到平板集沙鏟以及集沙鏟末端弧度半徑分別為700 mm，500 mm，300 mm時(shí)的受力情況，分析后得到集沙鏟末端弧度半徑為500 mm時(shí)受力峰值最小，作用過程中受力較為均勻，所受沖量較小。

除沙車；集沙鏟；單葉集沙模型；數(shù)值模擬

0 引言

隨著中國鐵路運(yùn)輸?shù)娘w快發(fā)展，越來越多的鐵路線路鋪設(shè)在了沙漠、戈壁等風(fēng)沙頻繁的地區(qū)，這些地區(qū)常常因風(fēng)沙過大積沙埋沒鐵軌導(dǎo)致列車停運(yùn)的事故，為此課題組研制出鐵路除沙車，是專用于沙漠地區(qū)清除鐵道線路積沙的養(yǎng)護(hù)設(shè)備。集沙鏟是除沙車中與沙堆作用的主要構(gòu)件，它的工作過程是切割沙堆并將其輸送到除沙車后部。為了達(dá)到預(yù)定的除沙效果、充分利用除沙車動力，分析集沙鏟與沙堆作用情況，優(yōu)化集沙鏟形狀勢在必行。

通常情況下機(jī)械-沙土使用接觸模型方法多為：分析法[1]、經(jīng)驗(yàn)法[3]、連續(xù)體數(shù)值法[3]，但它們對于分析沙土等介質(zhì)有著明顯的不足[4]。采用DEM(Discrete Element Method)能夠進(jìn)行離散介質(zhì)的靜力學(xué)和動力學(xué)仿真，該方法由Cundall和Strack(1979)提出，基于顯示顆粒的數(shù)值求解法，每個顆粒都看作是獨(dú)立的個體進(jìn)行仿真，應(yīng)用牛頓第二定律作為描述粒子平移運(yùn)動基本理論，應(yīng)用通用旋轉(zhuǎn)動力學(xué)作為旋轉(zhuǎn)理論基礎(chǔ)[5]。該方法能夠充分考慮到沙土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和非線性流動狀況，在研究散體介質(zhì)方面有著明顯的優(yōu)勢[6-7]。當(dāng)前，國內(nèi)外一些學(xué)者建立了土壤與機(jī)械之間的離散元接觸模型，但多數(shù)仍舊停留在二維模型上，且應(yīng)用的主要領(lǐng)域是推板實(shí)驗(yàn)和旋耕刀具等轉(zhuǎn)速小、對顆粒的沖擊力小的領(lǐng)域[8]，而集沙鏟與沙堆的優(yōu)化過程建立在精確的沙土模型和三維機(jī)械模型的基礎(chǔ)上，對沙粒子的速度影響大、產(chǎn)生的沖擊較強(qiáng)。仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于高速旋進(jìn)機(jī)械如盾構(gòu)、中速鉆頭等機(jī)械的離散元法研究有重要的價(jià)值。此外，對沙漠地區(qū)的干燥細(xì)小顆粒沙土的離散元模型進(jìn)行了標(biāo)定，確定了該沙土的離散元模型。

1 理論基礎(chǔ)

1988年Fielke首次建立了低粘結(jié)度的沙土模型[3]，DEM仿真證明了當(dāng)土壤粘結(jié)度較小時(shí)(粘結(jié)強(qiáng)度小于6 kPa)，在仿真結(jié)果上幾乎和無粘結(jié)力的模型相同，由于集沙鏟工作區(qū)域的沙堆屬于粘結(jié)力很小的沙土質(zhì)，因此確定了在仿真過程中選用Hertz-Mindlin(no slip)法進(jìn)行仿真。

