仿生条纹结构表面推沙板构建及磨损性能研究

2022-06-24郑明军苗佳峰吴文江王再宙

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2022年2期

郑明军，苗佳峰，吴文江，王再宙

(1.石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043；2.石家庄铁道大学教务处，河北石家庄 050043；3.河北师范大学职业技术学院，河北石家庄 050024)

0 引言

随着中国铁路不断向西部推进，铁路维护的成本逐渐增加，而中国西北地区沙害情况比较严重，这些风沙地区铺设的铁道线路经常受到风沙的影响，会对铁路运输、旅客安全造成一定的影响。通常情况下，清理轨道上积沙的方式靠人工清理，这种方式弊端明显，除沙效率低。为解决沙害对铁路的危害，郑明军等[1-2]研制出一台灵活性较好的轨道除沙车，很好地解决了这一问题。随着轨道除沙车的不断改进，新一代除沙车灵活、机动性强，性能更加优越。其中，新一代轨道除沙车的推沙装置，主要清理轨道两侧的集沙，推沙板作为推沙装置的核心部件，长时间与沙粒接触摩擦，势必造成推沙板有一定的磨损，所以推沙板还需要进一步提高耐磨性。

近年来，越来越多的学者投入到仿生学领域，仿生学在机械领域发挥的作用越来越大，例如将仿生学应用在机械结构上，并且有大量的研究成果应用到实际生产当中。李建桥等[3]根据臭蜣螂头部唇基表面的凸起设计出一款仿生犁壁，试验表明仿生犁壁减阻率为6.6%～12.7%；Gorb et al[4]利用动物爪趾脚垫钢毛分割与地面的家畜面积来提高附着力，设计并研制出一款高附着性能的仿生装置；马云海等[5]研究穿山甲的鳞片纹路，并进行磨料磨损试验，结果发现磨料平行于鳞片表面运动时耐磨性更好。还有许多学者将扇贝、动物鳞片[6-7]作为仿生对象，设计出具有耐磨性的机械结构[8-9]，这些仿生结构具有重要的实践意义。本次研究将借鉴某些动物优秀自身结构，设计出仿生耐磨型推沙板，通过离散元分析来验证仿生推沙板的耐磨性能[10]。

1 建立仿生推沙板模型

1.1 仿生对象选取

自然界中，很多生物拥有适应其生活环境的一些特性。像扇贝、穿山甲鳞片、沙蜥鳞片和蜣螂的头部唇基表面等，如图1所示，这些表面几何结构的耐磨性经过进化后有了显著提高，所以观察这些表面几何结构，可以设计出满足研究需求的几何结构。

图1 具有耐磨性的几何结构

1.2 仿生推沙板建模

以穿山甲鳞片的纹路为主，利用逆向工程[11-12]提取鳞片纹路的几何结构，在相似原理基础上，仿生对象的鳞片纹路与函数y=3sin(πx/12)十分吻合，结合推沙板整个触沙面和推沙要求，考虑加工效率、经济效益等方面，将仿生推沙板条纹曲线的波谷进行填充拉伸，只保留波峰部分如图2(a)所示，最终仿生推沙板结构设计为：单体条纹长度为350 mm、宽为24 mm、高为6 mm。条纹方向与沙粒运动方向相互垂直，每个条纹间距为24 mm，共分布5个条纹。依据平面推沙板结构如图2(b)所示，考虑到仿真时间和对称原理，将仿真推沙板模型宽度B减半为350 mm，高度H为400 mm，厚度T为12 mm，板尖角度α为36.5°，建立耐磨推沙板模型和普通推沙板三维模型如图2(c)、图2(d)所示。

图2 2种推沙板模型

2 颗粒接触模型

基于Hertz-Mindlin (No Slip)接触模型，添加Hertz-Mindlin with Archard Wear和Record Relative Wear接触模型，这就是离散元仿真中的磨损接触模型。其中Archard Wear接触模型是定量分析部件磨损深度，而Relative Wear接触模型是定性分析部件接收的能量。

2.1 Hertz-Mindlin with Archard Wear接触模型

此接触模型基于Archard[13]的磨损理论而来的，Archard Wear接触模型是对hm接触模型进行了一个扩展，可以近似给出部件在磨料磨损下的深度。Hertz-Mindlin with Archard Wear接触模型的磨损表达式

