现代有轨电车槽型轨道除污装置设计研究

刘红现，柯坚，王国志，邓斌

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

由于现代有轨电车在国内的普及，使得对槽型轨的清洁研究工作正在兴起。姜超设计了一种公铁两用的有轨电车工程清洗车，其对轨道槽的清洗采用的是高压水射流技术[2]；高慧莹等人设计了一种铲除机构，可以铲除普通轨道面上的干痂和异物[3]；Yuxin Huang等人设计了类似的装置，实现了对轨道面和道床的全面清扫，不仅延长了轨道和车轮的寿命，也更有力地保障了行车安全[4]。在这些研究中，均没有针对现代有轨电车槽型轨道内具体污物的清理研究。

直接采用高压水射流技术清洁槽型轨会使大量污物滞留在轨道槽内，因此需要先对槽型轨道进行清扫。有些污物与轨道粘附性较强，为了提高清扫效果，本文根据槽型轨道内污物的特点，设计了一种轨道槽污物松动机构，该机构依托于以铁路平车为载体的槽型轨道清扫车上，作为轨道清扫装置的一部分，随着铁路平车运动。在综合考虑了槽型轨的特殊结构对污物形成影响的基础上，该装置利用扭转弹簧使机构紧贴轨道槽，增强除污效果，同时遇到固定硬颗粒时，可使其能向上转动，有一定的避障能力。通过虚拟样机技术，利用虚拟样机软件ADAMS，针对机构在槽型轨道内3种不同的运动情况，分析系统的相关性能指标，设置不同的扭转弹簧刚度进行仿真分析，优化扭转弹簧参数，强化装置对污物的松动效果，为槽型轨道的清洁提供一定的依据。

1 槽型轨除污装置

1.1 槽型轨除污装置组成

槽型轨清洁装置，作为附设装置挂配在轨道车辆下部随行清扫槽型轨道，主要由支架和置于支座上的污物松动机构和滚刷机构构成；支架通过支座挂配在轨道车辆上；污物松动机构通过连接板联接在支架上；滚刷机构与支架相联；支架上设置有负压空气吸尘装置，依轨道车辆前进的方向，污物松动机构、滚刷机构和负压空气吸尘装置依次设置，如图1所示。

图1 槽型轨除污装置

1.2 槽型轨除污装置工作原理

在该装置中，随着轨道车辆的运行，污物松动机构松动轨道槽内污物，滚刷装置利用离心力将轨道槽内污物扫起，被扫起的污物落在负压空气吸尘装置吸力作用范围内，污物在最短时间内被吸走，减少了扬尘，从而达到清洁槽型轨的目的。污物松动机构在整个清洁装置中起着重要的作用，其污物松动的能力直接影响着槽型轨清洁的效果。

2 污物松动机构设计

2.1 污物松动机构的功能要求

该机构是整个槽型轨除污装置的一部分，污物松动机构主要用于清扫前期松动轨道槽内污物，方便滚刷清扫，最后由负压空气吸尘装置将污物吸入垃圾箱，其功能要求主要有：

1) 机构的齿形耙耙齿应与轨道槽内部紧贴，并且与轨道槽的作用力大小适中，避免对轨道造成划伤等损害，减少耙齿磨损加剧。

2) 在齿形耙对污物松动的过程中，耙齿会有磨损，因此设计时应考虑磨损的补偿。

3) 在对轨道槽内的污物进行松动时，遇到固定硬颗粒，齿形耙应该有一定的避障能力。

4) 设计结构应方便更换耙齿。

2.2 污物松动机构模型设计

采用SolidWorks建立三维模型，虚拟样机软件ADAMS仿真的方法。虚拟样机(virtual prototype)技术已经广泛地应用于设计和制造领域，其中ADAMS应用较为普遍，早在对传统机构的设计中，已经应用了该技术。

污物松动机构模型如图2(a)所示，整个机构由连接件、轴、耙齿连接杆、扭转弹簧和耙齿构成，连接件和轴的两边分别焊有2个螺钉，轴用于连接连接件和耙齿连接杆，使两者能相对转动，耙齿连接杆和耙齿通过螺栓相连，耙齿尖端恰好与轨道槽底部相配合。2个扭转弹簧套在轴的两端，扭转弹簧的两端固定在螺钉上，通过扭转弹簧可以使耙齿贴紧轨道槽，既能补偿耙齿磨损，又能在遇到固定硬颗粒时，能向上翻转一定的角度，越过较硬颗粒，防止损坏耙齿，起到避障的作用。

