基于CAE的V形雪犁研發(fā)設(shè)計(jì)

劉仕超，張 發(fā)

（中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司科研所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010030）

0 引言

針對(duì)鐵道線路雪害的問題，中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司自主研發(fā)了一種基于軌道車為載體的除雪裝置，通過“推+刮”的方式清除線路積雪，達(dá)到快速開通線路的目的。V形雪犁是該裝置的核心機(jī)構(gòu)，直接關(guān)系到除雪效果，通過CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）技術(shù)的應(yīng)用，以SolidWorks及LS-DYNA為設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出合理的V形雪犁機(jī)械結(jié)構(gòu)，為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

1 V形雪犁三維模型的建立

合理的犁體曲面，可有效降低除雪阻力，提高除雪效果。鑒于除雪作業(yè)工況，V形雪犁的結(jié)構(gòu)參照農(nóng)業(yè)耕地用鏵式犁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 犁體曲面成型機(jī)理

水平直元線法是一種常用的犁體曲面形成方法，原理如圖1所示。

從圖1來看，可以視犁體曲面為基于一定規(guī)律下的曲線或直線的運(yùn)動(dòng)而成，而無論是構(gòu)成該曲面的曲線或直線，統(tǒng)稱作“元線”。而在空間里運(yùn)動(dòng)的元線，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律相關(guān)的幾何要素則叫做導(dǎo)曲線，即圖中的m。導(dǎo)曲線是鏵刃線、犁體曲面垂直平面相交形成的截面線，該線實(shí)質(zhì)是一條拋物線。在運(yùn)動(dòng)過程中，直元線一直處于水平的狀態(tài)，而且與導(dǎo)曲線之間一直是相互接觸的。不僅如此，空間里直元線的位置還取決于直元線和溝墻平面N之間的夾角θ的變化情況。在三維制圖過程中，如果將直元線設(shè)定為引導(dǎo)線，將導(dǎo)曲線設(shè)定為輪廓線，利用放樣處理則可獲得犁體曲面。對(duì)其相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)與改變，就能夠有效優(yōu)化該曲面，最終使設(shè)計(jì)的曲面滿足要求[1]。

圖1 犁體曲面形成原理

1.2 三維建模

依據(jù)鏵式犁設(shè)計(jì)情況，應(yīng)當(dāng)對(duì)脛刃線高度H、犁體幅寬b、元線角、鏵刃線長(zhǎng)度b＇等參數(shù)變化進(jìn)行確定[2]。

（1）單側(cè)鏟面幅寬b：根據(jù)除雪裝置除雪寬度3000 mm，將b設(shè)定為1500 mm。

（2）脛刃線高度H：由于犁體是由2個(gè)單犁面組成的V形犁體，所以犁體的脛刃線采用直線。綜合考慮雪粒自身的物理特性、除雪厚度500 mm，取H=1000 mm。

（3）鏵刃線長(zhǎng)度b＇：鏵刃線為鏵刃在主視圖的投影，考慮整套裝置除雪寬度和限界要求，取b＇=1500 mm。

（4）鏵刃角 τ：鏵刃角τ的值一般在 35°～60°，綜合考慮除雪阻力及雪鏟重量、體積等因素，取τ=52.5°。

（5）直元線與元線角：根據(jù)元線角的變化規(guī)律及其計(jì)算方法，得出在豎直方向上不同高度位置（Z）的直元線對(duì)應(yīng)的元線角度（θ），具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鏟面元線角數(shù)據(jù)

（6）導(dǎo)曲線：通過包絡(luò)線作圖法繪制的導(dǎo)曲線如圖2所示，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：高度h=1000 mm，開度L=600 mm，犁鏵安裝角 ε=25°，切線夾角 ω=75°。

（7）V形雪犁模型的建立：根據(jù)上述參數(shù)，在Solidworks軟件中繪制三維草圖，然后以鏵刃線和直元線為輪廓線，按照已作導(dǎo)曲線進(jìn)行放樣，得到犁體曲面實(shí)體，再結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、線路上運(yùn)行等功能需求進(jìn)行修改，最終得到需要的V形雪犁模型（圖3）。

圖2 導(dǎo)曲線參數(shù)

