轨道除沙车集沙装置关键功能仿真研究①

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(1.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007；2.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010000)

0 引 言

我国沙害严重地区，每年都会季节性地出现大风黄沙满天的恶劣天气，造成铁路轨道积沙，导致火车减速、停运和脱轨，阻断了交通运输，严重妨碍了当地经济的发展和人们日常出行。所以及时有效地清除铁路轨道积沙、保证畅通的铁路干线是铁路养护工作的重要内容。参考我国目前铁路小型养护机械和国外大型工程机械结构的基础上，同时对国外铁路除沙机械的技术特点和发展趋势进行分析。设计研制集机械、电气、液压于一体且能实现集沙、刮沙、传沙以及扬沙等功能的轨道除沙机械具有重要的现实意义[1][2]。集沙装置是轨道除沙车的重要组成部分, 主要起到集沙和刮沙的作用。其结构布局影响到整车其他装置的设计结构；其中集沙工作效率也影响整车的工作效率、作业质量。所以合理设计集沙装置的结构对轨道除沙车工作效率和整车布局起到了至关重要的作用[3][4]。

1 结构介绍

轨道除沙车主要由集沙装置、中间运输装置、扬沙装置、液压控制系统、电气控制系统等组成，如图1所示。当轨道除沙车行走至沙害地段，通过集沙装置对沙子进行堆积和收集，所收集的沙土经中间运输装置运送到回转的扬沙装置，其将沙子扬到轨道的一侧，完成整个除沙过程。

图1 轨道除沙车总体原理方案示意图

2 技术要求

1)实现一定的除沙宽度；

2)轨面以下一定除沙深度；

3)及时避让钢轨周围障碍。

3 集沙装置结构及功能

集沙装置置于整个车辆的最前端，主要由侧翼、铲尖、刮沙机构和箱体组成，如图2所示。其后部需要安装中间运输装置，需与地面成一定角度安装。

集沙装置主要包括集沙和刮沙两个功能，集沙主要实现的功能是将钢轨周围一定范围内的沙子堆积起来，利用侧翼、铲尖和液压缸共同完成，为了达到一定的除沙宽度在侧翼上安装液压缸，其目的是使侧翼张开一定的角度，为了避让钢轨周围出现大石块等突发情况，在侧翼上安装抬升液压缸，如图3所示。为了将轨面以下一定深度的沙子铲推起来，同时和侧翼相配合实现集沙功能，所设计铲尖的结构带有两个凸槽，目的是为了避让钢轨，如图4所示。刮沙机构位于集沙装置的箱体内，其主要功能是将前面堆积的沙子不断的刮到箱体底部的漏斗中，实现刮沙，如图5所示，刮沙机构结构是根据技术的成熟的刮板输送机的原理进行设计的。刮沙机构主要包括刮刀、链条、链轮、主从动轴以及动力源等结构。箱体箱体主要起到配合和支撑刮板机构的作用，其具体尺寸要根据刮板机构的总体长度和高度以及铲尖的安装角度等综合考虑，初定其主要由侧板、底板组成，如图6所示[5][6]。

图2 集沙装置

图3 侧翼

图4 铲尖结构

图5 刮沙机构

图6 箱体

4 主要结构功能仿真分析

Adams是广泛运用的机械系统仿真软件。用户可利用该软件在计算机上建立和测试虚拟样机，同时可以对复杂机械系统的运动性能有所掌握。该软件可对虚拟机械系统进行静力学、运动学及动力学分析，同时能输出位移、速度、加速度等曲线[7][8]。本文利用三维实体软件UG和Adams相结合的方式对侧翼的张开和抬升进行模拟仿真，分析其运动性能是否满足规定的要求，对以后其他结构合理性设计起参考作用。具体步骤如下：1)首先将侧翼样机以Adams能识别的Parasolid(*xmt.x_t)格式导入到Adams/View环境下；2)重新设定领、部件材料属性，软件也会同时自动计算部件的质心和转动惯量等信息[4][9][10]；3)样机导入Adams后要根据样机的运动关系对一些部件添加约束和驱动，使它们之间有现对运动关系[11]。

