1. 前言
在寒冷的冬季，铁路系统面临着严峻的钢轨覆冰问题，当气温骤降，空气中的水分凝结并附着在钢轨表面，随着时间的推移，这些冰层会逐渐增厚，对列车的安全运行构成严重威胁。钢轨覆冰不仅会增加列车行驶的阻力，降低运行效率，还可能导致制动距离延长，甚至引发脱轨等安全事故。因此，及时有效地清除钢轨上的冰层，对于保障铁路冬季运营安全具有重要意义[1]。
在钢轨覆冰研究方面，尽管近年来也取得了一定进展，但相较于接触网覆冰研究，其研究深度和广度仍有待加强[2] [3]。其中传统的人工除冰仍是最常用的方式，但效率较低[4]；热力除冰法虽然有效，但能耗高、操作复杂，且在大范围应用时效率较低[5]。化学除冰法则可能对环境造成污染，且长期使用会腐蚀钢轨材料[6]。相比之下，机械式除冰技术以其高效、环保的特点，逐渐成为研究热点[7]。机械式除冰技术在其他领域，如道路除雪、桥梁防冻等方面已得到广泛应用，然而，由于铁路系统的特殊性和复杂性，直接将现有技术应用于铁路钢轨除冰仍存在诸多困难。针对铁路钢轨覆冰的机械式除冰设备设计尚不完善，尤其是在关键参数优化和效能评估方面仍存在较大空白[8]。因此，开展针对性的研究，优化机械式铣削除冰法的关键参数，提升钢轨除冰效率，具有重要的现实意义和理论价值。
本文旨在优化机械式铣削除冰法的关键参数，提升钢轨除冰效率，通过深入分析现有除冰技术的局限性，结合铁路系统的实际需求，设计一种高效、环保的铁路轨道铣削除冰设备，并对其关键参数进行仿真优化。研究成果不仅将为铁路冬季运营安全提供有力保障，还将推动机械式除冰技术在铁路领域的应用和发展。
2. 机械式铣削除冰法
2.1. 铣削除冰的工作原理
机械式铣削除冰法主要利用铣刀的切削原理，通过高速旋转的铣刀对铁路钢轨表面的冰层进行铣削和破碎。这种方法适用于清除密度大、硬度高的冰膜状、冻结状冰雪，除净率较高。
Figure 1. Schematic diagram of the milling de-icing principle
图1. 铣削除冰原理示意图
在特定的气象环境下，空气中的过冷却水滴一旦与钢轨表面接触，便会迅速冻结，形成一层初始的覆冰。随着时间的推移，更多的水滴不断在这一薄冰层上累积并继续冻结，导致冰层逐渐增厚，铣削除冰原理见图1，用“d”来代表不断累积的冰层厚度。这层覆冰与钢轨表面紧密结合，形成了一个顽固且难以轻易去除的障碍物。若天气条件持续不变，覆冰的厚度将进一步增加，对铁路的安全运行构成严重威胁。在这种情况下，传统的软刷清扫方式已难以对冰层产生有效的清除效果。
为了应对这一挑战，引入铣削除冰技术，铣刀通过高速旋转，产生出强大的切削力，对冰层进行有力的破坏。图中所示的旋转速度“ω”是铣刀旋转速度的重要表征，它直接影响切削的效率和效果，成为除冰过程中的关键因素之一。在铣刀的持续作用下，覆冰被不断切削和破碎，最终实现了对钢轨上覆冰的有效清除。
在整个除冰过程中，铣刀不仅保持了高速旋转，还以一定的速度向前移动，确保了切削动作的连续性和高效性。切削速度用“V”来表示。为了应对不同覆冰附着力和冰层厚度的情况，铣刀与覆冰之间的倾斜角度“θ”可以进行灵活调节，调节范围在0˚~90˚之间，以达到最佳的切削效果。
Figure 2. Schematic cross-section of the cutting area in milling de-icing
图2. 铣削除冰切削区域截面示意图
同时，为了确保不对钢轨造成损伤，铣刀在作业时必须保持一定的安全距离，即铣刀的最低点必须高于钢轨的轨面。这就意味着图中所示的铣刀进入冰层的深度“h”必须小于冰层的厚度“d”，以确保在有效清除覆冰的同时，不会对钢轨的安全运行造成任何潜在威胁。
2.2. 铣削除冰的理论分析
当铣刀与覆冰之间的倾斜角度θ = 0˚时，铣刀与覆冰处于平行状态，只需要铣刀直径大于覆冰的宽度，铣刀即可对整个覆冰区域产生切削力影响。当θ增大后，铣刀对覆冰区域的影响面积逐步减小，到θ = 90˚时达到最小。
