基于CAE的V形雪犁研发设计

刘仕超，张 发

（中国铁路呼和浩特局集团有限公司科研所，内蒙古呼和浩特 010030）

0 引言

针对铁道线路雪害的问题，中国铁路呼和浩特局集团有限公司自主研发了一种基于轨道车为载体的除雪装置，通过“推+刮”的方式清除线路积雪，达到快速开通线路的目的。V形雪犁是该装置的核心机构，直接关系到除雪效果，通过CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）技术的应用，以SolidWorks及LS-DYNA为设计平台，设计出合理的V形雪犁机械结构，为后续研究工作奠定基础。

1 V形雪犁三维模型的建立

合理的犁体曲面，可有效降低除雪阻力，提高除雪效果。鉴于除雪作业工况，V形雪犁的结构参照农业耕地用铧式犁进行设计。

1.1 犁体曲面成型机理

水平直元线法是一种常用的犁体曲面形成方法，原理如图1所示。

从图1来看，可以视犁体曲面为基于一定规律下的曲线或直线的运动而成，而无论是构成该曲面的曲线或直线，统称作“元线”。而在空间里运动的元线，其运动规律相关的几何要素则叫做导曲线，即图中的m。导曲线是铧刃线、犁体曲面垂直平面相交形成的截面线，该线实质是一条抛物线。在运动过程中，直元线一直处于水平的状态，而且与导曲线之间一直是相互接触的。不仅如此，空间里直元线的位置还取决于直元线和沟墙平面N之间的夹角θ的变化情况。在三维制图过程中，如果将直元线设定为引导线，将导曲线设定为轮廓线，利用放样处理则可获得犁体曲面。对其相关的参数进行不断调节与改变，就能够有效优化该曲面，最终使设计的曲面满足要求[1]。

图1 犁体曲面形成原理

1.2 三维建模

依据铧式犁设计情况，应当对胫刃线高度H、犁体幅宽b、元线角、铧刃线长度b＇等参数变化进行确定[2]。

（1）单侧铲面幅宽b：根据除雪装置除雪宽度3000 mm，将b设定为1500 mm。

（2）胫刃线高度H：由于犁体是由2个单犁面组成的V形犁体，所以犁体的胫刃线采用直线。综合考虑雪粒自身的物理特性、除雪厚度500 mm，取H=1000 mm。

（3）铧刃线长度b＇：铧刃线为铧刃在主视图的投影，考虑整套装置除雪宽度和限界要求，取b＇=1500 mm。

（4）铧刃角 τ：铧刃角τ的值一般在 35°～60°，综合考虑除雪阻力及雪铲重量、体积等因素，取τ=52.5°。

（5）直元线与元线角：根据元线角的变化规律及其计算方法，得出在竖直方向上不同高度位置（Z）的直元线对应的元线角度（θ），具体数据如表1所示。

表1 铲面元线角数据

（6）导曲线：通过包络线作图法绘制的导曲线如图2所示，具体设计参数如下：高度h=1000 mm，开度L=600 mm，犁铧安装角 ε=25°，切线夹角 ω=75°。

（7）V形雪犁模型的建立：根据上述参数，在Solidworks软件中绘制三维草图，然后以铧刃线和直元线为轮廓线，按照已作导曲线进行放样，得到犁体曲面实体，再结合结构强度、线路上运行等功能需求进行修改，最终得到需要的V形雪犁模型（图3）。

图2 导曲线参数

2 除雪过程数值仿真

要想对雪体排开的整个过程进行仿真的话，则首先应当选择最为适宜的材料作为雪的仿真描述材料。目前关于雪的数值模拟方法还在发展中，软件LSDYNA中没有直接提供雪体的材料模型，考虑到雪体与土体两者之间的相似性，模拟时用土体材料代替[3]。

V形雪犁的除雪原理就是排开积压在道床上的所有积雪，在仿真处理时，需要进一步简化实际的模型，在除雪时，可以将积雪下端视作连接道床的装置，在构建模型的时候，可对道床进行简化处理，仅构建出雪床模型（宽×高×长：3000 mm×500 mm×50 000 mm），在其下端施加固定约束。建立好的简化几何模型如果4所示。

图3 V形雪犁三维模型

图4 仿真模型

V形雪犁采用的材料硬度比积雪材料大得多，仿真过程中可以将雪犁视为刚体，选用的材料模型是*MAT_ELASTIC，积雪选用的材料模型是*MAT_FHWA_SOIL，其相关参数根据积雪物理特性进行设置。在对材料模型进选择后，再采用网格划分几何模型。在除雪数值仿真过程中，可以将积雪分为两层，即直接与雪犁发生接触的飞雪层（高450 mm）和靠近轨面的保留层（高50 mm）。

图5 除雪过程数值模拟

对建立好有限元模型施加约束，进行关键字的添加，然后构建出刚性墙，并以2.78 m/s的除雪速度推动雪犁向前行驶，输出K文件进行求解。图5为除雪过程数值模拟图。

除雪过程非常复杂，积雪在雪犁的作用下因被挤压、剪切而发生巨大变化，由于变形越来越剧烈，则破坏了积雪的本来结构，则积雪出现分离现象。从图5可以看出，随着雪犁的前进，积雪收到挤压和剪切，外力的作用于影响使得积雪颗粒前行时出现错动，最终被撕裂（图5a→5b）。在雪犁持续运动的条件下，积雪受到撕裂后在犁体表层发生后抛现象，同时受到挤压与剪切双力的作用，雪犁对积雪的破坏效应急剧增大，当积雪的应力值超过雪粒的粘聚作用时就会发生破碎，最终形成稳定的飞雪（图5c→5d）。

3 仿真结果分析

通过LS-DYNA后处理软件LS-PREPOST生成除雪阻力随时间的变化曲线（图6）。

图6 除雪阻力变化曲线

从图6可以看出，积雪与雪犁接触时，除雪阻力则相对应出现波动性变化，当时间达到约0.9 s时，雪犁则基本充分进入积雪，而峰值的出现意味着除雪阻力达到最大化，最大为FC=20.636 kN。在雪犁持续运动时，一定范围内除雪阻力呈现出具有周期性的波动状态，抽取其中相对平稳的数据研究发现，最小的除雪阻力应当为13.8 kN，最大的除雪阻力应当为18.2 kN。金鹰GC-270轨道车以速度10 km/h运行时，轮周牵引力可达37.3 kN，运行全阻力为W0=1.4 kN，由于W0+FC=22.063 6 kN＜37.3 kN，即V形雪犁结构形式满足除雪需求。