除雪车集雪螺旋切雪过程有限元模拟研究

(1.石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学 工程训练中心，河北 石家庄050043)

0 引言

铁路是我国经济发展的大动脉，在我国北方的一些地区，由于冬季降雪造成铁路运输线路积雪中断的事件时有发生。铁路除雪车是一种能够快速清除轨道积雪的铁路养护设备，其中集雪螺旋是用以将分散的积雪聚集起来的关键部件，其设计是否合理，对除雪车工作性能好坏起决定性作用。

目前国内有关集雪螺旋切削冰雪过程的文献很少，所做的研究也不深入。铁路轨道除雪车的集雪螺旋切削冰雪的过程属于非线性动力学的问题。本文采用ABAQUS软件里的ABAQUS/Explicit模块对集雪螺旋切雪过程进行了建模和数值模拟[1]，分析了螺旋切削过程中螺旋—积雪相互作用的规律，并研究了螺距变化对螺旋受力的影响规律，为优化除雪车的作业性能，提高效率，降低作业功耗，改善除雪装置的结构设计提供了理论依据。

1 铁路除雪车结构及工作原理

铁路除雪车的结构主要包括主机和除雪装置两部分。主机用来提供行进动力和驱动除雪装置；除雪装置则在动力系统的驱动下，实现清除轨道积雪的目的。除雪装置作为铁路除雪车的关键部件，其结构如图1所示，该装置主要由集雪螺旋、变速器、抛雪风扇、雪铲、马达等部分组成。除雪车工作时，由主机牵引除雪装置并提供动力，主机液压系统与除雪装置的马达连接，马达驱动抛雪风扇高速转动，风扇轴再将动力传递至一个定传动比的T型变速器，变速器输出轴带动集雪螺旋转动，集雪螺旋将分散积雪聚集到雪铲中间，再利用抛雪风扇将雪上扬抛出，从而实现集雪、抛雪的工作过程。集雪螺旋的工作效率直接影响着除雪车的性能。

图1 除雪装置结构示意图

2 切削冰雪有限元模型建立

集雪螺旋在与积雪相互作用的过程中，既会对积雪产生剪切作用，也会使积雪材料发生塑性变形，本文使用的积雪本构模型为线性Drucker-Prager模型，是扩展的Druker-Prager 模型[2]中的一种，该模型是由经典的Druker-Prager模型扩展而来。目前国内关于为积雪建立有限元模型的文献几乎没有，国外一些学者建立的“车轮—积雪模型”采用的就是扩展的Druker-Prager 模型[3]。在划分网格时，利用ALE 自适应网格(ALE adaptive meshing)的方法[4]，有效解决了积雪模型受到刀具切削时网格发生很大扭曲和变形从而导致计算不收敛的问题[5]。

2.1 切削冰雪模型简化

由于轨道上积雪密度较小，集雪螺旋切削冰雪的过程因螺旋刀具与冰雪摩擦所产生的热量可忽略不计。集雪螺旋的实际结构如图1所示，本文旨在分析集雪螺旋切削冰雪过程的受力特性，因此将集雪螺旋模型简化为直径为750 mm，带宽为100 mm，螺距为600 mm，轴向长度为1 500 mm的带状螺旋，积雪模型简化为长4 000 mm、宽2 500 mm、雪深150 mm的长方体。同时对螺旋集雪的过程做出以下假设。

(1)假设积雪各向同性，所有部分的性质相同，深度相等，密度均匀。

(2)假设集雪螺旋为刚体[6]。

(3)假设在整个除雪过程中，集雪螺旋转速不变，前进速度不变，除雪深度不变。

2.2 切削冰雪过程设定

图2 装配完成后的切雪模型

切雪作业开始后，螺旋下沉100 mm，即切削深度为100 mm，将积雪模型和螺旋刀具模型用三维制图软件Solidworks作出，保存为.xt格式，分别导入ABAQUS软件，并装配。装配好的模型如图2所示。设定集雪螺旋的回转轴平行于Y轴，螺旋工作时沿Z轴正方向前进。

定义集雪螺旋的密度为7 860 kg/m3，杨氏模量为212 000 MPa，泊松比为0.288。积雪模型选用扩展的 Drucker-Prager 本构模型，其主要参数设定如表1和表2所示[7]。