2 除雪過程數(shù)值仿真

要想對(duì)雪體排開的整個(gè)過程進(jìn)行仿真的話，則首先應(yīng)當(dāng)選擇最為適宜的材料作為雪的仿真描述材料。目前關(guān)于雪的數(shù)值模擬方法還在發(fā)展中，軟件LSDYNA中沒有直接提供雪體的材料模型，考慮到雪體與土體兩者之間的相似性，模擬時(shí)用土體材料代替[3]。

V形雪犁的除雪原理就是排開積壓在道床上的所有積雪，在仿真處理時(shí)，需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化實(shí)際的模型，在除雪時(shí)，可以將積雪下端視作連接道床的裝置，在構(gòu)建模型的時(shí)候，可對(duì)道床進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，僅構(gòu)建出雪床模型（寬×高×長(zhǎng)：3000 mm×500 mm×50 000 mm），在其下端施加固定約束。建立好的簡(jiǎn)化幾何模型如果4所示。

圖3 V形雪犁三維模型

圖4 仿真模型

V形雪犁采用的材料硬度比積雪材料大得多，仿真過程中可以將雪犁視為剛體，選用的材料模型是*MAT_ELASTIC，積雪選用的材料模型是*MAT_FHWA_SOIL，其相關(guān)參數(shù)根據(jù)積雪物理特性進(jìn)行設(shè)置。在對(duì)材料模型進(jìn)選擇后，再采用網(wǎng)格劃分幾何模型。在除雪數(shù)值仿真過程中，可以將積雪分為兩層，即直接與雪犁發(fā)生接觸的飛雪層（高450 mm）和靠近軌面的保留層（高50 mm）。

圖5 除雪過程數(shù)值模擬

對(duì)建立好有限元模型施加約束，進(jìn)行關(guān)鍵字的添加，然后構(gòu)建出剛性墻，并以2.78 m/s的除雪速度推動(dòng)雪犁向前行駛，輸出K文件進(jìn)行求解。圖5為除雪過程數(shù)值模擬圖。

除雪過程非常復(fù)雜，積雪在雪犁的作用下因被擠壓、剪切而發(fā)生巨大變化，由于變形越來越劇烈，則破壞了積雪的本來結(jié)構(gòu)，則積雪出現(xiàn)分離現(xiàn)象。從圖5可以看出，隨著雪犁的前進(jìn)，積雪收到擠壓和剪切，外力的作用于影響使得積雪顆粒前行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，最終被撕裂（圖5a→5b）。在雪犁持續(xù)運(yùn)動(dòng)的條件下，積雪受到撕裂后在犁體表層發(fā)生后拋現(xiàn)象，同時(shí)受到擠壓與剪切雙力的作用，雪犁對(duì)積雪的破壞效應(yīng)急劇增大，當(dāng)積雪的應(yīng)力值超過雪粒的粘聚作用時(shí)就會(huì)發(fā)生破碎，最終形成穩(wěn)定的飛雪（圖5c→5d）。

3 仿真結(jié)果分析

通過LS-DYNA后處理軟件LS-PREPOST生成除雪阻力隨時(shí)間的變化曲線（圖6）。

圖6 除雪阻力變化曲線

從圖6可以看出，積雪與雪犁接觸時(shí)，除雪阻力則相對(duì)應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)性變化，當(dāng)時(shí)間達(dá)到約0.9 s時(shí)，雪犁則基本充分進(jìn)入積雪，而峰值的出現(xiàn)意味著除雪阻力達(dá)到最大化，最大為FC=20.636 kN。在雪犁持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定范圍內(nèi)除雪阻力呈現(xiàn)出具有周期性的波動(dòng)狀態(tài)，抽取其中相對(duì)平穩(wěn)的數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，最小的除雪阻力應(yīng)當(dāng)為13.8 kN，最大的除雪阻力應(yīng)當(dāng)為18.2 kN。金鷹GC-270軌道車以速度10 km/h運(yùn)行時(shí)，輪周牽引力可達(dá)37.3 kN，運(yùn)行全阻力為W0=1.4 kN，由于W0+FC=22.063 6 kN＜37.3 kN，即V形雪犁結(jié)構(gòu)形式滿足除雪需求。