近年来,随着我国高速铁路的快速发展,铁路线路里程的不断增加,一些地区的风沙灾害严重威胁了铁路线路的运营安全。铁路轨道除沙车作为清除风沙地区轨道积沙的铁路养护设备,它设计的好坏直接影响除沙车的除沙效率与寿命。本文以轨道除沙车的除沙装置和沙子为主要研究对象,对除沙装置进行了离散元分析、结构静力学分析、疲劳寿命分析和结构优化设计等方面的研究,具体包括以下研究工作:(1)将研究颗粒离散体物料分析的离散单元法引用到轨道除沙车的研究中。介绍了轨道除沙车的结构原理,建立了除沙装置的三维模型。通过虚拟标定的方法得到了沙粒的模型参数,建立了沙粒与除沙装置的离散元仿真模型,模拟了沙子在除沙车内集沙、排沙、抛沙的运动过程。(2)利用EDEM软件对不同工况下除沙装置的除沙过程进行离散元仿真分析。得到了集沙铲转速在100 r/min时除沙能力达到最佳,抛沙扇转速在250 r/min时满足最近抛沙距离设计指标。并分析了沙粒大小与除沙车行进速度等因素对除沙装置的除沙效率、受力及扭矩特性的影响。(3)运用EDEM与ANSYS Workbench耦合的方法,将离散元仿真数据导入到ANSYS Workbech中,对除沙装置关键部件的瞬态受力情况进行了静力学分析,得到了集沙铲和抛沙扇的应力及变形云图。运用nCode Design-Life疲劳分析软件分析了集沙铲和抛沙扇的疲劳寿命情况。验证了集沙铲和抛沙扇满足静力学性能要求,达到可靠性寿命设计要求。(4)利用ANSYS Workbech中Design Explorer模块对集沙铲进行了结构优化设计。在满足静力学性能的要求下,优化后集沙铲质量减小21.5 kg,较优化前质量降低18.9%。针对除沙车仿真时沙粒回流的现象,利用EDEM对除沙装置机架进行优化改进。优化后除沙效率增加30 kg/s,较优化前除沙效率提升27%,优化后沙粒能量较优化前减小40%,从而减小了沙粒对机架的冲击与能量损耗,提高了除沙效率。