表1 积雪的D-P材料模型参数

表2 积雪的D-P硬化参数

将切削模型进行网格划分，集雪螺旋采用四面体单元，共划分5 104个单元，集雪模型采用六面体结构单元，共划分140 000个单元。本文将集雪螺旋切削冰雪的过程设置2个分析步进行处理，第一个分析步是使处于冰雪表面的螺旋下沉100 mm，第二个分析步使螺旋旋转前进切削雪层，时间为5 s。除雪车作业时前进速度与集雪螺旋转速可根据实际工作环境进行调整，本文参考除雪车进行除雪实验时的车速与螺旋转速，设定其Z轴方向前进速度为180 mm/s，角速度为-12 rad/s，旋转方向遵守右手法则。

3 集雪螺旋集雪作业过程分析

3.1 集雪螺旋切削冰雪过程应力分析

本文主要研究螺旋切削冰雪的过程，即模型的第二个分析步。在此分析步中，螺旋转速为12 rad/s，位移速度为180 mm/s,为看图方便，将变形过大的失效单元隐藏，积雪所受应力云图如图3所示。

图3 集雪螺旋切削积雪应力云图

图4 集雪螺旋切削积雪应力时域曲线图

积雪所受应力大小反映了螺旋刀具对冰雪的切削能力，积雪所受应力越大，其被切削发生位移的可能性越大，螺旋刀具对冰雪的切削能力也就越强。整个作业动态过程的最大应力时域曲线如图4所示，切削冰雪的过程应力在1 200 kPa附近上下波动，波动是由螺旋的周期性旋转和积雪位移后导致的厚度不均匀所造成，平均应力大小为1 195 kPa，最大应力为1 443 kPa，应力平均值和最大值是评判一定结构的螺旋刀具切削冰雪能力的重要指标。

3.2 切削冰雪过程受力及扭矩分析

对整个除雪过程中集雪螺旋受到积雪的反作用力和反作用扭矩进行分析，有助于了解集雪螺旋切削冰雪过程的力学特性。螺旋在X轴方向所受反作用力为其在垂直方向的受力，螺旋在Z轴方向所受反作用力为其在前进方向的受力，反映了除雪作业的阻力。X向力与Z向力的合力大小可为螺旋轴轴承、联轴器等零件的选型提供重要依据。X向力的时域曲线如图5所示，在时间为0处，螺旋下沉到雪中作业深度并开始做回旋前进运动，此时瞬时受力最大，达到795 N，随后受力变小，力大小在250 N上下平稳波动，进入正常工作状态。Z向力的时域曲线与X向力相似，在螺旋工作开始，瞬时受力很大，最大受力达到2 570 N，随后受力趋于平缓，大小在350 N上下波动，开始正常作业。

螺旋在Y轴方向所受反作用力是其在螺旋回转轴方向所受轴向力，该力的大小可为螺旋轴轴承选型提供参考，使轴承的轴向受力性能可以满足要求，同时该力的大小也反映了螺旋的轴向集雪性能，有助于改善集雪螺旋的集雪效率。根据计算结果，Y向力在切削刚开始时的瞬时脉冲达到6 869 N，在正常切削状态下，受力大小在1 100 N上下浮动。

螺旋所受绕螺旋回转轴的反作用扭矩则直观地反映了积雪在集雪螺旋工作动时带来的阻力状况，为集雪螺旋的材料选型、结构优化和除雪装置的动力配置等提供依据。螺旋轴轴向反作用扭矩的时域曲线如图6所示，螺旋在0 s时还未开始旋转，所受扭矩为负值，旋转开始所受瞬时扭矩最大，达到844 N·m，在工作状态平稳后，扭矩稳定在150 N·m附近。

图5 螺旋在X轴方向所受反作用力时域曲线图

图6 螺旋所受反作用扭矩时域曲线图

4 螺距对螺旋—积雪相互作用的影响

螺距是集雪螺旋的重要参数之一，螺距大小对集雪螺旋的切削性能，集雪效率，受力状况等都有重要影响，研究不同螺距大小对集雪过程中螺旋—积雪相互作用的影响可为优化螺旋结构，改善螺旋集雪性能提供重要参考。

