更新时间：2024-06-26 22:06
除雪车是用于扫除钢轨内外侧积雪的车辆，除雪车由机车推送后借助前端的犁铧除雪器，将积雪推向线路一侧或两侧，车辆的侧面还装有可张开的翼板，以增大除雪面。此外，还有转轮式除雪车，它的前端装有与线路中心线相垂直的转轮，通过车上的动力驱动转轮时，轮上的叶片将积雪刮起抛出线路以外。
在我国北方冬季普遍降雪,特别是一些高寒地区,降雪期长达5～6 个月。积雪给道路、机场及人们出行带来极大的灾害,甚至造成交通中断,屡屡发生事故。为此在我国北方,冬季除雪是机场、公路等交通运输管理部门,甚至是政府部门一项重要的工作任务。
从国内外来看,除雪的方式很多,如:机械除雪、融雪除雪、综合式除雪等。顾名思义,机械除雪是通过机械设备清除积雪的方法; 融雪除雪是利用热能或撒布化学药剂而使积雪融化的一种方法; 综合式除雪是机械除雪与融雪除雪相结合的一种除雪方法。这三种除雪方法各有其特点,机械除雪应用最为广泛,其原因是其除雪效率高、成本低、无污染,但对结冰路面及低等级路面除雪效果差。主要适用于机场、高速公路及主要街路除雪。融雪除雪方法成本高, 对环境及路面易造成污染和腐蚀, 一般应用较少。主要用于结冰路面及坡路等局部除雪。由此可见,扩大机械除雪、研制和推广使用除雪车是除雪的主要方向。
除雪车在国外已有很多厂家生产, 如: 瑞士的MARCEL BOSCHUNG 公司和美国的S&S 公司;德国的VOLKSWAGEN 公司和DAIMLER- BE 公司;英国的SCHMIDT 公司等。这些除雪车虽然有的在我国也有所应用, 但这些除雪车结构复杂、售价高、使用、维修成本大, 推广和普及困难。为此, 开发适合国情的除雪车就显得十分必要。
借鉴国外除雪车的先进技术, 结合国情设计多功能除雪车, 主要用于机场和高等级公路上, 在道路平坦、无结冰条件下使用。在设计原则上是实现高效、低成本、多功能。除雪时, 前除雪铲、中间除雪辊、后部除雪辊及抛雪机构同时工作。前除雪铲可倾斜一定角度, 将较厚积雪推起并沿倾角滑向除雪车一侧, 中间除雪辊可将前除雪铲遗漏下的和压实的积雪搅起,靠制成螺旋形状的辊的叶片将雪传递到除雪车一侧(与前推雪铲同侧) 。后部除雪辊上安装多排用钢丝或耐磨塑料制成的毛刷将所剩少量积雪扫起, 然后在抛雪机构吸力的作用下吸入吸雪口,经通风机抛雪筒 ,将雪抛向除雪车的一侧或直接抛向运雪车。除雪铲采用钢板压成弧形铲面, 耐磨铲刃可随时更换。前铲倾角可通过前铲调节机构调节大小及倾斜方向, 实现平推积雪或将积雪推向车的左侧或右侧。同时, 前铲设有缓冲装置, 防止遇到障碍损坏。中间和后部除雪辊由液压马达驱动旋转,在辊的重力及弹簧力(可调)作用下工作,抛雪机构由汽车发动机驱动(安装在汽车底盘上)。在除雪筒内设置安全剪切销, 可实现安全保护作用。整台除雪车采用机械→电器→液压联合控制, 通过液压缸的作用, 可实现在非除雪状态时, 将前铲、中间及后部除雪辊 、抛雪机构的吸入口等上升到一定高度, 以便除雪车在其它道路上行驶。
将上述确定的参数和系数代入相应的公式中,并注意相关参数的取值, 尽可能使其结果最大, 即可于3m/s;试验用的某125 型摩托车各种参数符合试验要求; 试验车速为30,40,45,50,55,65,70km/h。改进前、后车速为65km/h 时的座位处合成加速度均方根。求得除雪车总的牵引功率PZ=155kW 和抛雪装置总的功率PL=60kW,因此,所选的除雪车的功率应大于155kW;另配一台发动机,其功率应大于60kW,安装于汽车底盘上,用于驱动除雪辊转动和给抛雪机构抛雪提供动力来源。
通过以上分析计算可以看出, 本除雪车集前推雪铲推雪、中间除雪辊搅雪、后部除雪辊扫雪及抛雪机构抛雪多种功能于一体。在功能设计上具有先进性与综合性, 在除雪辊的作用下能将压实到一定程度的积雪( 非冰状态) 清除掉, 除雪效率高、除雪彻准确地反映了发动机激励。改进后的手把和座位处的综合振级减小, 整车的振动舒适性得到提高。
轨道除雪车是根据原铁道部科技研究开发计划：铁路防灾减灾技术深化研究－铁路线路除雪专用装备与技术研究 要求进行研制，主要针对高速铁路轨道板上表面至轨面以上250mm 的积雪进行清除作业的专用除雪装备,非除雪工况也可以作为牵引车使用。