铣削除冰切削区域见图2，当θ = 90˚时，即铣刀与覆冰处于相对垂直状态时，铣刀对覆冰的影响范围L1最小。
(1)
式中，L1代表铣刀对覆冰的影响范围，D为铣刀直径，h为铣刀切削冰层的深度。为了避免铣刀对钢轨轨面的影响，切削冰层的深度始终要小于覆冰的厚度，因此，L1受到限制，覆冰区域受到影响的范围最小。
为了全面探究铣刀切削力对覆冰的影响，针对三种不同的角度状态，即θ = 0˚、θ = 45˚和θ = 90˚进行了详细分析。同时，通过调整切削速度“V”、切削冰层的深度“h”和铣刀旋转速度“ω”这几个参数，对铣削除冰过程进行多角度、全方位的深入分析。
3. 仿真建模
3.1. 有限元模型
在钢轨除冰作业中，鉴于冰与钢轨之间存在着显著的强度差异，在此假设钢轨为不可变形的刚体，而主要关注并分析覆冰的应力状态与失效情况[9]。
Figure 3. Finite element model for milling de-icing
图3. 铣削除冰有限元模型
铁路钢轨铣削除冰的有限元模型见图3，其中覆冰被设定为矩形结构，模拟了钢轨顶部被冰层均匀全面覆盖的情形。铣刀端面设计了多个刀刃，这些刀刃在铣刀旋转时能够施加巨大的切削力于冰层之上，从而实现对冰层的有效破坏。此外，铣刀与覆冰之间被设定为一定的倾斜角度“θ”，以增强切削效果。值得注意的是，该模型在设计中省略了被冰覆盖的钢轨部分，以简化分析。在构建模型时，采用了ANSYS软件进行网格划分，全部网格类型均为六面体网格，确保了模型的精确性。具体而言，网格的单元总数达到了91,532个，这为后续的仿真分析提供了坚实的基础。
3.2. 边界条件设置
1) 在LS-DYNA分析模块中，将铣刀材料选为常见的结构钢，刚度定义为刚体，对冰的材料属性进行重新定义，刚度定义为柔性体，材料参数见表1。
Table 1. Material parameters [10] [11]
表1. 材料参数[10] [11]
名称 |
结构钢 |
冰 |
弹性模量/Mpa |
2 × 105 |
5.2 × 103 |
泊松比 |
0.3 |
0.3 |
密度/(kg·m−3) |
7850 |
852 |
剪切强度/Mpa |
490 |
1.5 (0℃) 10 (−20℃) |
2) 对覆冰底部进行固定约束，对铣刀施加自转的固定角速度“ω”，同时对铣刀定义沿前进方向的切削速度“V”，使铣刀经过整个覆冰表面，对铣刀其他方向的旋转和位移进行远程约束。
3) 将几何体交互类型设置为摩擦，接触特性定义为侵蚀接触，约束公式采用罚函数。
3.3. 工况设定与参数变化
在铣削除冰仿真中，需要考虑多种因素，包括冰层厚度“d”、铣刀转速“ω”、铣刀倾斜角度“θ”、切削速度“V”以及切削冰层的深度“h”等，这些因素的定义及可能的取值范围见表2。
Table 2. Parameter setting
表2. 参数设定
名称 |
代表符号 |
参数范围 |
冰层厚度 |
d |
10 mm |
铣刀倾斜角度 |
θ |
0~90˚ |
切削速度 |
V |
0.4~1.6 m/s |
切削冰层的深度 |
h |
2~8 mm |
铣刀转速 |
ω |
1~5转/s |
4. 有限元结果分析
4.1. 铣刀倾斜角度的影响
由于铁路轨道铣削除冰一般针对较为顽固的覆冰，冰层相对较厚，因此设定冰层厚度为d = 10 mm，铣刀倾斜角度θ可在0˚~90˚范围内调整，选定0˚、45˚和90˚这三种工况进行分析，切削速度设置为0.8 m/s，切削冰层的深度设置为4 mm，铣刀转速设置为2转/s，取一段覆冰长度作为分析对象，得到的仿真结果如下。
Figure 4. Stress distribution cloud map of milling de-icing (θ = 45˚)