4.1 侧翼张开运动仿真

在Adams/View环境下，需要对侧翼张开机构各个部件定义约束，步骤如下：

1)分析侧翼张开运动中，确实不需动作或没有相对运动的部件如后面箱体和后侧翼等结构，在导入之前继续布尔加运算；2)分析确定各部分约束的类型，合理的约束才能实现预期的运动，包括：后侧翼和地面链接处为固定副，液压缸前端耳环与末端耳环和前侧翼与后侧翼的凸台为转动副，后侧翼和前侧翼合页处为转动副，活塞和液压缸之间为移动副；3)在移动副上施加驱动设置合理的参数公式。经过以上步骤，最终获得性能参数曲线图。侧翼张开仿真模型如图7所示。侧翼张开角度曲线图如图8所示。侧翼张开运动侧翼Y方向位移曲线图如图9所示。

图7 侧翼张开仿真模型

从以上图中可以看出，侧翼张开机构设计合理，张开液压缸安装位置准确。达到最大除沙范围和侧翼最大的摆角的主要性能评价指标要求。

4.2 侧翼抬升运动仿真

在Adams/View环境下，同样需要对侧翼抬升样机各部分件继续约束定义，步骤如下：

图8 侧翼张开角度曲线图

图9 侧翼Y方向的位移曲线图

图10 侧翼抬升仿真模型

图11 活塞杆行程曲线图

图12 侧翼液压缸收缩位移曲图

1)分析侧翼抬升过程中，确实不需动作或没有相对运动的部件如后面箱体整体、前后侧翼及张开液压缸合为一体，在导入之前继续布尔加运算；2)分析确定各部分约束的类型，包括：箱体与地面链接处为固定副，后侧翼与前侧翼转轴链接处定义为转动副，液压缸前端耳环与末端耳环和后侧翼和箱体链接处定义转动副，抬升液压缸的活塞和缸筒链接处定义移动副；3)在移动副上施加驱动设置合理的参数公式。经过以上步骤，最终获得性能参数曲线图[4]。侧翼抬升模型图如图10所示。活塞杆行程曲线图如图11所示。侧翼液压缸收缩位移曲线图如图12所示[12][13][14]15]。

从以上图中可以看出，侧翼抬升设计合理，抬升液压缸安装位置准确。达到抬升避障的性能指标要求。

5 结 论

本文对轨道除沙车的集沙装置结构进行详细设计的基础上建立三维实体模型，根据技术要求的基础上，对能实现集沙功的侧翼的张开和抬升进行了运动仿真分析，得到了满足技术要求的机构模型。根据运动仿真结果显示，在侧翼进行抬升避障时，侧翼整体的垂直抬升的高度满足要求。为后续结构设计和优化仿真奠定基础。

参考文献:

[1] 崔昭霞等.一种新型铁路除沙机械的研究[J].机械管理开发，2009, 3：1-2.

[2] 朱凯莉.乌鲁木齐铁路局干部职工战风沙保铁路线纪实[J].新疆日报，2006，100：4.

[3] 李建军，崔昭霞等.新型铁路除沙机械链式刮板机构轴的设计 [J].机械制造与自动化，2010，39(3)：19-21.

[4] 李建军.基于虚拟样机的铁路除沙机械设计及关键技术研究[D].内蒙古：内蒙古工业大学，2010.

[5] Z.X.Cui, S.J.Guo, Research on Sand Collecting Mechanism’s flanks of A New Removal Vehicle Based on CAE Method[J].Advanced Materials Research.ADME2011：2052-2057.

[6] Z.X.Cui, S.J.Guo,Design and Research of Sand Scraping Mechanism of a New Sand Removal Vehicle[J].Applied Mechanics and Materials.volume 121-126.2012：778-783.

[7] 王纪伟.电磁直驱汽车驾驶机器人动态特性及控制研究[D].南京：南京理工大学，2016.

[8] 方园,等.基于UG的高速经编机槽针六连杆机构的建模 [J].纺织学报，2012，33(12)：127-133.

[9] 秦成，史淑玲.基于Proe-Adams的阀体机构仿真分析[J].机电信息，2008，(2)：45-46.

[10] 秦成，史淑玲等.基于Proe/Adams/Matlab起重机虚拟样机研究[J].机电产品开发与创新，2012，25(2)：93-95.

[11] 张惜君.基于Pro/E和ADAMS的牛头刨床导杆机构仿真分析[J].机械设计与制造工程，2013，42(2)：21-23.

[12] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[13] 张朝辉.ANSYS工程应用范例入门与提高[M]．北京：清华大学出版社，2004.

[14] 陈峰华.ADAMS 2016虚拟样机技术从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2017.

[15] 郭卫东,等.ADAMS2013应用实例精解教程[M].北京：机械工业出版社，2015.