轨道除雪车作为高铁专用除雪装备，除雪作业工况的环境温度一般在-35 -0 之间。作为保障型除雪作业时，除雪作业时间一般在凌晨1 点至6 点之间，不作业时单机高速自行离开作业区段，停靠于站线或专用线待命；作为抢险型除雪作业时，作业时间根据现场情况确定，需要作业时一般从停靠地点单机自行进入作业区段进行除雪作业，作业任务结束后根据调度命令自行离开作业区段。
根据轨道除雪车的作业特点和运行安全可靠性要求，动力系统的配置至少需要满足以下三点要求：轨道除雪车必须具备双动力系统，以确保在单机自运行过程中任意一套动力系统出现故障时，另一套动力系统能够确保轨道除雪车高速自行离开作业区段。轨道除雪车动力系统必须具备良好的低温冷启动性能，特别是外部无法提供交流电源的情况下也能在-35 的低温条件下顺利启动。轨道除雪车的动力系统需要在主发动机熄火的情况下，提供持续电源以满足操作人员的保暖、检修、照明等需求。轨道除雪车动力系统主要包括：2 台额定功率为500kW 柴油发动机、1 台额定功率为30kVA 的柴油发电机组、以及满足安装、启动等需求的相关部件。
2.1 影响轨道除雪车动力系统低温启动性能的主要因素
轨道除雪车作业环境最低的温度要求为-35 ， 非作业状态柴油发动机和发电机组一般处于停机状态且停机时间无法确定。 停靠于站线和备用线，无法保证启动前有外接电源可以提供。 综合以上情况，影响轨道除雪车低温冷启动性能的主要因素包括以下几个方面：吸气温度及气缸内环境温度过低 （可能达到-35 ），导致压缩终点温度下降，着火性能差，滞燃期较长，导致冷启动性能不好； 随着环境温度的减低，发动机润滑油粘度增大，流动性变差，增加了曲轴的旋转阻力，使发动机的启动性能下降。随着环境温度的下降，启动蓄电池的容量和端电压均下降，必然导致发动机的启动力矩减小，从而直接影响发动机的启动性能。由于发动机输出端与分动箱和液压泵相连，随着环境温度的下降，液压油粘度增加，驱动泵的启动阻力增加，导致发动机启动阻力也随之增加，发动机启动性能下降。
2.2 提高动力系统低温启动性能的措施
提高动力系统低温冷启动性能的措施主要包括如下几个方面：柴油、防冻液、柴机油必须选择适应低温环境需求的型号，环境温度低于-30 时，柴油选择-50柴油，防冻液选择FD-2 型长效防冻液，柴机油选用SAE0W/40 型CG 以上级润滑油。发动机配置低温冷启动系统，此系统可以根据外界温度的变化自动对进气预热，预热过程中预热等常亮，待预热完成后预热灯熄灭，发动机即可启动，增加此套系统可以确保发动机在环境温度高于-32时顺利启动。柴油发电机组采用了交/直流水套水加热系统， 当外界可以提供 220V 交流电时，通过外界电源对柴油发电机组的防冻液进行加热，待防冻液温度高于加热指示发送信号，启动柴油发电机组。当外界无法提供 220V 交流电源时，通过除雪车自带电瓶(为两台发动机配置的启动电瓶)通过逆变器为柴油发电机组的防冻液进行加热 ，待加热指示灯发送信号后启动柴油发电机组。 一旦柴油发电机组启动以
GCX-1000 型轨道除雪车是昆明中铁大型养路机械集团有限公司最新研制的专用于高速铁路除雪的大型养路机械，本文运用有限元软件ANSYS 对轨道除雪车车架的强度、刚度进行计算分析，并进行了车架静强度试验，将二者结果进行对比分析，为该车架的设计提供了理论与试验依据，同时对其他车架设计也有具有一定的借鉴意义。
轨道除雪车的车架心盘距为16500 mm，车架长23000 mm，由于作业温度较低，材料选用Q345D。车架由大量矩形管焊接而成，中间部分为了设置滚刷式扫雪机，需要拱起一段，该拱长4000 mm，高1800 mm。为了加强车架的刚度和强度，在垂向上增加了一些辅助结构，用以抵抗车架的垂向变形。由于大型养路机械不同于客车或货车，目前其静强度试验没有适用的标准，因此计算中各参数的取值参考TB / T1335—1996《铁道车辆强度设计及鉴定规范》，在模拟纵向试验时，所取参数与铁科院的试验数据保持一致，即拉伸力取1125 kN，压缩力取1180 kN。
目前运用有限元软件计算分析车架的强度、刚度，最常见的有两种建模方法: 一是在三维软件中画出实体模型，然后导入有限元分析软件划分实体使用带有节点偏置功能的壳单元建模，如果遇到需要改变板厚的情况，只需更改实常数或者截面数据即可，适应性强，非常适用于设计阶段。本文使用SHELL181 号单元建立车架模型。