图4. 铣削除冰应力分布云图(θ = 45˚)
θ = 45˚铣削除冰应力分布见图4，当铣刀在自转的同时，自右向左穿越整个冰层时，由于其被视为一个刚性体，所受到的影响相较于冰层而言可忽略不计。因此，我们的主要关注点在于冰层的变化。若将铣刀隐藏不考虑，冰层底部与钢轨接触面上的应力分布见图5。
Figure 5. Stress distribution cloud map at the interface between the bottom of ice layer and railway track (θ = 45˚)
图5. 冰层底部与钢轨接触面应力分布云图(θ = 45˚)
铣削除冰的主要目标是将冰层从钢轨上剥离。在此过程中，铣刀主要作用于冰层的特定区域。具体而言，冰层四周由于受到较大的切削力影响，展现出了较高的应力值。相对而言，冰层底部某些区域所受的切削力影响较小，因此应力值也较低，其中最小的应力值达到了0.55 Mpa，这一数值低于冰在常温(如0℃)下的剪切强度。尽管如此，整个冰层所承受的平均应力值为6.4 Mpa，这一数值虽然远高于冰在0℃时的剪切强度，但仍然小于冰在−20℃被冻得更为坚固后的剪切强度。
冰层内部的应力分布情况见图6，在铣削作业过程中，铣刀采用45˚的倾斜角度，以2转/秒的自转速度和0.8米/秒的平移速度对冰层实施铣削。铣削完成后，冰层内部仍有部分单元应力值保持在1.5 Mpa以下，显示这些区域受到的切削影响较小，意味着预期的切削效果未能完全实现。
Figure 6. Isosurface distribution cloud map inside the ice layer (θ = 45˚)
图6. 冰层内部等值面分布云图(θ = 45˚)
Figure 7. Influence curve of inclination angle on milling stress
图7. 倾角对铣削应力的影响曲线
在保持其他参数不变的情况下，仅调整铣刀的倾斜角度“θ”，倾角对铣削应力的影响见图7，随着θ的增大，冰层所承受的平均应力值和最小应力值均呈现显著的下降趋势。这一现象的原因在于，当倾斜角度θ增加时，在其余条件恒定的情况下，铣刀对冰层的作用范围L1逐渐缩小。特别地，当θ = 90˚时，这一作用范围达到最小，此时铣刀对冰层施加的铣削力影响也最为微弱，因此应力值达到最低，切削效果也随之减弱。仿真分析的结果与理论预期相吻合。针对厚度较大且强度较高的冰层，建议减小倾斜角度θ以提高切削效率；相反，对于较薄或结构较为松散的冰层，则可以选择较大的倾斜角度进行作业。
4.2. 铣刀切削深度的影响
通过上述分析，为了保持较大的切削力，取θ = 0˚，其他参数仍然不变，仅改变切削冰层的深度“h”，得到的仿真结果见图8。
Figure 8. Safety factor distribution cloud map of ice layer (h = 8 mm)
图8. 冰层安全系数分布云图(h = 8 mm)
当切削深度设定为8 mm时，冰层整体的安全系数平均值达到0.4 (小于1即为失效)，显示出切削力对冰层造成了广泛影响。仅冰层中间存在极少数单元的安全系数超过1。然而，这并不意味着这些少数单元能够保持完整，因为它们的周围单元已因切削力而破坏失效。换言之，尽管有部分单元未达到直接被破坏的数值标准，但整个冰层在整体上已经因为相邻单元的破坏而失去完整性。这一结果表明，采用此切削深度进行除冰的效果非常显著。
Figure 9. Influence curve of cutting depth on milling stress
图9. 切削深度对铣削应力的影响曲线