图7 积雪应力对比曲线图

设定螺距为600 mm、500 mm、400 mm 3组模型进行对比分析。在研究过程中，为了突出螺距改变对除雪过程受力状况的影响，忽略螺旋刚开始旋转时的瞬态力学特征，选择一般工况即已进入稳定工作状态的时间段的各项数据进行比较。3种螺距的螺旋应力对比曲线如图7所示，从曲线可以看出螺距为600 mm时，积雪所受应力最大，其次是500 mm的螺距。螺距为400 mm时，积雪应力最小。应力大小反映了螺旋刀具切削冰雪的能力，因此可以得出，增大螺距可以增强螺旋对冰雪的切割能力，但是增大螺距对于螺旋刀具切削冰雪能力的提升幅度并不显著。

根据数值仿真数据得到3种不同螺距的螺旋各方向所受平均力，平均力方差，扭矩值和扭矩方差等性能评判参数，如表3所示。

表3 不同螺距螺旋性能评判数据

集雪螺旋在X轴和Z轴方向的受力会直接施加到联轴器和轴承，3种螺距螺旋X向受力的对比曲线如图8所示，螺旋Z向受力与X向受力特征相似，结合表3数据，可以得出，3种螺旋在X轴、Z轴方向的受力大小相差不多，在50 N以内，但是当螺距为600 mm时，其受力方差明显大于其它两张螺距的螺旋。螺距增大，其受力的波动越大，对轴承造成的瞬时冲击就越大。螺距过小，也会增加螺旋受力的波动情况，在此3组模型当中，500 mm螺距工作状态最稳定，受力波动最小。因此，在集雪螺旋设计时，适当减小螺距，有利于集雪螺旋平稳工作，减少对轴承和联轴器等零件的冲击。

对比分析3种螺距集雪螺旋在Y轴即螺旋回转轴方向的受力可以得出，螺距增大，有利于减小螺旋轴向的受力。同时，螺旋螺距越小，其轴向受力大，对积雪的轴向输送能力就越强，从而减少了雪的纵向无效流动，提高集雪效率。同时，大螺距也会显著增加螺旋工作时的受力波动。

回转螺旋受到的反作用扭矩对比曲线如图9所示，结合表3数据，可以看出，3种螺旋所受的扭矩值平均值分别为153 N·m、158 N·m、156 N·m，差距很小，几乎可以忽略不计，扭矩方差分别为2 871 N·m、931 N·m、1 456 N·m。可见螺距太大会导致螺旋受到的瞬时反作用扭矩波动幅度变大，螺距过小也会带来扭矩波动的不平稳。过大的瞬时扭矩不利于集雪作业的平稳进行，也会对变速器齿轮、传动装置、液压马达、液压油泵等造成很大的冲击，降低它们的寿命。因此，从改善集雪螺旋工作平稳性的角度来讲，500 mm的螺距是最优选择。

图8 螺旋X轴方向受力对比曲线图

图9 螺旋所受反作用扭矩对比曲线图

5 结论

(1)针对冬季北方积雪的物理特性建立的螺旋—积雪相互作用模型，经除雪车实际应用验证，能够有效地模拟集雪螺旋与积雪相互作用的过程。

(2)应力大小是反映螺旋刀具切削冰雪能力的重要指标；X向力与Z向力的合力大小反映了除雪作业的阻力；螺旋在Y轴方向所受反作用力是其在螺旋回转轴方向所受轴向力，该力的大小反映了螺旋的轴向集雪性能；螺旋所受绕螺旋回转轴的反作用扭矩则直观地反映了积雪在集雪螺旋工作时带来的阻力状况。

(3)增大螺距会小幅度增强螺旋切削冰雪的能力；同时增大螺距会减小螺旋的轴向受力，不利于提高螺旋对积雪的轴向输送能力；而螺距的改变对于除雪阻力的影响非常小。此外，过大或过小的螺距选择都会使螺旋受力和所受反作用扭矩波动过大，不利于集雪螺旋的平稳工作，还会对轴承、变速器齿轮、传动装置、液压马达、液压油泵等造成很大的冲击，降低其寿命。

(4)综合考虑以上因素，当螺距为500 mm时，螺旋的垂向受力和前进方向受力波动幅度最小，扭矩波动幅度最小，工作稳定性最好，同时也保证了集雪螺旋有较好的切削冰雪性能和轴向集雪性能，是三者间的最优选择。

本研究工作探索了螺旋—积雪相互作用规律，可用于预测集雪螺旋在除雪作业中的受力状况，预测不同结构参数对集雪螺旋作业效果的影响，为集雪螺旋的几何结构改进设计、结构参数选择、零件选型、动力单元的配置提供参考依据，进而达到提高除雪车工作效率，降低功耗的目标。