吴帅1 朱帆2 陶帅3 曹学峰4
1 石家庄铁道大学 机械工程学院 河北 石家庄 050013；2 石家庄铁道大学 信息科学与技术学院 河北 石家庄 050013； 3 石家庄铁道大学 机械工程学院 河北 石家庄 050013； 4 石家庄铁道大学 工程训练中心 河北 石家庄 050013
摘要：本文针对严重影响铁路行车安全的沙害，设计了一款斗轮式铁路轨道除沙机构。通过机构自带的集沙机构将轨道上的沙子沿运动路径收集到集沙铲斗中，再通过旋转集沙铲斗将沙土倾倒入传输带上面，高速旋转的输送带利用摩擦力与惯性力将沙子抛出，以达到快速高效清理铁路轨道上堆积的沙土。
关键词：除沙；斗轮；传输带；铁路；轨道
The design of tilting bucket lifting mechanism
Wu Shuai1 Zhu Fan2 Tao Shuai3 Cao Xuefeng4
(1 School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050013, China;
2 College of Information Science and Technology, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050013, China;
3 School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050013, China;
4 Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050013, China)
Abstract: In view of the sand damage which seriously affects the railway traffic safety, this paper designs a bucket wheel type railway track sand removal mechanism.The sand collecting mechanism of the mechanism is used to collect the sand on the track into the sand collecting bucket along the moving path, and then the sand is dumped into the transmission belt through the rotating sand collecting bucket. The high-speed rotating conveyor belt uses the friction force and inertial force to throw the sand out, so as to quickly and efficiently clean up the sand accumulated on the railway track.
Key words: Sand removal; Bucket wheel; Conveyor belt; Micrometeorology
一、引言
铁路运输作为陆上两个基本运输方式之一，在国民经济建设中发挥着不可替代的作用。它不仅装载量大、成本低，而且它几乎可以承运任何商品不受重量和容积的限制，而这些都是公路和航空运输方式所不能比拟的。截止到2020年底，我国铁路营业总里程将达到14.6万公里，覆盖大约99%的20万人口及以上的城市。在我国风沙严重的西北、西北及内蒙等地区，风沙严重影响到铁路行车安全。例如，兰新铁路自1956年通车至今，每年因风沙掩盖铁路轨道中断行车累计 200 小时以上[1]。目前铁路轨道除沙主要依靠人工使用铁锹进行除沙，工作环境恶劣、劳动强度大、作业效率低、成本高，针对这一现实问题，研究设计了一种快速铁路轨道除沙装置。
二、总体构造
除沙装置由斗轮机构、推沙机构、行走机构、动力和控制系统组成。如图1所示。其中斗轮机构和推沙机构实现铁路轨道的集沙、运沙、抛沙、推沙功能。
图1 除沙车整体构造
三、主要结构
1、斗轮机构
图2 斗轮机构
斗轮机构为除沙装置的核心组成部分，如图2所示，其主要由集沙、抛沙两部分构成。
1.1、集沙部分
集沙部分的工作原理是六个完全相同的集沙铲斗阵列在一个滚轮上，通过液压马达带动小齿轮驱动滚轮转动，六个集沙铲斗伴随着装置沿轨道向前行进和旋转实现将沙土堆进集沙铲斗，通过连接的滚轮带动其将沙子运送到抛沙机构的输送带上，输送带在液压马达的驱动下高速旋转把输送带上的沙土抛出。
