功能及參數
基本介紹
在我國北方冬季普遍降雪,特別是一些高寒地區,降雪期長達5～6 個月。積雪給道路、機場及人們出行帶來極大的災害,甚至造成交通中斷,屢屢發生事故。為此在我國北方,冬季除雪是機場、公路等交通運輸管理部門,甚至是政府部門一項重要的工作任務。
現狀分析
從國內外來看,除雪的方式很多,如:機械除雪、融雪除雪、綜合式除雪等。顧名思義,機械除雪是通過機械設備清除積雪的方法; 融雪除雪是利用熱能或撒布化學藥劑而使積雪融化的一種方法; 綜合式除雪是機械除雪與融雪除雪相結合的一種除雪方法。這三種除雪方法各有其特點,機械除雪套用最為廣泛,其原因是其除雪效率高、成本低、無污染,但對結冰路面及低等級路面除雪效果差。主要適用於機場、高速公路及主要街路除雪。融雪除雪方法成本高, 對環境及路面易造成污染和腐蝕, 一般套用較少。主要用於結冰路面及坡路等局部除雪。由此可見,擴大機械除雪、研製和推廣使用除雪車是除雪的主要方向。
除雪車在國外已有很多廠家生產, 如: 瑞士的MARCEL BOSCHUNG 公司和美國的S&S 公司;德國的VOLKSWAGEN 公司和DAIMLER- BE 公司;英國的SCHMIDT 公司等。這些除雪車雖然有的在我國也有所套用, 但這些除雪車結構複雜、售價高、使用、維修成本大, 推廣和普及困難。為此, 開發適合國情的除雪車就顯得十分必要。
功能設計
借鑑國外除雪車的先進技術, 結合國情設計多功能除雪車, 主要用於機場和高等級公路上, 在道路平坦、無結冰條件下使用。在設計原則上是實現高效、低成本、多功能。除雪時, 前除雪鏟、中間除雪輥、後部除雪輥及拋雪機構同時工作。前除雪鏟可傾斜一定角度, 將較厚積雪推起並沿傾角滑向除雪車一側, 中間除雪輥可將前除雪鏟遺漏下的和壓實的積雪攪起,靠製成螺鏇形狀的輥的葉片將雪傳遞到除雪車一側(與前推雪鏟同側) 。後部除雪輥上安裝多排用鋼絲或耐磨塑膠製成的毛刷將所剩少量積雪掃起, 然後在拋雪機構吸力的作用下吸入吸雪口,經通風機拋雪筒 ,將雪拋向除雪車的一側或直接拋向運雪車。除雪鏟採用鋼板壓成弧形鏟面, 耐磨鏟刃可隨時更換。前鏟傾角可通過前鏟調節機構調節大小及傾斜方向, 實現平推積雪或將積雪推向車的左側或右側。同時, 前鏟設有緩衝裝置, 防止遇到障礙損壞。中間和後部除雪輥由液壓馬達驅動鏇轉,在輥的重力及彈簧力(可調)作用下工作,拋雪機構由汽車發動機驅動(安裝在汽車底盤上)。在除雪筒內設定安全剪下銷, 可實現安全保護作用。整台除雪車採用機械→電器→液壓聯合控制, 通過液壓缸的作用, 可實現在非除雪狀態時, 將前鏟、中間及後部除雪輥 、拋雪機構的吸入口等上升到一定高度, 以便除雪車在其它道路上行駛。
結論
將上述確定的參數和係數代入相應的公式中,並注意相關參數的取值, 儘可能使其結果最大, 即可於3m/s;試驗用的某125 型機車各種參數符合試驗要求; 試驗車速為30,40,45,50,55,65,70km/h。改進前、後車速為65km/h 時的座位處合成加速度均方根。求得除雪車總的牽引功率P=155kW 和拋雪裝置總的功率P=60kW,因此,所選的除雪車的功率應大於155kW;另配一台發動機,其功率應大於60kW,安裝於汽車底盤上,用於驅動除雪輥轉動和給拋雪機構拋雪提供動力來源。
通過以上分析計算可以看出, 本除雪車集前推雪鏟推雪、中間除雪輥攪雪、後部除雪輥掃雪及拋雪機構拋雪多種功能於一體。在功能設計上具有先進性與綜合性, 在除雪輥的作用下能將壓實到一定程度的積雪( 非冰狀態) 清除掉, 除雪效率高、除雪徹準確地反映了發動機激勵。改進後的手把和座位處的綜合振級減小, 整車的振動舒適性得到提高。
低溫冷啟動
研發介紹
軌道除雪車是根據原鐵道部科技研究開發計畫：鐵路防災減災技術深化研究－鐵路線路除雪專用裝備與技術研究 要求進行研製，主要針對高速鐵路軌道板上表面至軌面以上250mm 的積雪進行清除作業的專用除雪裝備,非除雪工況也可以作為牽引車使用。
工況及動力
軌道除雪車作為高鐵專用除雪裝備，除雪作業工況的環境溫度一般在-35 -0 之間。作為保障型除雪作業時，除雪作業時間一般在凌晨1 點至6 點之間，不作業時單機高速自行離開作業區段，停靠於站線或專用線待命；作為搶險型除雪作業時，作業時間根據現場情況確定，需要作業時一般從停靠地點單機自行進入作業區段進行除雪作業，作業任務結束後根據調度命令自行離開作業區段。