切削深度对铣削应力的影响见图9，随着切削深度的增大，冰层所受的最小应力值和平均应力值均呈现上升趋势。这意味着切削深度越深，冰层所承受的切削力就越大，进而切削效果也更为显著，这与我们的常规认知相符合。然而，与此同时，切削深度的增加还会导致铣刀与钢轨轨面之间的距离逐渐缩小。因此，为了保障钢轨的安全使用，我们不能无限制地增加切削深度。相反，应根据冰层的实际情况，选择适宜的切削深度以确保作业的安全与效率。
4.3. 切削速度的影响
由于铣刀的刀刃通过自身旋转产生切削力来切削冰层，在铣刀旋转速度不变的情况下，铣刀往前进方向的切削速度也会对切削效果产生影响。
Figure 10. Influence curve of cutting speed on milling stress
图10. 切削速度对铣削应力的影响曲线
切削速度对铣削应力的影响见图10，在θ = 0˚，冰层厚度h = 4 mm的条件下，其他参数维持不变，仅调整铣刀的切削速度(也即除冰速度)时，观察到随着切削速度的提升，冰层所承受的切削应力显著下降。因此，在铣刀旋转速度恒定的情况下，切削速度不宜设置得过高，以确保获得理想的切削效果。
4.4. 铣刀转速的影响
铣刀转速“ω”是铣削除冰一个非常重要的参数，保持θ = 0˚，h = 4 mm，V = 0.8 m/s，其他条件均保持不变，仅改变铣刀转速，其结果见图11。
Figure 11. Influence curve of milling cutter rotational speed on milling stress
图11. 铣刀转速对铣削应力的影响曲线
当铣刀转速超过2转/s后，随着转速的进一步提升，冰层所承受的铣削应力增加变得不再明显。这意味着，一旦铣刀转速达到2转/s以上，冰层已被有效破坏，在此基础上继续增加转速，并不会带来更为积极的效果。因此，没有必要将铣刀转速设置得过高。
5. 实验研究
5.1. 样机设计
根据以上仿真分析结果，对样机进行了设计，铣刀结构见图12，坚固的铣刀刀刃可以有效去除比较坚固的冰层，针对冰层较薄或冰层被铣削破坏后的残余碎冰，在铣刀四周设置软刷进行处理，这种软硬结合的方式更有利于处理不同厚度和不同硬度的冰层。
5.2. 实验
在实验室搭建了一个模拟的实验环境，见图13，其中包括了一条铺设好的实验轨道，实验轨道的长度和宽度均根据真实轨道的标准进行设定，以确保测试结果的准确性。同时，还设置了必要的监测设备，
Figure 12. Schematic diagram of milling cutter structure
图12. 铣刀结构示意图
Figure 13. Experimental test track
图13. 实验测试轨道
Figure 14. Railway track milling de-icing experiment
图14. 铁路轨道铣削除冰实验
用于记录和分析测试过程中的各项数据。
采用冰箱和液氮等制冷设备对实验轨道进行冰冻处理。通过精确控制制冷设备的运行时间和温度，成功地在实验轨道上形成了不同厚度和硬度的冰层，以模拟户外可能出现的各种冰雪情况。
铁路轨道铣削除冰实验见图14，在模拟的低温环境中，铣削式除冰装置展现出了卓越的除冰能力。无论是在薄冰层还是较厚的冰层上，除冰装置都能迅速而有效地清除冰雪。除冰过程中，除冰装置与钢轨的接触面积和夹角角度得到了精确的控制，确保了除冰效果的同时，最大限度地减少了对钢轨表面的损伤。测试结果显示，除冰后的钢轨表面平整光滑，无明显的划痕或损伤。
6. 结论
本研究针对铁路钢轨覆冰问题，优化了机械式铣削除冰法的关键参数。通过理论分析明确了铣刀倾斜角度、切削深度、切削速度和铣刀转速等参数对除冰效果的影响。利用ANSYS有限元仿真深入分析了冰层应力状态，并通过实验验证了仿真结果的准确性。研究发现，适当改变铣刀倾斜角度和切削深度能提高除冰效率，但需权衡以避免钢轨损伤；切削速度和铣刀转速也需合理控制。本研究为铁路冬季运营安全提供了技术支持，推动了机械式除冰技术的发展。
NOTES
*第一作者。