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。

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。

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。

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。

$\text{L}1=2\times \left[\frac{D^2}{4}-{\left(\frac{D}{2}-h\right)}^2\right]$ (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。

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] 。

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。

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 。

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。

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 。

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。

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 。

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。

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。

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 。

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。

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。

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。

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。

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 。

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。

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。

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，

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。