Hertz-Mindlin(no slip)能夠精確計(jì)算粒子位置和時(shí)間的關(guān)系，其具體的計(jì)算模型已經(jīng)定義和建立。

其法向接觸力為

其切向接觸力為

2 集沙鏟與沙土接觸模型

由于風(fēng)沙地區(qū)沙子干燥、細(xì)小等特點(diǎn)，利用EDEM軟件建立其沙土-機(jī)械接觸模型，為了提高模擬集沙鏟和沙堆接觸模型的準(zhǔn)確性，需要將材料參數(shù)和接觸參數(shù)正確的標(biāo)定，使用精確的集沙鏟三維模型。

2.1 材料參數(shù)和接觸參數(shù)的標(biāo)定

1988年，F(xiàn)ielke建立了DEM的沙質(zhì)土壤模型[3]，提供了沙質(zhì)土壤模型的主要參數(shù)。為了正確建立符合風(fēng)沙地區(qū)沙質(zhì)的模型，在借鑒Fielke模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了沙土的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和模型標(biāo)定[4]，如圖1。

圖1 參數(shù)標(biāo)定與模型標(biāo)定

通過實(shí)驗(yàn)和模型標(biāo)定確定所需材料參數(shù)和物料間接觸模型參數(shù)，如表1、表2。

表1 材料屬性

表2 材料間的接觸參數(shù)

2.2 集沙鏟幾何模型

集沙鏟位于除沙車前端，除沙車結(jié)構(gòu)如圖2(a)，集沙鏟旋轉(zhuǎn)前進(jìn)收集鐵路上沙子，將沙子送到車輛后部，再由排沙系統(tǒng)排出車外，行走系統(tǒng)提供向前動力，其運(yùn)行前進(jìn)速度0.8 m/s，為了降低轉(zhuǎn)速，提高工作效率，集沙鏟設(shè)計(jì)時(shí)采用多葉片軸輻式設(shè)計(jì)，主要結(jié)構(gòu)包括主軸和集沙葉片兩部分，集沙葉片上有貼合軌道斷面的缺口，如圖2(b)。

圖2 除沙車及集沙鏟機(jī)構(gòu)示意圖

3 集沙模型的建立和沙粒的數(shù)值規(guī)律分析

3.1 單葉集沙仿真模型建立

圖3 單葉集沙鏟仿真模型

為了簡化計(jì)算和分析，在EDEM模型中做如下簡化，如圖3。

(1) 建立單葉片式集沙鏟和導(dǎo)槽，其前進(jìn)速度改為0.2 m/s。

(2) 集沙鏟葉片寬度改為150 mm，沙堆模型定質(zhì)量為10 kg，沙高為180 mm。

(3) 設(shè)定零勢能動能線和顆粒刪除邊界。沙堆在零勢能動能線處生成，下落堆積，質(zhì)量為10 kg，堆積高度180 mm。集沙鏟順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并和導(dǎo)槽以0.2 m/s的速度勻速向前(除沙車樣機(jī)集沙鏟為4葉片，以0.8 m/s左右前進(jìn)，為保證每鏟集沙量一定，單葉集沙鏟模型將速度減小4倍)，集沙鏟葉片與沙堆接觸后將沙堆沿導(dǎo)槽刮起，沙堆被刮起高度超過沙粒刪除邊界后，沙粒被刪除。集沙鏟旋進(jìn)直到將堆積的沙堆全部拋出，計(jì)算結(jié)束。

3.2 不同轉(zhuǎn)速下沙堆的數(shù)值規(guī)律

圖4 不同轉(zhuǎn)速下沙?？偰芰壳€

模擬實(shí)驗(yàn)的顆粒半徑在4～6 mm之間，顆粒數(shù)目在6 925左右。3組實(shí)驗(yàn)中，沙粒產(chǎn)生的速率和數(shù)量相同，3組實(shí)驗(yàn)集沙鏟與沙堆相對位置固定，0.4 s時(shí)集沙鏟開始以0.2 m/s速度進(jìn)行旋進(jìn)運(yùn)動，模擬除沙車集沙系統(tǒng)的運(yùn)動。通過仿真結(jié)果得到不同轉(zhuǎn)速下沙粒總能量曲線如圖4所示。

