克塔線積雪的物理機(jī)械性質(zhì)分析及除雪鏟的設(shè)計(jì)研究

黃加良

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南昆明 655100）

克拉瑪依至塔城鐵路（簡稱克塔鐵路）位于新疆維吾爾自治區(qū)北疆地區(qū)克拉瑪依市和塔城地區(qū)，線路全長172.397km。克塔鐵路鐵廠溝至塔城段途經(jīng)新疆著名的風(fēng)區(qū)——老風(fēng)口瑪依塔斯風(fēng)區(qū)，沿線普遍存在風(fēng)吹雪災(zāi)害[1]。

1.克塔線風(fēng)吹雪力學(xué)性能

積雪本身的力學(xué)性能主導(dǎo)著鐵路線路除雪的方法選擇，要設(shè)計(jì)研究鐵路專用除雪鏟與線路積雪之間的相互作用情況，就需對(duì)克塔線風(fēng)吹雪積雪的物理機(jī)械性能進(jìn)行詳細(xì)分析[2]。

1.1 克塔線風(fēng)吹雪積雪的密度

克塔線風(fēng)吹雪密度情況如表1。

表1 風(fēng)吹雪密度

1.2 風(fēng)吹雪積雪的切削阻力

抗壓強(qiáng)度是指反抗其他物質(zhì)進(jìn)入自體能力的一個(gè)指標(biāo)參數(shù)。不同溫度下雪的切削阻力系數(shù)如表2。

表2 雪的切削阻力系數(shù)K0（kPa）

1.3 風(fēng)吹雪硬度

風(fēng)吹雪硬度是指積雪相對(duì)硬實(shí)度，各種狀態(tài)積雪的硬度數(shù)值如表3。

表3 雪的硬度

1.4 風(fēng)吹雪摩擦系數(shù)

風(fēng)吹雪積雪的物理機(jī)械性能決定了它的摩擦特性。見表4和表5。

表4 內(nèi)摩擦系數(shù)

表5 外摩擦系數(shù)（對(duì)鋼）

對(duì)鐵路線路除雪機(jī)械進(jìn)行牽引計(jì)算時(shí)，必須知道機(jī)械各種工況的附著系數(shù)、行駛阻力系數(shù)等。鐵路輪式和鐵路履帶式機(jī)車的行駛阻力系數(shù)見表6。

表6 行駛阻力系數(shù)

1.5 克塔線線路積雪情況

克塔線現(xiàn)場線路情況如圖1。

圖1 克塔線線路積雪情況

由于鐵路線路的情況特殊，普通公路除雪設(shè)備無法適用于鐵路線路除雪，需采用犁式鏟形結(jié)構(gòu)裝置進(jìn)行線路除雪。

2.除雪裝置研究

2.1 除雪鏟結(jié)構(gòu)

除雪鏟整體鏟體為防犁型結(jié)構(gòu)，整體裝置與車架牢固連接，可根據(jù)實(shí)際情況使用副鏟作業(yè)，加大除雪作業(yè)寬度，提高除雪效率。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證及討論確定方案如圖2所示。

圖2 除雪鏟鏟面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 除雪鏟基本參數(shù)

除雪鏟鏟板（安裝鏟刃）的相關(guān)參數(shù)如表7。

表7 除雪鏟實(shí)際相關(guān)參數(shù)

清理積雪寬度（LB），設(shè)定除雪鏟的作業(yè)寬度為4m（加延長板），見圖3。

圖3 除雪鏟鏟板相關(guān)參數(shù)示意圖

為便于除雪鏟鏟面旋轉(zhuǎn)及定角度對(duì)比計(jì)算和驗(yàn)證分析，參考相關(guān)資料，切削角（α=30°）、行進(jìn)角（θ=60°）選取適宜值來進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

綜上，適用于特殊環(huán)境的除雪鏟采用弧面鏟板，高度為0.85mm，鏟板長度為4.67m，除雪寬度為4m，鏟板厚度為0.01m。

3.除雪鏟受力分析與計(jì)算

3.1 除雪鏟除雪阻力計(jì)算

為便于計(jì)算分析，建立如圖4所示的坐標(biāo)系，選定行進(jìn)方向、車左側(cè)、垂直向上方三個(gè)方向分別為X、Y、Z軸正向，除雪鏟除雪前進(jìn)方向與線路間的夾角為除雪角、鏟體長向與除雪方向夾角為行進(jìn)角。

