悬挂式振动除冰机关键零部件的优化设计*

李顺秋，刘晓亮，王中长，彭仕新

（滨州学院机电工程学院，山东滨州 256600）

0 引言

铁路线路运行过程中，由于冬季气温较低空气湿度大，尤其是遇到雨雪或冰冻等极端恶劣天气时，高速铁路线路的接触网表面会凝结大量空气中的气态水。尽管铁路在运行过程中会产生一定量的热能，只是一定程度的减缓覆冰的形成速度，并不能完全阻止覆冰凝结。尤其是雨雪过后的夜间随着气温进一步降低，则会引起接触网的长距离的覆冰现象。由于高铁线路设计规划时，大多经过人口密度相对较低的山区，地势情况比较复杂，对除冰工作的开展增加了不可抗拒的约束[1]。目前，国内外通常采用人工机械式除冰，工人使用木棒等硬物敲打接触网，使接触网被迫产生局部震动而脱落。但是，这种除冰方式的效果并不理想，在接触网产生震动时内部产生的应力处理不当，可能会对接触网电力线路造成结构上的损伤[2]。然而，除冰成本和作业危险性极高。为了提高除冰效率，切实保护工作人员的人身安全，采用智能化的机械装置取代人力在铁路线路上进行除冰工作已然成为当前发展的趋势。因此各国工程师们也研究出很多种为不同铁路接触网供电覆冰后的除冰方法，并取得了一定研究成果，电流热效应融冰、涂抹防冰涂料、现代高科技实现远程控制除冰。本文研究的悬挂式震动除冰机将代替人在铁路线路上进行除冰作业，对机械除冰震动机构做动力学仿真分析同时验证除冰机在运行过程中敲击接触网产生时自身的受力情况和实现高铁线路除冰方面机械化的理论。

1 除冰机构的设计计算

远程遥控机械人除冰的技术原理是使用无线信号遥控除冰装置，利用转动的打击棒通过敲击对接触网线路产生的局部撞击能力，对接触网线路产生的振动效应使覆冰脱落，从而实现了除冰的效果。除冰设备主要由设备主体结构、除冰机构、挂线行走机构、信号接收模块和信号发送模块等单元体组成（如图1所示）。就目前的发展情况来看，机械震动式除冰技术与无人机除冰技术和机器人除冰技术相比技术较先进，操作相对简单，作业在地面就能完成，极大的减轻打冰人“除冰工人”的劳动强度，有力保障工人的人身安全[3]。

图1 敲击震动除冰电路原理

1.1 对接触网的震动力学分析

覆冰的震动力学性能主要由环境温度t、平均密度ρ、抗压强度pc、剪力强度pt决定。

单个敲击棍除冰分析，敲击棍于接触网的接触宽度B=1 mm，与接触网平面的夹角为25°。

对接触网敲击瞬间产生的挤压力和剪切力。假设敲击棍的长度为L，则此时敲击棍和覆冰的接触面积为：

在相应的机械结合面上，同时对接触网产生的挤压力Fσ和剪切力Fτ，分别计算如下：

根据接触网覆冰的厚度选用不同扭矩的电机，设计敲击棍电动机转速为300 r/min，每秒可对接触网冲击5次，电机工作的扭矩为Mm，则所需的除冰电机功率为：P=Mmω。

通过对接触网产生的局部震动使得覆冰掉落的方式，能够震荡大面积的落冰，除冰作业效率高[4]。除冰设备自带的能源只需主要为除冰机构及线路行走机构的电动机功能，能源消耗较小，较容易实现远距离作业。机械震动除冰作业前，需要根据作业段相邻的换电池距离装载合适的能源即可。

1.2 除冰机构总功率的计算

由设计要求及参数敲击棍转速n=300 r/min，齿轮传动比i=8，电机转速2 400 r/min，实际电流ie=4 A，实际功率为48 W，敲击棍击打接触网角度θ=25°，对覆冰产生的弯曲强度H=(1.1～1.4)×104Pa，弯 曲 应 力τ=0.25H+4.2×104=4.5×104Pa。

选择合适的电机对提升除冰机的续航、强化除冰机的除冰效果至关重要，以及合理的空间结构优化也是除冰机安全长时间工作的关键所在，电机安装在除冰机下部有利于平衡除冰机的前后质量。根据除冰机的大多在空中接触网上工作，环境寒冷恶劣要求电机能够耐低温、湿冷。在接触网上由远程控制的遥控器控制启停，电机尺寸71mm×51mm，如图2所示。使用过程中通过正确的保养和操作减少电机等零部件的更换和维修，因此，电机使用寿命3 000 h的可调速电机。在提升续航方面，通过试验计算除冰机运行距离消耗平均电能来推算两相邻地区的距离需要配备的电池数量，到指定目的地后更换电池来增加续航。

图2 电机参数

2 旋转敲击联动装置的结构设计

悬挂式震动铁路接触网除冰机的机械除冰机构采用电机驱动，通过皮带传动动力，将旋转力传递到敲击棍上，使敲击棍连续不断地转动敲击接触网，最终使覆冰掉落。

2.1 除冰机构总传动系统

除冰机构采用两段式敲击接触网，由电机作为原动力，通过皮带传动。远程控制电机的启停，来控制敲击棍的旋转[5]。为达到理想的除冰效果，击打接触网对覆冰产生的应力应大于冰的附着力。