根據軌道除雪車的作業特點和運行安全可靠性要求，動力系統的配置至少需要滿足以下三點要求：軌道除雪車必須具備雙動力系統，以確保在單機自運行過程中任意一套動力系統出現故障時，另一套動力系統能夠確保軌道除雪車高速自行離開作業區段。軌道除雪車動力系統必須具備良好的低溫冷啟動性能，特別是外部無法提供交流電源的情況下也能在-35 的低溫條件下順利啟動。軌道除雪車的動力系統需要在主發動機熄火的情況下，提供持續電源以滿足操作人員的保暖、檢修、照明等需求。軌道除雪車動力系統主要包括：2 台額定功率為500kW 柴油發動機、1 台額定功率為30kVA 的柴油發電機組、以及滿足安裝、啟動等需求的相關部件。
啟動措施方案
2.1 影響軌道除雪車動力系統低溫啟動性能的主要因素
軌道除雪車作業環境最低的溫度要求為-35 ， 非作業狀態柴油發動機和發電機組一般處於停機狀態且停機時間無法確定。 停靠於站線和備用線，無法保證啟動前有外接電源可以提供。 綜合以上情況，影響軌道除雪車低溫冷啟動性能的主要因素包括以下幾個方面：吸氣溫度及氣缸內環境溫度過低 （可能達到-35 ），導致壓縮終點溫度下降，著火性能差，滯燃期較長，導致冷啟動性能不好； 隨著環境溫度的減低，發動機潤滑油粘度增大，流動性變差，增加了曲軸的鏇轉阻力，使發動機的啟動性能下降。隨著環境溫度的下降，啟動蓄電池的容量和端電壓均下降，必然導致發動機的啟動力矩減小，從而直接影響發動機的啟動性能。由於發動機輸出端與分動箱和液壓泵相連，隨著環境溫度的下降，液壓油粘度增加，驅動泵的啟動阻力增加，導致發動機啟動阻力也隨之增加，發動機啟動性能下降。
2.2 提高動力系統低溫啟動性能的措施
提高動力系統低溫冷啟動性能的措施主要包括如下幾個方面：柴油、防凍液、柴機油必須選擇適應低溫環境需求的型號，環境溫度低於-30 時，柴油選擇-50柴油，防凍液選擇FD-2 型長效防凍液，柴機油選用SAE0W/40 型CG 以上級潤滑油。發動機配置低溫冷啟動系統，此系統可以根據外界溫度的變化自動對進氣預熱，預熱過程中預熱等常亮，待預熱完成後預熱燈熄滅，發動機即可啟動，增加此套系統可以確保發動機在環境溫度高於-32時順利啟動。柴油發電機組採用了交/直流水套水加熱系統， 當外界可以提供 220V 交流電時，通過外界電源對柴油發電機組的防凍液進行加熱，待防凍液溫度高於加熱指示傳送信號，啟動柴油發電機組。當外界無法提供 220V 交流電源時，通過除雪車自帶電瓶(為兩台發動機配置的啟動電瓶)通過逆變器為柴油發電機組的防凍液進行加熱 ，待加熱指示燈傳送信號後啟動柴油發電機組。 一旦柴油發電機組啟動以
車架靜強度
車架介紹
GCX-1000 型軌道除雪車是昆明中鐵大型養路機械集團有限公司最新研製的專用於高速鐵路除雪的大型養路機械，本文運用有限元軟體ANSYS 對軌道除雪車車架的強度、剛度進行計算分析，並進行了車架靜強度試驗，將二者結果進行對比分析，為該車架的設計提供了理論與試驗依據，同時對其他車架設計也有具有一定的借鑑意義。
試驗標準
軌道除雪車的車架心盤距為16500 mm，車架長23000 mm，由於作業溫度較低，材料選用Q345D。車架由大量矩形管焊接而成，中間部分為了設定滾刷式掃雪機，需要拱起一段，該拱長4000 mm，高1800 mm。為了加強車架的剛度和強度，在垂向上增加了一些輔助結構，用以抵抗車架的垂向變形。由於大型養路機械不同於客車或貨車，目前其靜強度試驗沒有適用的標準，因此計算中各參數的取值參考TB / T1335—1996《鐵道車輛強度設計及鑑定規範》，在模擬縱向試驗時，所取參數與鐵科院的試驗數據保持一致，即拉伸力取1125 kN，壓縮力取1180 kN。
建模與邊界
目前運用有限元軟體計算分析車架的強度、剛度，最常見的有兩種建模方法: 一是在三維軟體中畫出實體模型，然後導入有限元分析軟體劃分實體使用帶有節點偏置功能的殼單元建模，如果遇到需要改變板厚的情況，只需更改實常數或者截面數據即可，適應性強，非常適用於設計階段。本文使用SHELL181 號單元建立車架模型。