圖4 除雪鏟受力坐標(biāo)系

除雪鏟除雪時(shí)所受的阻力為Fp按圖4坐標(biāo)系分解為除雪方向分力Fpx、垂直線路側(cè)向分力Fpy和豎直分力Fpz。同樣將除雪鏟雪阻力F'p分解為除雪方向分力F'px、垂直線路側(cè)向分力F'py和豎直分力F'pz。

除雪作業(yè)時(shí)的速度值左右著除雪鏟的作業(yè)效率，除雪作業(yè)速度設(shè)計(jì)為0km/h～50km/h根據(jù)需求可調(diào)。除雪作業(yè)速度設(shè)計(jì)為10km/h～50km/h速度范圍內(nèi)，作業(yè)速度對(duì)雪阻力的影響表現(xiàn)出分散的兩個(gè)區(qū)域性，即10km/h～20km/h與20km/h～50km/h，兩個(gè)不同的速度范圍雪阻力的影響系數(shù)有區(qū)別。根據(jù)速度范圍影響系數(shù)，建立以下除雪阻力各分項(xiàng)力的計(jì)算分析數(shù)學(xué)模型[3]：

作業(yè)速度為10km/h～20km/h時(shí)：

作業(yè)速度為10km/h～50km/h時(shí)：

下壓液壓缸下壓力：

式中：

μf—除雪鏟作用面與積雪的摩擦系數(shù)；

mp—總重，kg；

S—風(fēng)吹雪積雪與除雪鏟作用面在作業(yè)除雪方向上的面積，m2；

v—作業(yè)行進(jìn)速度，m/s；

g—重力加速度，9.8m/s2；

Fq—下壓油缸下壓力，N；

P—液壓缸工作壓力，一般取值為16MPa；

S—液壓缸截面面積（按照油缸缸徑40mm計(jì)算），m2。

根據(jù)克塔線線路情況：積雪密度300kg/m3，積雪深度0.26m，作業(yè)溫度-20℃～-40℃。

取 μf=0.2、ρ=300kg/m3，mp=1000kg，θ=60°。

根據(jù)除雪鏟總體結(jié)構(gòu)及材料特性：除雪鏟除雪斷面積為1.04m2，總重980kg。

據(jù)式（1）、（2）及以上分析，算得結(jié)果如下：

當(dāng)線路除雪作業(yè)時(shí)的作業(yè)速度取為10km/h～20km/h時(shí)，除雪鏟阻力受力情況如下[4]：

當(dāng)線路除雪作業(yè)時(shí)的作業(yè)速度取為20km/h～50km/h時(shí)，除雪鏟阻力受力情況如下：

整車行進(jìn)除雪阻力作業(yè)阻力FSX為作用在除雪鏟上的阻力在X軸方向上的分力，F(xiàn)PX為作用在除雪鏟上的雪阻力在X軸方向上的分力F'PX以及整車行駛阻力Fm的和。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可得不同作業(yè)速度的除雪阻力。

當(dāng)線路除雪作業(yè)時(shí)的作業(yè)速度取為10km/h～20km/h時(shí)，除雪鏟阻力受力情況如下：

當(dāng)線路除雪作業(yè)時(shí)的作業(yè)速度取為20km/h～50km/h時(shí)，除雪鏟阻力受力情況如下：

3.2 不同作業(yè)速度下除雪鏟上的動(dòng)力學(xué)仿真

對(duì)于密度為300kg/m3的積雪，可以求得不同作業(yè)速度下除雪鏟上的受力情況，在動(dòng)力學(xué)軟件中進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 作業(yè)速度20km/h除雪鏟作業(yè)時(shí)受力情況對(duì)比

圖6 作業(yè)速度30km/h除雪鏟作業(yè)時(shí)受力情況對(duì)比

4.結(jié)論

通過理論分析及仿真分析可知，當(dāng)線路除雪作業(yè)時(shí)的作業(yè)速度取為10km/h～20km/h時(shí)，除雪鏟阻力13.91kN～35.99kN；當(dāng)線路除雪作業(yè)時(shí)的作業(yè)速度取為20km/h～50km/h時(shí)，除雪鏟阻力受力為27.47kN～249.71kN。計(jì)算與仿真結(jié)果相吻合。對(duì)除雪鏟進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮克塔線極端線路情況，保證除雪鏟的耐用性。