2.3 仿真基本工况

轨道清洁车辆运行速度36km/h，污物松动机构的运动平行于轨道槽中心线，材料为普通碳钢。轨道槽内颗粒污染物主要有粘附性颗粒和固定硬颗粒，在不同扭转弹簧刚度下，污物松动机构对2种不同污染物的松动效果进行仿真，从而确定最佳的扭转弹簧刚度。

2.4 模型初步分析

根据机构的运动特点，进行力学分析，当机构在无污物的轨道槽内运动时，污物松动机构在轨道槽中心面受力情况如图2(b)所示。图中：Fx和Fy分别为轴对动作件在x和y方向的作用力，G为动作件的重力，F0为槽型轨对动作件的支撑力，f为摩擦力，S为动作件的质心点C到轴中心点O的距离，L为耙齿尖端的垂直面到轴中心点O的距离，M为2个扭转弹簧对动作件的转矩M0之和。

图2 污物松动机构组成和力学模型

由力学分析可以得到刚体的力平衡方程和力矩平衡方程，即：

(1)

解方程组可得：

M=GS+F0L=ρVgS+F0L

(2)

式中：ρ——刚体密度，刚体为普通碳钢，ρ=7.801×10-6kg/mm3；V——刚体体积，通过SolidWorks质量评估V=1 894.00mm3；a——质心到轴中心的距离，a=12.25mm。

分析可知，当槽型轨与动作件之间的作用力为0时，即两者间没有碰撞，F0=0时，动作件运动最为平稳，代入可得：

G=ρgV=144.89N

(3)

M0≤M/2=ρVga/2=887.48N·mm

(4)

根据扭转弹簧的设计，设置的安装转矩和最终得到的工作转矩应该<887.48N·mm，然后通过对不同刚度下扭转弹簧的仿真，分析动作件的运动状态。

3 动力学仿真和分析

3.1 模型简化与设置

为了节省仿真时间，首先简化模型，然后导入ADAMS中，采用Boolean运算合并部件，并对合并后的各部件重命名，如将耙齿和耙齿连接杆合并，命名为动作件，如图3所示。

图3 简化模型的初始设置

在ADAMS中导入简化的模型，设置初始条件。设置重力沿-y方向为-9 806.65kgmm/s2，设置各零件的材料均为普通碳钢，动作件和轴、连接件和轴之间设置为旋转副，连接件和槽型轨之间设置为移动副，方向与槽型轨面平行，槽型轨固定在大地上。在耙齿与轨道槽之间设置接触，接触类型为固体-固体，设置摩擦力，动摩擦系数设置为0.1，静摩擦系数设置为0.3。各构件间的约束关系如表1所示。另外建立2个扭转弹簧，令其力的作用点分别为A、B两点，然后设置其安装转矩为300 N·mm，工作扭转变形角为20°，设置其刚度为变量，依次取合适的值，进行动力学仿真，得到不同的转矩，以此分析机构的运动状态。设置机构相对于轨道槽的运动速度为1 000mm/s。

表1 各构件之间的约束关系

3.2 仿真和结果分析

分析机构在轨道槽内的运动状况，存在三种运动情况。第一种是理想情况A，即轨道槽内没有污物，第二种情况B，轨道槽内存在粘附性颗粒，第三种情况C，轨道槽内存在固定硬颗粒。建立对应的物理模型和数学模型，进行仿真分析。

1) 运动情况A—轨道槽内无污物时运动学仿真和分析

机构在无污物的轨道槽内工作，设置仿真时间为2s，仿真步数为300步，设置扭转弹簧刚度如表2，运动情况A，进行仿真。观察动作件质心点在竖直方向上的位移变化情况，因为仿真次数较多，只列出与结果相近的3次仿真数据，如图4所示，可以看出，当弹簧刚度为k=3Nmm/(°)时，动作件达到平衡的时间最短，运动最平稳，此时弹簧的工作转矩为Mmax=360.157Nmm，如图7所示。

表2 三种运动情况仿真中扭转弹簧刚度的设置

图4 运动情况A下扭转弹簧刚度k的影响

2) 运动情况B—轨道槽内存在粘附性颗粒时运动学仿真和分析

在轨道槽内建立几个与轨道槽紧贴的物块，代替污物，物块与轨道槽，物块与物块，物块与耙齿之间分别建立接触力，如图3所示。

设置仿真时间为2s，仿真步数为300步，设置扭转弹簧的刚度如表2，运动情况B，进行仿真，观察各个物块沿轨道槽z轴方向的速度变化情况和动作件沿y轴的位移变化情况。由于数据较多，取其中2个污物A和B的3组与结果相近的数据进行分析，污物A质心沿z轴方向速度变化如图5。可以看出当扭转弹簧刚度k=8Nmm/(°)时，污物A和B的速度变化最大，运动时间最长，说明此时污物A和B受到耙齿的作用最为强烈，污物松动效果最好，此时工作转矩为Mmax=504.051Nmm，如图7所示。