集沙铲斗为仿制的挖掘机的铲斗形状，具有合理的流线型轮廓设计以及斗齿前部形状的优化设计，用以减少切入阻力和挖掘阻力。在斗的边缘加了斗牙，方便铲土，并进行了尺寸的改进；加大了斗深，以便于盛沙，减小了斗的壁厚，以便于更好铲土。经检验，铲斗的此类合理设计，可以较普通铲斗提高平均寿命30%左右[2]。
1.2、抛沙部分
图3 输送带
抛沙部分主要为斗轮机构内部的输送带，通过上述两个机构和进行环节，沙子被收集、运送到履带上，传输带由电机控制，通过高速运转，将表面的沙土进行扬除，如图3所示。传输带表面突起，可以实现更好扬沙。并且，传输带转速与翻斗转速的相互配合，翻斗转速高时，传输带转速也应提高。
2、推沙机构
图4 推沙机构
推沙机构设置在斗轮机构底部两侧，并下沉至距铁路轨面以下8cm，外型为向外撇开20度的两个内凹挡板。当除沙装置前进工作时，推沙机构把堆积在道轨两侧的沙土推离到铁路路基以外，从而清理出机车通行的轨道。
四、出沙装置斗轮转速的设计
除沙装置工作过程中的斗轮转速是提升除沙效率的有效手段，转速设计太高，容易空载，效率低，转速效率太低，容易沙土堆积。现在对除沙装置斗轮转速进行设计。
1、斗轮转速
根据机构设计可知通过小齿轮与大齿轮啮合进行减速传动（单级传动），再通过大齿轮与铲斗的螺栓连接进行传动。设小齿轮齿数i1,大齿轮齿数i2，模数均为m，齿数为z，小齿轮转速n1，大齿轮上圆孔到圆心的距离为d1/2。
2、推进功率
推进时电动机的牵引力需要大于各种阻力，其中阻力包括：
以及翻斗的推进阻力：
，此为经验公式，A包括修正系数，摩擦角以及材料的密度等有关。
3.传输带输送功率
除沙车在风沙地区进行除沙作业时对抛沙距离有一定的设计指标。影响抛沙距离的因素主要是传输带转速的大小，如果传输带转速较小，沙子将不能抛到满足列车通行的安全距离之外。因此，履带的输送功率需结合翻斗的转速进行配置，当翻斗转速n2较大时，履带输送功率P也需要相应提高。
三个机构的转速、功率的计算为选择合适的电动机提供了很好的帮助。所选择电动机一般为液压传动，可实现无级调速，调速范围较广。液压机械传动方式能有机结合液压和机械两种传动方式的优点，弥补机械、液力机械和液压三种传动方式存在的不足，相对于目前我国平地机主机及部件加工制造水平而言，是较为理想的传动方式[4]。
五、仿真模拟与结果分析
1、传输带转速
根据设计指标要求除沙车抛沙距离不少于4 m，设置传输带转速为3 r/s、 4 r/s、5 r/s 3组模型进行对比研究来分析抛沙轨迹及距离情况，模型设置地面边界长度为7 m 来直观分析抛沙距离的远近，3组模型中除沙车稳定工作状态下3 s时抛沙轨迹效果，如图5所示[5]。
（a）3 r/s （b）4 r/s (c) 5 r/s
图5不同传输带转速下抛沙轨迹图
由图5可知，通过仿真结果在忽略空气阻力等额外影响下，传输带速度增大，抛沙距离提高，但集中性下降，因此，除沙车进行现场除沙作业时，传输带转速至少为4 r/s时才能满足设计要求，转速为5 r/s时集中性太差，传输带转速在4 r/s附近时既满足抛沙设计指标又满足集中性要求。
2、斗轮转速
为保障除沙动作连贯性，斗轮转速需要正比于传输带转速，设二者相同均为4r/s，绘得控制斗轮的大齿轮线速度与其半径关系如图6所示，当斗轮转速越快时，其所受阻力和所需动力越大，经实际测试得知，选择大齿轮直径为1.2m时，转速约为15m/s，此时效果较好。
图6 斗轮大齿轮转速与半径关系
六、结论
图7斗轮式除沙装置实物
通过仿真数据制成的斗轮式除沙装置如图7所示，经实际检验，该除沙装置的设计地满足了铁路轨道除沙需要，不仅操作简单而且可以通过液压系统的调节控制，实现不同的工况，合理地选择铲斗旋转速度、输送带速度以及行走装置的行进速度。该装置的设计很好地解决了轨道除沙难题，对铁路养护由手工操作逐步发展到机械化自动化有着重要意义。
参考文献
[1]李建军.基于虚拟样机的铁路除沙机械设计几关键技术研究[D].内蒙古:内蒙古工业大学,2010.
[2]郝万军.大型矿用挖掘机设计关键技术研究[D].吉林:吉林大学,2014.
[3]孟博文,贾伟健.一种履带排水车设计方案研究与动力学仿真[J].山东工业技术 2020,(04):98-102.
[4]石浩.大型波状挡边带式输送机系统动力学特性及驱动装置研究[D].山东:山东科技大学,2018.
[5]郑明军,胡庆江,吴文江.铁路轨道除沙车除沙装置的离散元仿真分析与试验[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版).?2019,32(04):32-39.