在0 s時(shí)刻未產(chǎn)生任何沙粒，沙堆的總能量為零。沙堆在零動能勢能點(diǎn)產(chǎn)生，下降堆積靜止，由于沙粒的下降使得沙堆在靜止?fàn)顟B(tài)下總能量為負(fù)。0.4 s后集沙鏟開始運(yùn)動與沙堆作用，每次作用，都會使沙堆的總能量增加，集沙鏟與沙堆分離后總能量保持平穩(wěn)，一定時(shí)間后，飛出計(jì)算區(qū)域的沙粒的勢能和動能減為零，致使沙堆的總能量突然減小。沙粒被拋出計(jì)算區(qū)域同時(shí)帶走大量能量，但由于總沙量的減小，使得沙堆被作用后比作用前的總能量大，因此集沙的過程中，能量曲線在最低點(diǎn)起伏升高，到3.5 s時(shí)沙堆被清理完，總能量趨于零，沙堆的每一時(shí)刻的總能量都可以通過計(jì)算結(jié)果得出。

通過對沙堆的能量等數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，可以得到不同轉(zhuǎn)速下單葉片模型集沙參數(shù)如表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速下單葉片模型集沙參數(shù)

根據(jù)不同轉(zhuǎn)速沙堆獲得能量求得限定工況下所需集沙鏟功率如表4。

表4 不同轉(zhuǎn)速下集沙鏟集沙參數(shù)

根據(jù)表4可知，假定軌面上的沙堆積沙高度一定，沙堆分布均勻，因而使得每秒最大集沙量達(dá)到563 kg，且除沙車以0.8 m/s的車速前進(jìn)時(shí)，當(dāng)集沙鏟轉(zhuǎn)速分別為90 r/min、100 r/min、120 r/min時(shí)，所需的功率分別為4.24 kW、5.29 kW、7.46 kW，該數(shù)據(jù)為除沙車上的集沙鏟動力分配提供了理論依據(jù)。

相同的葉片數(shù)目和轉(zhuǎn)速下，前進(jìn)速度不同使得單位時(shí)間內(nèi)收集沙子質(zhì)量不同，所以集沙鏟所需功率發(fā)生變化，所需功率與增加的集沙質(zhì)量成正比。

相同轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度下，葉片數(shù)目不同雖然每片葉片所收集的沙子質(zhì)量變化，但由于主要功耗參數(shù)是根據(jù)集沙質(zhì)量來確定的，因此這種情況下集沙質(zhì)量不變功耗不發(fā)生變化。

3.3 定轉(zhuǎn)速下集沙鏟葉片的選型

在集沙鏟的設(shè)計(jì)當(dāng)中，集沙鏟葉片與沙堆作用力較大，根據(jù)石家莊鐵道大學(xué)工程訓(xùn)練中心所做集沙實(shí)驗(yàn)，集沙鏟轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，集沙鏟葉片工作一段時(shí)間后明顯變形。為了降低集沙鏟對沙堆的撞擊力，提高集沙鏟的壽命，需對集沙鏟葉片進(jìn)行改進(jìn)。在借鑒車床刀具形狀的基礎(chǔ)上，將集沙鏟葉片末端由板狀變?yōu)榛?，分別用EDEM對4種形狀集沙鏟進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，3種改進(jìn)后的集沙鏟形狀，葉片圓弧半徑分別為700 mm、500 mm和300 mm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的4種不同形狀集沙鏟受力大小，取1～3.5 s工況下的參數(shù)繪制集沙鏟受力曲線。

圖6是板狀集沙葉片與700 mm圓弧半徑集沙葉片受力曲線對比，根據(jù)圖線可知700 mm圓弧半徑的集沙葉片受力小于板狀集沙葉片，在峰值處體現(xiàn)尤為明顯，因而700 mm圓弧半徑情況受力優(yōu)于板狀結(jié)構(gòu)。