Q=WFndt

(1)

式中,Q为部件被磨料磨损的体积;W为部件与磨料间的磨损常数；Fn为部件受到的切向力；dt为磨料在部件表面做的切向距离。

W=K/H

(2)

式中,K为无量纲磨损系数；H为部件的硬度，在离散元仿真中设置的磨损系数为5.049×10-13。

2.2 Hertz-Mindlin Record Relative Wear接触模型

Relative Wear接触模型的理论基础是磨料与部件表面之间的相对速度和作用力，它能准确分析出部件受到磨损的部位，但分析不出磨损速率的确切值。在离散元仿真中，法向接触能量、切向接触能量、法向接触力和切向接触力是衡量部件的磨损程度标准。

用这2种接触模型进行仿真分析，从定性和定量2方面研究推沙板的磨损情况。

3 离散元仿真结果分析

3.1 推沙板的网格划分

若直接将模型导入EDEM中，则结果会出现如图3所示的情况，这是由于EDEM自动画的网格过于粗糙，所以还需要重新划分网格。利用EDEM自身的修改网格功能对推沙板模型进行重新划分网格，划分的网格尺寸为2 mm，结果如图4所示。重新划分网格后推沙板的吸收能量局部分布图如5所示，从图5可以看出重新划分网格后的磨损分布更加精细准确。初步预测推沙板2个板尖处的磨损最为严重，然后向板内逐渐扩散。

图3 EDEM自动划分能量网格

图4 修改后的网格划分

图5 重新划分网格后的能量网格

3.2 仿生推沙板与平面推沙板的仿真结果对比

仿真过程中，推沙板与沙粒简的能量接触是以推沙板上单元的相对位移与接触力确定的，这些接触能量分为2部分，分别为累积法向接触能量和累积切向接触能量，推沙板的磨损主要是这2种能量共同造成的。此外还有推沙板的磨损深度也进一步反映出其磨损情况。

平面推沙板的推沙仿真过程如图6所示。同样的方法来仿真耐磨型仿生推沙板，在两者的推沙角度均为90°时，仿真结果如表1所示。

图6 平面推沙板的推沙过程

表1 推沙角度为90°的仿真结果

从表1中可看出，在推沙角度为90°时，2种推沙板的磨损深度和累计接触能量无明显差别，这是由于当推沙角度为90°时，2种推沙板磨损机理基本一样，但改变推沙角度分别为75°、60°和45°，2种推沙板的磨损评判标准结果分别如表2、表3、表4所示。

表2 不同推沙角度情况下的磨损深度

表3 不同推沙角度情况下的法向累计接触能量

表4 不同推沙角度情况下的切向累计接触能量

从表2～表4可以看出，推沙板推沙角度越小，2种推沙板的磨损深度、法向累计能量和切向累计能量也越小，耐磨性提高，并且仿生耐磨性推沙板的耐磨优势体现的越加明显，从推沙板的磨损深度就可以很直观地看出来。但有一点需要注意的是，无论推沙板的推沙角度如何变化，不管是仿生推沙板还是平面推沙板，其切向累计接触能量都要大于法向累计接触能量，这说明推沙板在推沙过程中，沙粒对推沙板的滑移摩檫力最大。

3.3 仿生推沙板的耐磨机理

这种添加条纹后的推沙板耐磨机理是：推沙板向前推沙过程中，沙粒冲向推沙板表面，当一些沙粒以某一角度运动到A点时(见图7)，沙粒会以同样的角度反弹出去，反弹的沙粒会与后续沙粒在B点发生干涉，动能会损失一部分，碰撞后颗粒的运动方向为两者碰撞后的速度合方向，落向条纹后端，动能损失会降低对推沙板的磨损。当在2个条纹间有沙粒发生干涉时，沙粒运动到C点反弹，与后继来的颗粒发生和B点相同的干涉，沙粒在D点反弹后与后继来的颗粒发生干涉，而后续的颗粒动能要大于沙粒在D点反弹后的动能，所以沙粒在E点发生的碰撞最终落点会以合矢量方向落到磨损表面后面，不会对表面发生二次磨损，这也是推沙板上条纹的前端磨损较为严重的原因。