現代有軌電車槽型軌道除污裝置設計研究

劉紅現，柯堅，王國志，鄧斌

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

由于現代有軌電車在國內的普及，使得對槽型軌的清潔研究工作正在興起。姜超設計了一種公鐵兩用的有軌電車工程清洗車，其對軌道槽的清洗采用的是高壓水射流技術[2]；高慧瑩等人設計了一種鏟除機構，可以鏟除普通軌道面上的干痂和異物[3]；Yuxin Huang等人設計了類似的裝置，實現了對軌道面和道床的全面清掃，不僅延長了軌道和車輪的壽命，也更有力地保障了行車安全[4]。在這些研究中，均沒有針對現代有軌電車槽型軌道內具體污物的清理研究。

直接采用高壓水射流技術清潔槽型軌會使大量污物滯留在軌道槽內，因此需要先對槽型軌道進行清掃。有些污物與軌道粘附性較強，為了提高清掃效果，本文根據槽型軌道內污物的特點，設計了一種軌道槽污物松動機構，該機構依托于以鐵路平車為載體的槽型軌道清掃車上，作為軌道清掃裝置的一部分，隨著鐵路平車運動。在綜合考慮了槽型軌的特殊結構對污物形成影響的基礎上，該裝置利用扭轉彈簧使機構緊貼軌道槽，增強除污效果，同時遇到固定硬顆粒時，可使其能向上轉動，有一定的避障能力。通過虛擬樣機技術，利用虛擬樣機軟件ADAMS，針對機構在槽型軌道內3種不同的運動情況，分析系統的相關性能指標，設置不同的扭轉彈簧剛度進行仿真分析，優化扭轉彈簧參數，強化裝置對污物的松動效果，為槽型軌道的清潔提供一定的依據。

1 槽型軌除污裝置

1.1 槽型軌除污裝置組成

槽型軌清潔裝置，作為附設裝置掛配在軌道車輛下部隨行清掃槽型軌道，主要由支架和置于支座上的污物松動機構和滾刷機構構成；支架通過支座掛配在軌道車輛上；污物松動機構通過連接板聯接在支架上；滾刷機構與支架相聯；支架上設置有負壓空氣吸塵裝置，依軌道車輛前進的方向，污物松動機構、滾刷機構和負壓空氣吸塵裝置依次設置，如圖1所示。

圖1 槽型軌除污裝置

1.2 槽型軌除污裝置工作原理

在該裝置中，隨著軌道車輛的運行，污物松動機構松動軌道槽內污物，滾刷裝置利用離心力將軌道槽內污物掃起，被掃起的污物落在負壓空氣吸塵裝置吸力作用范圍內，污物在最短時間內被吸走，減少了揚塵，從而達到清潔槽型軌的目的。污物松動機構在整個清潔裝置中起著重要的作用，其污物松動的能力直接影響著槽型軌清潔的效果。

2 污物松動機構設計

2.1 污物松動機構的功能要求

該機構是整個槽型軌除污裝置的一部分，污物松動機構主要用于清掃前期松動軌道槽內污物，方便滾刷清掃，最后由負壓空氣吸塵裝置將污物吸入垃圾箱，其功能要求主要有：

1) 機構的齒形耙耙齒應與軌道槽內部緊貼，并且與軌道槽的作用力大小適中，避免對軌道造成劃傷等損害，減少耙齒磨損加劇。

2) 在齒形耙對污物松動的過程中，耙齒會有磨損，因此設計時應考慮磨損的補償。

3) 在對軌道槽內的污物進行松動時，遇到固定硬顆粒，齒形耙應該有一定的避障能力。

4) 設計結構應方便更換耙齒。

2.2 污物松動機構模型設計

采用SolidWorks建立三維模型，虛擬樣機軟件ADAMS仿真的方法。虛擬樣機(virtual prototype)技術已經廣泛地應用于設計和制造領域，其中ADAMS應用較為普遍，早在對傳統機構的設計中，已經應用了該技術。