2.2 除冰机构传动的三维设计

悬挂振动式除冰机构三维模型设计采用SolidWorks进行三维零件建模，在运用同心、重合等边界条件进行约束装配[6]。敲击部分在满足强度要求的前提下，结构设计也要合理。击打部分与中间轴之间需要进行倒圆角处理，进一步增强连接部位的抗弯曲强度（结构示意图如图3所示）。

图3 敲击棍倒角结构

各工作机构之间的装配及配合是除冰机构设计的难点，现有的文献资料尚且没有完整的装配方法和仿真运动。经参考其他现有文献，小组研究，主要是采用皮带作为原动件和执行件的能量传递枢纽。为更好地适合于装配皮带以及齿轮等零件需要在装配图中画出，为类似建模装配重要零件提供建议方法。

画零件前，先在草图绘制界面对实体轮廓大小进行调整，连成封闭曲线绘制出实体轮廓，如图4所示。将构建的实体轮廓导入零件图中，进行草图绘制，选取原轮廓草图在上方工具栏找到【扫描】并添加约束条件，如图5所示。

图4 实体轮廓

图5 实体草图

3 敲击棍的有限元分析

悬挂式铁路接触网除冰机在工作过程中，敲击棍和两端轴承连接处的受力是尤为关键的。要求敲打部位具备一定的韧性以及能够承受较高抗弯和抗拉强度，介于选取材料需要具备良好的介电性能，因此首选PE材料。PE材料弹性模量（E）为2 900～3 400 MPa，有较好的机械性能，相对密度1.4左右，相较于其他金属材料质量轻支化度较小。抗弯强度在60 MPa左右，其抗弯强度直接影响在接触网上的工作寿命，因此，对其进行有限元动应力强度分析是完全有必要的。

在ANSYS系统界面的分析系统选中刚体动力学，将Solid-Works建好的模型转变格式后导入ANSYS有限元分析软件中操作步骤如下[7]。

3.1 前处理

（1）创建分析项目

双击主界面toolbox中的Analysis System＞Rigid Dynamics（刚体动力学）选项，在项目中创建分析项目，如图6所示。

图6 刚体动力学建模界面

（2）定义材料数据

双击项目中A2栏Engineering Data项，进入材料参数设置界面，在该界面下面进行材料参数设置，选材完毕后关闭A2：Engineering Data，返回Workbench主界面，材料库添加完毕。

（3）添加剂和模型

在A2栏的上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中旋择Import Geomtry＞Browse，此时会弹出“打开对话框”导入模型后关闭退出DM，返回Workbench主界面。

（4）定义零件行为

双击主界面项目管理区项目中A3栏Model项，进入Mechanial界面，在该界面下进行网格的划分、分析设置、结构查看等操作。

（5）设置连接

查看是否生成Contact接触，生成后继续添加Revolute对象，完成后设置初始条件

3.2 求解

在outline摄结构图中rigid Dynamics（A5）选项单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Sove，此时会弹出进度显示条件，表示正在求解，完成后自动消失，求解完成后可以通过Solution Information查看求解过程信息[8]。

3.3 后处理

（1）查看整体响应

选择Workbench界面左侧树结构图中的Solution（A6）选项，此时会出现Solution工具栏，在其中选Total Deformation选项后再弹出的快捷菜单中选择Evaluate A11 Results，此时进行求解，求解后得到的图形如图7所示[9-10]。

图7 敲击棍弯曲应力力学分布图

经ANSYS求解分析得出敲击棍的危险截面在根部，添加半径为0.5 mm开始增加倒角半径当添加至1 mm时力达到最大随后开始发生跟切现象。因此在根部做倒圆角是很有必要的，并且倒圆角的角度为1 mm。在除冰机工作运行过程中，敲击点也属于一处危险截面，需要对该点结构做进一步优化，以达到工作要求。

表1 PA、PP、PE、PE性能对照表

重复上述的操作求解出两端轴承座的有限元分析结果云图如图8所示[11]。在轴承座接触部位纵向受力较大，对内径表面喷涂镜面涂料来减小接触面的切向应力，紧固螺栓处需要在螺栓与轴承座之间加垫片的防滑处理。

图8 两端轴承座的受力分析云图

4 结束语

随着铁路运输的发展，在原先环境恶劣的地区也通上了快速铁路。针对冬季空气湿度大，铁路接触网遇到湿度大的冷空气时易附着表面结成冰溜，严重影响列车运行的问题[12]。本文对设计的悬挂式振动除冰机关键零部件进行动态力学仿真分析和静态应力强度仿真分析，并对分析结果中震动除冰执行部件做优化改进，提高除冰机工作的可靠性。最终，经多次试验仿真得出，在敲击棍根部添加1.0 mm的倒圆角是承受最大应力的角度。接触网线路覆冰后的除冰工作，亦可使用现代高科技技术远程控制除冰机进行除冰工作，为铁路接触网覆冰后实现机械化除冰设备设计提供参考方向。