有砟鐵路搗固密實的數值模擬研究*

周陶勇，胡　斌

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215)

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有砟鐵路搗固密實的數值模擬研究*

周陶勇1，胡斌2

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215)

有砟鐵路搗固作業的目的是提高道床的密實度，由于傳統的灌水法檢測道床密實度會對道床造成不必要的擾動，而采用γ射線法進行檢測，又有放射性危害，這就給搗固效果的評價帶來了一定困難。為了研究搗固過程中道床密實特性，運用離散元的分析方法，創建了有砟鐵路搗固作業的離散元分析模型，計算分析了搗固作業過程中搗固區域道床密實度的變化規律以及搗鎬的振動頻率對搗固效果的影響。分析表明，搗固作業過程中搗固區域的道床密實度在夾持階段最高，搗固結束后有所下降，但是比搗固前還是有所提高；搗鎬的振動頻率為35～40 Hz時，搗固效果較好。

有砟鐵路；搗固作業；道床密實度；離散元

搗固作業是有砟鐵路線路養護維修過程中一項非常重要的工序，對提高道床的密實度、增強軌道的穩定性和保證列車運行的安全發揮著重要的作用[1-2]。為了評價搗固作業的效果，應對道床密實度進行檢測，然而傳統的灌水法檢測道床密實度需要在檢測區域檢出道砟， 這樣就不可避免地對道床造成擾動。也可采用γ射線法檢測道床密實度，由于γ射線具有放射性，對檢測人員和周圍環境可能會造成危害，這就給搗固效果的評價和搗固參數的選取帶來了一定的困難。

近年來，隨著離散元分析方法的快速發展[3-6]，在有砟鐵路搗固作業過程中，道床密實特性的研究展現了一種全新的研究思路。本文運用離散元的分析方法創建有砟鐵路搗固作業的離散元分析模型，計算分析搗固區域道床密實度的變化規律，并探討搗固參數對搗固作業效果的影響，為搗固參數的選取提供參考。

1　搗固作業的離散元分析模型

有砟鐵路搗固作業是由搗固裝置中搗鎬按照一定的搗固參數對有砟道床進行搗固，在整個搗固過程中，有砟道床除了受到來自軌枕的作用和約束之外，主要是受搗鎬對道砟的激振和夾持作用。搗固裝置中其他零部件主要是為搗鎬的運動提供動力和起支承作用，其相關的力學參數在數值模擬時可以直接通過搗鎬進行設置。

在創建搗固作業的離散元分析模型時，為了提高計算效率，可以只考慮道砟的顆粒形狀模型和接觸力學模型、軌枕和搗鎬的幾何模型以及搗鎬的力學模型等。下述運用離散元的分析方法，分別探討這些模型的創建方法。

1.1道砟的顆粒形狀模型

目前，三維離散元軟件中創建形狀不規則顆粒的方式主要有2種，分別是球體組合和球體疊加[7-8]。本文通過球體疊加的方式創建了3種形狀大小各不相同的顆粒族模型，來模擬道砟的真實模型(見圖1)。

圖1　道砟的顆粒形狀模型

1.2道砟的接觸力學模型

道砟的接觸力學模型如圖2所示。道砟顆粒之間不承受拉力作用，主要承受由于接觸產生的法向壓力和切向剪力，其中法向壓力由法向彈簧剛度系數和法向阻尼系數確定，切向剪力則是由切向彈簧剛度系數和切向阻尼系數以及摩擦因數共同確定。本文彈簧剛度系數設置為108N/m，阻尼系數設置為0.7 Ns/m，摩擦因數設置為0.5。

圖2　道砟的接觸力學模型

1.3軌枕和搗鎬的幾何模型

在離散元分析模型中，除了顆粒以外的幾何體，都可以在離散元軟件中直接創建；或者可以在其他CAD軟件中創建，然后再導入到離散元軟件中[9]。本文中的軌枕和搗鎬，采用在離散元軟件中直接創建。實際搗固作業，通常是對軌枕兩端同時進行，可以是單枕，也可以是雙枕，還可以是三枕，甚至是四枕。為了研究方便，本文考慮單端單枕搗固，這是由于軌枕兩端是完全對稱的，可以只考慮單端。其中軌枕部分，除了被搗固區域的軌枕外，還要考慮相鄰軌枕對搗固區域的影響，因此，創建3根軌枕；而搗鎬部分，按照單端單枕搗固考慮，是由2對搗鎬組成。

1.4搗鎬的力學模型

在搗固作業過程中，搗鎬是按照一定的搗固參數進行工作的，因此，在離散元軟件中需要按照一定的搗固參數對搗鎬的動力特性進行設置。在搗固作業過程中，首先是搗鎬插入道床，接著夾持道砟并保持一段時間，然后松開并提起。在整個搗固作業過程中，搗鎬始終保持一定頻率和振幅的振動。