污物松動機構模型如圖2(a)所示，整個機構由連接件、軸、耙齒連接桿、扭轉彈簧和耙齒構成，連接件和軸的兩邊分別焊有2個螺釘，軸用于連接連接件和耙齒連接桿，使兩者能相對轉動，耙齒連接桿和耙齒通過螺栓相連，耙齒尖端恰好與軌道槽底部相配合。2個扭轉彈簧套在軸的兩端，扭轉彈簧的兩端固定在螺釘上，通過扭轉彈簧可以使耙齒貼緊軌道槽，既能補償耙齒磨損，又能在遇到固定硬顆粒時，能向上翻轉一定的角度，越過較硬顆粒，防止損壞耙齒，起到避障的作用。

2.3 仿真基本工況

軌道清潔車輛運行速度36km/h，污物松動機構的運動平行于軌道槽中心線，材料為普通碳鋼。軌道槽內顆粒污染物主要有粘附性顆粒和固定硬顆粒，在不同扭轉彈簧剛度下，污物松動機構對2種不同污染物的松動效果進行仿真，從而確定最佳的扭轉彈簧剛度。

2.4 模型初步分析

根據機構的運動特點，進行力學分析，當機構在無污物的軌道槽內運動時，污物松動機構在軌道槽中心面受力情況如圖2(b)所示。圖中：Fx和Fy分別為軸對動作件在x和y方向的作用力，G為動作件的重力，F0為槽型軌對動作件的支撐力，f為摩擦力，S為動作件的質心點C到軸中心點O的距離，L為耙齒尖端的垂直面到軸中心點O的距離，M為2個扭轉彈簧對動作件的轉矩M0之和。

圖2 污物松動機構組成和力學模型

由力學分析可以得到剛體的力平衡方程和力矩平衡方程，即：

(1)

解方程組可得：

M=GS+F0L=ρVgS+F0L

(2)

式中：ρ——剛體密度，剛體為普通碳鋼，ρ=7.801×10-6kg/mm3；V——剛體體積，通過SolidWorks質量評估V=1 894.00mm3；a——質心到軸中心的距離，a=12.25mm。

分析可知，當槽型軌與動作件之間的作用力為0時，即兩者間沒有碰撞，F0=0時，動作件運動最為平穩，代入可得：

G=ρgV=144.89N

(3)

M0≤M/2=ρVga/2=887.48N·mm

(4)

根據扭轉彈簧的設計，設置的安裝轉矩和最終得到的工作轉矩應該<887.48N·mm，然后通過對不同剛度下扭轉彈簧的仿真，分析動作件的運動狀態。

3 動力學仿真和分析

3.1 模型簡化與設置

為了節省仿真時間，首先簡化模型，然后導入ADAMS中，采用Boolean運算合并部件，并對合并后的各部件重命名，如將耙齒和耙齒連接桿合并，命名為動作件，如圖3所示。

圖3 簡化模型的初始設置

在ADAMS中導入簡化的模型，設置初始條件。設置重力沿-y方向為-9 806.65kgmm/s2，設置各零件的材料均為普通碳鋼，動作件和軸、連接件和軸之間設置為旋轉副，連接件和槽型軌之間設置為移動副，方向與槽型軌面平行，槽型軌固定在大地上。在耙齒與軌道槽之間設置接觸，接觸類型為固體-固體，設置摩擦力，動摩擦系數設置為0.1，靜摩擦系數設置為0.3。各構件間的約束關系如表1所示。另外建立2個扭轉彈簧，令其力的作用點分別為A、B兩點，然后設置其安裝轉矩為300 N·mm，工作扭轉變形角為20°，設置其剛度為變量，依次取合適的值，進行動力學仿真，得到不同的轉矩，以此分析機構的運動狀態。設置機構相對于軌道槽的運動速度為1 000mm/s。

表1 各構件之間的約束關系

3.2 仿真和結果分析

分析機構在軌道槽內的運動狀況，存在三種運動情況。第一種是理想情況A，即軌道槽內沒有污物，第二種情況B，軌道槽內存在粘附性顆粒，第三種情況C，軌道槽內存在固定硬顆粒。建立對應的物理模型和數學模型，進行仿真分析。