圖5 3種形狀刀具示意圖

圖6 板狀集沙葉片與700 mm圓弧半徑集沙葉片受力曲線

圖7 板狀集沙葉片與500 mm圓弧半徑集沙葉片受力曲線

圖7是板狀集沙葉片與500 mm圓弧半徑集沙葉片受力曲線對比，500 mm圓弧半徑集沙葉片受力在各處均明顯小于板狀集沙鏟受力，500 mm圓弧半徑集沙葉片相比板狀集沙葉片在受力上優(yōu)勢明顯。

圖8是板狀集沙葉片與300 mm圓弧半徑集沙葉片受力曲線對比，300 mm圓弧半徑集沙葉片的受力在各處均大于板狀集沙葉片，300 mm圓弧半徑相比板狀集沙葉片在受力上優(yōu)勢較小。

圖8 板狀集沙葉片與300 mm圓弧半徑集沙葉片受力曲線

為了精確對比各形狀集沙鏟的受力情況，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得到4種集沙鏟葉片的平均力，方差和沖量等性能評判數(shù)據(jù)，如表5。

表5 不同形狀集沙鏟性能評判數(shù)據(jù)

受力均值表示集沙葉片受力量級的大小，方差代表受力曲線的波動情況，沖量代表集沙所受沙堆的沖擊力的情況，根據(jù)評判數(shù)據(jù)得到500 mm圓弧半徑是目前的最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

(1) 針對風(fēng)沙地區(qū)沙土的物理特性，建立該種沙土的EDEM材料模型，該模型經(jīng)驗(yàn)證符合實(shí)際要求。

(2) 分析了集沙鏟在不同轉(zhuǎn)速工況下，沙?？偰芰康臄?shù)值規(guī)律。得出在90 r/min、100 r/min、120 r/min時(shí)，每秒集沙質(zhì)量為563 kg、集沙鏟葉片數(shù)目為4時(shí)，集沙鏟所需額定功率分別為4.24 kW、5.29 kW、7.46 kW，為集沙鏟功率分配提供了理論依據(jù)。

(3) 在集沙鏟的葉片形狀優(yōu)化方面，當(dāng)集沙鏟轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，分別4種形狀集沙鏟進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)集沙鏟邊緣圓弧半徑為500 mm時(shí)，受力和集沙效果最佳。

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PowerAnalysisandShapeOptimizingofRailwaySandCleaningVehicleShovels

LiChenyang1，WuWenjiang2，WangZhenxing1

(1.Tianjin Engine Section of Beijing Railway Bureau, Tianjin 300232, China;2.Engineering Training Center of Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；3.College of Mechanical Engineering of Shijiazhuang Tidao University，Shijiazhuang 050043，China)

Based on the DEM, a simulation model through EDEM software by using Hertz-Mindlin contact model gives the physical properties of sand and the geometric characteristics of sand collection shovel. The sand quantity， speed， and energy， etc. of sand pile are analyzed for the sand shovel revolving speed is of 90 r/min， 100 r/min and 120 r/min， and the calculated power respectively required under the three kinds of speed are 4.24 kW，5.29 kW and 7.46 kW. Optimization is made of sand shovel blade shape at a fixed speed of 120r/min. Simulation experiments are made to compare the stress of flat sand shovel when the sand shovel end arc radius is 700 mm，500 mm and 300 mm,which shows a better working condition can be obtained at 500 mm.

sand-cleaning car;sand collection shovel;simple sand collection shovel model;the numerical simulation

TH123

A

2095-0373(2017)04-0062-06

2016-03-26責(zé)任編輯車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.04.12

李晨陽(1989-),男,碩士研究生,主要從事載運(yùn)工具仿真模擬的研究。E-mail:429332178@qq.com

李晨陽，吳文江，王振興.軌道除沙車集沙鏟功耗分析與形狀優(yōu)化[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(4):62-67.