根據TB / T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及鑑定規範》，最主要的測試試驗為垂向剛度試驗和縱向拉伸、壓縮試驗。除雪車的車架在實際使用中約80% 的重量是由心盤承受的，在試驗中所有重量都由心盤承受，其心盤處為球鉸支撐。以車架的長度方向為X 向，寬度方向為Y 向，高度方向為Z 向。因為殼單元有2 個鏇轉自由度(ROTZ 鏇轉自由度是虛自由度)，所以可以在心盤處的中心節點直接約束UY、UZ、ROTX，為了避免剛體位移，在其中一個心盤處的中心節點約束UX，兩個心盤處都釋放ROTY。由於心盤處為球形鉸接，在鉸接區域範圍以內，車架上對應的位置實際上是不受力或受力極小的，因此可以將此區域處理為剛性區域，以避免只約束一個節點帶來的應力集中問題。
由於除雪車車架承載的機構不對稱，所以，建立1 /4 模型後直接擴展為整個車架的模型。忽略一些小的細節，如小孔，螺栓孔等，200 kg 以上的裝置均在其重心位置建立MASS21 質量單元進行模擬，用約束方程連線在車架的相應位置上。
有限元計算
縱向拉伸工況
由於大型養路機械禁止過駝峰溜放，並且相比於壓縮工況，拉伸工況更為惡劣，所以，只給出第一工況的縱向拉伸工況說明問題，省略了縱向壓縮工況。計算得動載荷係數K= 0. 203。因此，垂向總載荷為: (1 + 0. 203 + 0. 1)× 垂向靜載荷，其中0. 1 為標準中規定的載入10% 的垂向靜載荷用以考慮車體受到的側向力。因此，拉伸工況中承受的載荷為1 125 kN 的縱向拉伸力+ 1. 303 倍的垂向靜載荷，其縱向拉力沿車鉤中心線作用於車架兩端的前從板座上。
車架上的應力分布比較均勻，說明各梁的利用程度比較充分，同時，最大應力值為204 MPa，滿足標準中Q345D 材料的許用應力低於216 MPa 的要求。應力較大的區域主要集中在中間拱的部分和心盤附近，中間拱的部分應力較大，是因為此段承受了較大的彎矩，並且此處懸掛了超過7 t 的工作裝置;心盤附近的應力較大，是因為此處是約束支撐的位置。計算結果表明，該工況下的車架滿足使用要求。壓縮工況的計算結果表明，壓縮工況下車架同樣滿足使用要求。
實際試驗
試驗按照TB / T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑑定規範》 並參照 TB / T 2451—1995《內燃、電力機車車體靜強度試驗方法》 完成。其中垂向載入用鐵砂袋及鐵塊模擬車上各機構的重量，小袋為25 kg，大袋根據實際情況有300、500、1 000、1 500、2 000 kg 不等。縱向載入使用液壓泵站、雙向作用油缸拉伸及壓縮車架，通過感測器讀取縱向力的數值。頂車試驗、扭轉試驗、修理工況、起吊工況等均使用架車機提升車架。
在車架相應位置上貼上一定數量的應變片，採集數據後換算成應力，即可得到相應位置的應力數據。測試點的位置需根據經驗及有限元計算結果而定。
試驗計算對比
由於垂向採用的是人工載入砂袋的方式，因此試驗與實際車上的重量分布難免會有一定的差別，特別是為了方便，在類似枕梁這類較寬的樑上相對多地擺放了一些砂袋，會對測試結果造成一定的影響; 同時，因為試驗中所貼的大多是單向應變片，相當於使用了第一強度理論，而有限元計算中都是使用第四強度理論，因此在受力簡單的測試點，二者相差不大，但在受力複雜的點，可能會有一定的差別。測量應力時貼了近100 個應變片，本文只列出具有代表性的幾個點。
結合測點位置與測試數據可見，A、B、C、D 這4 個測試點都位於縱樑上，受力情況簡單，載入砂袋時對縱梁影響較小，因此縱樑上的計算結果與試驗結果一致性較好。而E、F 這2 個測試點位於枕梁的心盤附近，該處受力情況複雜，受載入砂袋影響較大，因此該處的計算結果與測試結果相差較大。垂向剛度試驗測得車架最大撓度為15. 27 mm，理論計算值為15. 38 mm，兩者相差非常小。
結論
通過計算和試驗，軌道除雪車車架的撓度和受力方面均滿足使用要求。計算結果與試驗結果比較接近，特別是大應力點的一致性較好，說明建模與邊界條件的處理是合理的，能夠得到比較準確的結果。另外，由於國內並沒有適用於大型養路機械的試驗標準，因此，計算與試驗中在受拉時採用了貨車標準，在受壓時採用了客車標準。大型養路機械不同於客車或貨車，它是一種精密的設備，在使用中均須掛於列尾，因此，其工況應該更好，可能不需要靠近貨車，甚至客車的標準，希望相關專家學者早日制定出適合於我國大型養路機械的一套試驗標準。