1) 運動情況A—軌道槽內無污物時運動學仿真和分析

機構在無污物的軌道槽內工作，設置仿真時間為2s，仿真步數為300步，設置扭轉彈簧剛度如表2，運動情況A，進行仿真。觀察動作件質心點在豎直方向上的位移變化情況，因為仿真次數較多，只列出與結果相近的3次仿真數據，如圖4所示，可以看出，當彈簧剛度為k=3Nmm/(°)時，動作件達到平衡的時間最短，運動最平穩，此時彈簧的工作轉矩為Mmax=360.157Nmm，如圖7所示。

表2 三種運動情況仿真中扭轉彈簧剛度的設置

圖4 運動情況A下扭轉彈簧剛度k的影響

2) 運動情況B—軌道槽內存在粘附性顆粒時運動學仿真和分析

在軌道槽內建立幾個與軌道槽緊貼的物塊，代替污物，物塊與軌道槽，物塊與物塊，物塊與耙齒之間分別建立接觸力，如圖3所示。

設置仿真時間為2s，仿真步數為300步，設置扭轉彈簧的剛度如表2，運動情況B，進行仿真，觀察各個物塊沿軌道槽z軸方向的速度變化情況和動作件沿y軸的位移變化情況。由于數據較多，取其中2個污物A和B的3組與結果相近的數據進行分析，污物A質心沿z軸方向速度變化如圖5。可以看出當扭轉彈簧剛度k=8Nmm/(°)時，污物A和B的速度變化最大，運動時間最長，說明此時污物A和B受到耙齒的作用最為強烈，污物松動效果最好，此時工作轉矩為Mmax=504.051Nmm，如圖7所示。

圖5 不同彈簧剛度k作用下污物A速度變化

3) 運動情況C—軌道槽內存在固定硬顆粒時運動學仿真和分析

在軌道槽內建立一物塊代替固定硬顆粒，在耙齒與軌道槽、耙齒與物塊之間建立接觸力。設置仿真時間為0.2s，仿真步數為300步，設置扭轉彈簧剛度如表2，運動情況C，由于數據較多，取與結果相近的3組數據進行分析。依次比較各圖動作件質心點運動的情況，如圖6所示，可以測量出動作件在0.055 5s遇到固定硬顆粒，當彈簧剛度k=9Nmm/(°)時，動作件最先達到穩定，此時為0.672s，最大工作轉矩為Mmax=584.220Nmm，如圖7所示。

圖6 不同扭轉彈簧剛度k作用下對動作件的影響

圖7 三種運動情況下扭轉彈簧最佳工作轉矩

以上分析了3種運動情況，并得到了扭轉彈簧的3個最大工作轉矩，為了使其能滿足各種情況下的工作需求，可知當扭轉彈簧剛度k=9Nmm/(°)，安裝轉矩M0=300Nmm，安裝變形角φ=20°，機構的工作效果最好。此時最大工作轉矩Mmax=584.220Nmm<887.48N·mm，滿足要求。根據扭轉彈簧設計要求，查詢機械設計手冊，即可設計出符合工作要求的扭轉彈簧。

4 結語

1) 采用ADAMS與SolidWorks軟件相結合，快速有效建立仿真模型，對污物松動機構進行仿真，實時獲得各個部件的位移、速度和扭轉彈簧工作轉矩的曲線，使整個仿真過程可視化，提高了工作效率，節約時間和成本。

2) 分析機構的3種運動情況，對不同剛度的扭轉彈簧進行運動學仿真。運動情況A，確定出最佳扭轉彈簧剛度k=3Nmm/(°)，該狀態下機構運動最平穩，對應最大工作轉矩Mmax=360.157Nmm；運動情況B，確定出最佳扭轉彈簧剛度k=8Nmm/(°)，該狀態下污物的松動效果最佳，對應最大工作轉矩Mmax=504.051Nmm；運動情況C，確定出最佳扭轉彈簧剛度k=9Nmm/(°)，該狀態下運動最先恢復穩定，對應最大工作轉矩Mmax=584.220Nmm。

3) 運動情況C時彈簧工作轉矩最大，此時扭轉彈簧剛度k=9Nmm/(°)，安裝轉矩M0=300Nmm，安裝變形角φ=20°，以此作為機構扭轉彈簧設計和安裝的依據，使用該方法得到的扭轉彈簧，能夠有效松動槽型軌內粘附性污物。

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