根据TB / T 1335—1996《铁道车辆强度设计及鉴定规范》，最主要的测试试验为垂向刚度试验和纵向拉伸、压缩试验。除雪车的车架在实际使用中约80% 的重量是由心盘承受的，在试验中所有重量都由心盘承受，其心盘处为球铰支撑。以车架的长度方向为X 向，宽度方向为Y 向，高度方向为Z 向。因为壳单元有2 个旋转自由度(ROTZ 旋转自由度是虚自由度)，所以可以在心盘处的中心节点直接约束UY、UZ、ROTX，为了避免刚体位移，在其中一个心盘处的中心节点约束UX，两个心盘处都释放ROTY。由于心盘处为球形铰接，在铰接区域范围以内，车架上对应的位置实际上是不受力或受力极小的，因此可以将此区域处理为刚性区域，以避免只约束一个节点带来的应力集中问题。
由于除雪车车架承载的机构不对称，所以，建立1 /4 模型后直接扩展为整个车架的模型。忽略一些小的细节，如小孔，螺栓孔等，200 kg 以上的装置均在其重心位置建立MASS21 质量单元进行模拟，用约束方程连接在车架的相应位置上。
纵向拉伸工况
由于大型养路机械禁止过驼峰溜放，并且相比于压缩工况，拉伸工况更为恶劣，所以，只给出第一工况的纵向拉伸工况说明问题，省略了纵向压缩工况。计算得动载荷系数Kdy= 0. 203。因此，垂向总载荷为: (1 + 0. 203 + 0. 1)× 垂向静载荷，其中0. 1 为标准中规定的加载10% 的垂向静载荷用以考虑车体受到的侧向力。因此，拉伸工况中承受的载荷为1 125 kN 的纵向拉伸力+ 1. 303 倍的垂向静载荷，其纵向拉力沿车钩中心线作用于车架两端的前从板座上。
车架上的应力分布比较均匀，说明各梁的利用程度比较充分，同时，最大应力值为204 MPa，满足标准中Q345D 材料的许用应力低于216 MPa 的要求。应力较大的区域主要集中在中间拱的部分和心盘附近，中间拱的部分应力较大，是因为此段承受了较大的弯矩，并且此处悬挂了超过7 t 的工作装置;心盘附近的应力较大，是因为此处是约束支撑的位置。计算结果表明，该工况下的车架满足使用要求。压缩工况的计算结果表明，压缩工况下车架同样满足使用要求。
试验按照TB / T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》 并参照 TB / T 2451—1995《内燃、电力机车车体静强度试验方法》 完成。其中垂向加载用铁砂袋及铁块模拟车上各机构的重量，小袋为25 kg，大袋根据实际情况有300、500、1 000、1 500、2 000 kg 不等。纵向加载使用液压泵站、双向作用油缸拉伸及压缩车架，通过传感器读取纵向力的数值。顶车试验、扭转试验、修理工况、起吊工况等均使用架车机提升车架。
在车架相应位置上粘贴一定数量的应变片，采集数据后换算成应力，即可得到相应位置的应力数据。测试点的位置需根据经验及有限元计算结果而定。
由于垂向采用的是人工加载砂袋的方式，因此试验与实际车上的重量分布难免会有一定的差别，特别是为了方便，在类似枕梁这类较宽的梁上相对多地摆放了一些砂袋，会对测试结果造成一定的影响; 同时，因为试验中所贴的大多是单向应变片，相当于使用了第一强度理论，而有限元计算中都是使用第四强度理论，因此在受力简单的测试点，二者相差不大，但在受力复杂的点，可能会有一定的差别。测量应力时贴了近100 个应变片，本文只列出具有代表性的几个点。
结合测点位置与测试数据可见，A、B、C、D 这4 个测试点都位于纵梁上，受力情况简单，加载砂袋时对纵梁影响较小，因此纵梁上的计算结果与试验结果一致性较好。而E、F 这2 个测试点位于枕梁的心盘附近，该处受力情况复杂，受加载砂袋影响较大，因此该处的计算结果与测试结果相差较大。垂向刚度试验测得车架最大挠度为15. 27 mm，理论计算值为15. 38 mm，两者相差非常小。
通过计算和试验，轨道除雪车车架的挠度和受力方面均满足使用要求。计算结果与试验结果比较接近，特别是大应力点的一致性较好，说明建模与边界条件的处理是合理的，能够得到比较准确的结果。另外，由于国内并没有适用于大型养路机械的试验标准，因此，计算与试验中在受拉时采用了货车标准，在受压时采用了客车标准。大型养路机械不同于客车或货车，它是一种精密的设备，在使用中均须挂于列尾，因此，其工况应该更好，可能不需要靠近货车，甚至客车的标准，希望相关专家学者早日制定出适合于我国大型养路机械的一套试验标准。