創建的有砟鐵路搗固作業的離散元分析模型如圖3所示。

圖3　搗固作業的仿真模型

2　仿真分析

搗固作業的目的是提高道床的密實程度，道床的密實程度可以用道床密實度來表示。對于搗固區域來說，道床密實度可以定義為搗固區域內道砟顆粒體積所占搗固區域道床體積的百分比，這個百分比可以在仿真過程中進行計算并提取出來。

2.1搗固區域的道床密實度

在搗固作業離散元仿真分析過程中，為了計算道床密實度，需要確定搗固區域的邊界。本文選擇中間軌枕下方的搗固區域作為邊界(見圖4中方框部分)。通過編程實時跟蹤道砟顆粒質心位置的變化情況，并判斷道砟顆粒的質心位置是否在搗固區域邊界內，如果在搗固區域邊界內，就統計為搗固區域內道砟顆粒，從而計算出搗固區域的道床密實度。

圖4　提取道床密實度的搗固區域

根據仿真計算并提取搗固區域道床密實度繪制成曲線(見圖5)，表示搗固區域道床密實度在搗固過程中的變化情況。

圖5　搗固區域道床密實度的變化情況

從圖5中的曲線可以看出，搗固區域道床密實度在夾持階段增加的比較多，在松開提起階段有所下降，但是比搗固前還是有所增加，說明經過搗固作業，搗固區域道床的密實程度有所提高。圖5中方框部分是表示搗鎬提起后的道床密實度。

2.2搗鎬的振動頻率對搗固效果的影響

為了研究搗固參數對搗固效果的影響，可以通過改變搗固參數進行仿真計算，并提取搗固區域的道床密實度。搗固參數比較多，比如搗鎬的振動頻率、振幅、夾持時間和夾持力等，本文選取搗鎬的振動頻率研究其對搗固效果的影響。

為了研究搗鎬的振動頻率對搗固效果的影響，假定道床的初始狀態一定，只改變搗鎬的振動頻率，其他搗固參數保持不變，通過仿真計算并提取搗鎬提起后的道床密實度(見圖6)，從而體現搗鎬的振動頻率對搗固效果的影響。

圖6　振動頻率對道床密實度的影響

從圖6可以看出，當搗鎬的振動頻率為35～40 Hz時，搗固效果較好。

3　結語

根據有砟鐵路道床的散粒體特點，運用離散元分析方法，在離散元分析軟件中創建了有砟鐵路搗固作業的離散元分析模型，分析了搗固作業過程中搗固區域道床密實度的變化規律以及搗鎬的振動頻率對搗固效果的影響，這對搗固作業的密實機理研究有一定的促進作用，并將有助于搗固作業參數的選取。

[1] 劉毅,龔國芳,閔超慶.搗固機械激振技術現狀與展望[J].機械工程學報,2013,49(16):138-146.

[2] Zhou T Y, Hu B, Sun J F, et al. Discrete element method simulation of railway ballast compactness during tamping process[J]. Open Electrical and Electronic Engineering Journal, 2013, 7(1):103-109.

[3] 張徐，趙春發，翟婉明.鐵路碎石道砟靜態壓碎行為數值模擬[J].西南交通大學學報, 2015,50(1):137-143.

[4] 高亮，羅奇，徐旸，等.基于離散元法的鐵路道床力學特性[J].同濟大學學報：自然科學版,2014, 42(7):1064-1069.

[5] 井國慶,封坤,高亮,等.循環荷載作用下道砟破碎老化的離散元仿真[J].西南交通大學學報, 2012,47(2):187-191.[6] 肖宏,高亮,侯博文.鐵路道床振動特性的三維離散元分析[J].鐵道工程學報,2009(9):14-17.

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[8] Lim W L, McDowell G R. Discrete element modelling of railway ballast[J]. Granular Matter, 2005, 7(1):19-29.

[9] 周陶勇,胡斌.鐵路散體道床搗固作業的離散元分析[J].新技術新工藝,2016(2):62-64.

*云南省教育廳科學研究基金項目(2014Y056)

責任編輯鄭練

Research on Simulation of Ballasted Railway Tamping Compaction

ZHOU Taoyong1, HU Bin2

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2.CRCC High-tech Equipment Corporation Limited, Kunming 650215, China)

The purpose of tamping operation on ballasted railway is to improve the ballast compactness. Because the traditional water-filling method is used to detect the ballast compactness causing unnecessary disturbance of ballast, and the γ-ray is used to detect the ballast compactness causing radioactive hazard, which bring certain difficulty for evaluating the effect of tamping operation. In order to study the compaction characteristic of ballast during tamping process, the analysis model of railway ballast under tamping operation is created using the discrete element method. The simulation calculation is conducted to analyze the change law of ballast compactness in tamping area during tamping process, and analyze the influence of vibration frequency of tamping tines on tamping effect. Results show that the ballast compactness in tamping area is the highest in the squeezing phase during tamping process, and declined after tamping, but still improved compared with before tamping. When the vibration frequency of tamping tines is 35～40 Hz, the tamping effect is better.

ballasted railway, tamping, ballast compactness, discrete element

U 216.63

A

周陶勇(1973-)，男，講師，主要從事機械設計和鐵路養護等方面的研究。

2016-05-13