克塔线积雪的物理机械性质分析及除雪铲的设计研究

黄加良

（中国铁建高新装备股份有限公司，云南昆明 655100）

克拉玛依至塔城铁路（简称克塔铁路）位于新疆维吾尔自治区北疆地区克拉玛依市和塔城地区，线路全长172.397km。克塔铁路铁厂沟至塔城段途经新疆著名的风区——老风口玛依塔斯风区，沿线普遍存在风吹雪灾害[1]。

1.克塔线风吹雪力学性能

积雪本身的力学性能主导着铁路线路除雪的方法选择，要设计研究铁路专用除雪铲与线路积雪之间的相互作用情况，就需对克塔线风吹雪积雪的物理机械性能进行详细分析[2]。

1.1 克塔线风吹雪积雪的密度

克塔线风吹雪密度情况如表1。

表1 风吹雪密度

1.2 风吹雪积雪的切削阻力

抗压强度是指反抗其他物质进入自体能力的一个指标参数。不同温度下雪的切削阻力系数如表2。

表2 雪的切削阻力系数K0（kPa）

1.3 风吹雪硬度

风吹雪硬度是指积雪相对硬实度，各种状态积雪的硬度数值如表3。

表3 雪的硬度

1.4 风吹雪摩擦系数

风吹雪积雪的物理机械性能决定了它的摩擦特性。见表4和表5。

表4 内摩擦系数

表5 外摩擦系数（对钢）

对铁路线路除雪机械进行牵引计算时，必须知道机械各种工况的附着系数、行驶阻力系数等。铁路轮式和铁路履带式机车的行驶阻力系数见表6。

表6 行驶阻力系数

1.5 克塔线线路积雪情况

克塔线现场线路情况如图1。

图1 克塔线线路积雪情况

由于铁路线路的情况特殊，普通公路除雪设备无法适用于铁路线路除雪，需采用犁式铲形结构装置进行线路除雪。

2.除雪装置研究

2.1 除雪铲结构

除雪铲整体铲体为防犁型结构，整体装置与车架牢固连接，可根据实际情况使用副铲作业，加大除雪作业宽度，提高除雪效率。经过试验验证及讨论确定方案如图2所示。

图2 除雪铲铲面结构示意图

2.2 除雪铲基本参数

除雪铲铲板（安装铲刃）的相关参数如表7。

表7 除雪铲实际相关参数

清理积雪宽度（LB），设定除雪铲的作业宽度为4m（加延长板），见图3。

图3 除雪铲铲板相关参数示意图

为便于除雪铲铲面旋转及定角度对比计算和验证分析，参考相关资料，切削角（α=30°）、行进角（θ=60°）选取适宜值来进行设计验证。

综上，适用于特殊环境的除雪铲采用弧面铲板，高度为0.85mm，铲板长度为4.67m，除雪宽度为4m，铲板厚度为0.01m。

3.除雪铲受力分析与计算

3.1 除雪铲除雪阻力计算

为便于计算分析，建立如图4所示的坐标系，选定行进方向、车左侧、垂直向上方三个方向分别为X、Y、Z轴正向，除雪铲除雪前进方向与线路间的夹角为除雪角、铲体长向与除雪方向夹角为行进角。

图4 除雪铲受力坐标系

除雪铲除雪时所受的阻力为Fp按图4坐标系分解为除雪方向分力Fpx、垂直线路侧向分力Fpy和竖直分力Fpz。同样将除雪铲雪阻力F'p分解为除雪方向分力F'px、垂直线路侧向分力F'py和竖直分力F'pz。

除雪作业时的速度值左右着除雪铲的作业效率，除雪作业速度设计为0km/h～50km/h根据需求可调。除雪作业速度设计为10km/h～50km/h速度范围内，作业速度对雪阻力的影响表现出分散的两个区域性，即10km/h～20km/h与20km/h～50km/h，两个不同的速度范围雪阻力的影响系数有区别。根据速度范围影响系数，建立以下除雪阻力各分项力的计算分析数学模型[3]：

作业速度为10km/h～20km/h时：

作业速度为10km/h～50km/h时：

下压液压缸下压力：

式中：

μf—除雪铲作用面与积雪的摩擦系数；

mp—总重，kg；

S—风吹雪积雪与除雪铲作用面在作业除雪方向上的面积，m2；

v—作业行进速度，m/s；

g—重力加速度，9.8m/s²；

Fq—下压油缸下压力，N；

P—液压缸工作压力，一般取值为16MPa；

S—液压缸截面面积（按照油缸缸径40mm计算），m2。

根据克塔线线路情况：积雪密度300kg/m³，积雪深度0.26m，作业温度-20℃～-40℃。

取 μf=0.2、ρ=300kg/m³，mp=1000kg，θ=60°。

根据除雪铲总体结构及材料特性：除雪铲除雪断面积为1.04m2，总重980kg。

据式（1）、（2）及以上分析，算得结果如下：

当线路除雪作业时的作业速度取为10km/h～20km/h时，除雪铲阻力受力情况如下[4]：

当线路除雪作业时的作业速度取为20km/h～50km/h时，除雪铲阻力受力情况如下：

整车行进除雪阻力作业阻力FSX为作用在除雪铲上的阻力在X轴方向上的分力，FPX为作用在除雪铲上的雪阻力在X轴方向上的分力F'PX以及整车行驶阻力Fm的和。根据以上计算结果，可得不同作业速度的除雪阻力。

当线路除雪作业时的作业速度取为10km/h～20km/h时，除雪铲阻力受力情况如下：

当线路除雪作业时的作业速度取为20km/h～50km/h时，除雪铲阻力受力情况如下：

3.2 不同作业速度下除雪铲上的动力学仿真

对于密度为300kg/m³的积雪，可以求得不同作业速度下除雪铲上的受力情况，在动力学软件中进行仿真，结果如图5和图6所示。

图5 作业速度20km/h除雪铲作业时受力情况对比

图6 作业速度30km/h除雪铲作业时受力情况对比

4.结论

通过理论分析及仿真分析可知，当线路除雪作业时的作业速度取为10km/h～20km/h时，除雪铲阻力13.91kN～35.99kN；当线路除雪作业时的作业速度取为20km/h～50km/h时，除雪铲阻力受力为27.47kN～249.71kN。计算与仿真结果相吻合。对除雪铲进一步优化设计时应充分考虑克塔线极端线路情况，保证除雪铲的耐用性。