图5 不同弹簧刚度k作用下污物A速度变化

3) 运动情况C—轨道槽内存在固定硬颗粒时运动学仿真和分析

在轨道槽内建立一物块代替固定硬颗粒，在耙齿与轨道槽、耙齿与物块之间建立接触力。设置仿真时间为0.2s，仿真步数为300步，设置扭转弹簧刚度如表2，运动情况C，由于数据较多，取与结果相近的3组数据进行分析。依次比较各图动作件质心点运动的情况，如图6所示，可以测量出动作件在0.055 5s遇到固定硬颗粒，当弹簧刚度k=9Nmm/(°)时，动作件最先达到稳定，此时为0.672s，最大工作转矩为Mmax=584.220Nmm，如图7所示。

图6 不同扭转弹簧刚度k作用下对动作件的影响

图7 三种运动情况下扭转弹簧最佳工作转矩

以上分析了3种运动情况，并得到了扭转弹簧的3个最大工作转矩，为了使其能满足各种情况下的工作需求，可知当扭转弹簧刚度k=9Nmm/(°)，安装转矩M0=300Nmm，安装变形角φ=20°，机构的工作效果最好。此时最大工作转矩Mmax=584.220Nmm<887.48N·mm，满足要求。根据扭转弹簧设计要求，查询机械设计手册，即可设计出符合工作要求的扭转弹簧。

4 结语

1) 采用ADAMS与SolidWorks软件相结合，快速有效建立仿真模型，对污物松动机构进行仿真，实时获得各个部件的位移、速度和扭转弹簧工作转矩的曲线，使整个仿真过程可视化，提高了工作效率，节约时间和成本。

2) 分析机构的3种运动情况，对不同刚度的扭转弹簧进行运动学仿真。运动情况A，确定出最佳扭转弹簧刚度k=3Nmm/(°)，该状态下机构运动最平稳，对应最大工作转矩Mmax=360.157Nmm；运动情况B，确定出最佳扭转弹簧刚度k=8Nmm/(°)，该状态下污物的松动效果最佳，对应最大工作转矩Mmax=504.051Nmm；运动情况C，确定出最佳扭转弹簧刚度k=9Nmm/(°)，该状态下运动最先恢复稳定，对应最大工作转矩Mmax=584.220Nmm。

3) 运动情况C时弹簧工作转矩最大，此时扭转弹簧刚度k=9Nmm/(°)，安装转矩M0=300Nmm，安装变形角φ=20°，以此作为机构扭转弹簧设计和安装的依据，使用该方法得到的扭转弹簧，能够有效松动槽型轨内粘附性污物。

[1] 杲晓峰，刘威伟，张天白，等. 现代有轨电车国内目标城市地区适应性及市场拓展策略[J]. 世界轨道交通，2015(3):46-48.

[2] 姜超. 现代有轨电车工程槽型轨道清洗车设计[J]. 轨道交通装备与技术，2015(2):1-3.

[3] 高慧莹, 王彤宇, 林琳,等. 基于ADAMS的铲除机构的动力学仿真分析[J]. 长春理工大学学报(自然科学版)，2012(1):93-95.

[4] Yuxin Huang, Tongyu Wang, Lin Lin, Huiying Gao, Yanwen Zheng, Ying Xu. The Design and Three-dimensional Modeling of Special Cleaning-and-Maintaining Vehicles for Tracks[J]. IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Chengdu, China, 2012(8)：1214-1219.

[5] 袁安富, 相立峰. 基于ADAMS和SolidWorks的印刷机凸轮传动系统的建模与仿真[J]. 制造业自动化, 2010(12):125-128.

[6] 林琳,王彤宇,黄郁馨,等. 轨道专用清理维护车设计与三维建模[J]. 机械设计,2014(9):89-92.

[7] 王宏伟, 谢传军, 朱文杰,等. 沈阳市浑南新区现代有轨电车工程特点[J]. 都市快轨交通, 2013, 26(5):10-14.

[8] 李秋义, 李阳春. 大连市现代有轨电车轨道结构技术方案初探[J]. 中国铁路, 2000(3):41-42.

[9] Sinokrot T, Nakhaeinejad M, Shabana A A. A Velocity Transformation Method For The Nonlinear Dynamic Simulation Of Railroad Vehicle Systems[J]. Nonlinear Dynamics, 2008, 51(1/2):289-307.