大型養路機械搗固作業參數對搗固效果影響規律的研究

王眾保 許永賢 王紅 郄錄朝 徐旸

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

有砟軌道作為傳統的軌道結構形式，歷經近200年的發展，憑借結構的穩定性和易于養護維修的特點，目前仍是世界鐵路采用的主要線路結構。有砟軌道散體道床服役狀態對運營安全有較大影響［1］，其養護維修作業已高度機械化。對于大型搗固車作業，研究搗固裝置參數設置對作業效果的影響規律，對于長久保持有砟軌道幾何狀態，提高維修經濟性具有重要意義，世界各國對此都進行了深入研究。

英國諾丁漢大學的Aursudkij 等［2］在室內建立軌道等尺寸模型，用小型搗固設備開展搗固參數的優化研究；美國的Tutumluer 等［3］利用離散元法建立道床搗固的仿真模型，分析了搗固過程中道砟幾何形態與道床性能之間的關系；耿興利［4］采用離散元方法建立簡易道床模型，從外部導入包含1 副搗固鎬的搗固裝置模型，研究道砟受力和運動狀態，獲取最佳搗固參數；劉暢［5］利用離散元軟件PFC 建立單根軌枕的道床模型，用規則排列球單元構造1副搗固鎬模型，通過空隙率和配位數分析搗固作業對道床力學性能的影響；張亞晴等［6］采用單個球單元模擬道床的道砟顆粒組成，模擬1副搗固鎬作業，以道床密實度為評價標準，研究最優振動頻率和振幅。由于已有研究中搗固鎬數量與大型養路機械實際配置數量差異較大，且未考慮搗固鎬幾何外形對搗固質量的影響，所以研究結果存在一定的局限性。此外應圍繞作業中道砟顆粒的動力學狀態，結合枕下道砟數量的變化，進行搗固作業效果評價。

本文在單根軌枕半枕區域，引入基于真實搗固鎬外形的4 副搗固鎬精細化模型，并按照搗固鎬實際工作方式模擬作業過程，選擇搗固鎬的插鎬速度與深度作為變量，從道砟顆粒受力、能量、運動和枕下道砟增加數量4個方面，對搗固質量進行綜合評價，最終得到最佳插鎬速度與深度的值，為提高大型養路機械搗固作業效率提供參考。

1 搗固裝置-道床耦合模型的建立與驗證

離散元仿真分析軟件EDEM 可以創建或導入機械的 CAD 或 CAE 模型，使仿真模型更加精細化［7］。本文利用EDEM 建立有砟道床、軌枕和邊界的實體模型，并通過從外部導入多搗固鎬的搗固裝置模型，建立搗固裝置-道床的耦合模型。

離散元模型中單元本身的屬性以及單元之間的接觸關系均由不同參數按照實際情況進行調節。各單元在初次接觸時，首先按照牛頓第二定律確定這一時刻的加速度，接下來采用中心差分法對加速度進行時間積分，得到各單元在中間時刻的速度，最后按照相同的方法再對速度進行時間積分，就能得到下一時刻各單元具體的位移。在模型運行過程中，多次進行循環迭代，能時時更新單元的運動狀態。

1.1 模型建立

建立由鑲嵌組合球單元組成的不可破碎道砟顆粒的本構模型。道床中道砟的粒徑級配為一級，道床厚度為35 cm，軌枕模型簡化為130 cm（長）×30 cm（寬）×23 cm（高）的長方體。為了減少模型中的邊界效應，采用3 根軌枕模型，只對2 號軌枕的半枕及其兩側枕盒進行數據采集和分析。圖1為道床模型沿線路縱向斷面圖。

圖1 道床模型沿線路縱向斷面圖

搗固裝置的外形尺寸以及運動形式參照08-32 型抄平起撥道搗固車［8］，從外部導入4 副搗固鎬精細化模型，如圖2所示。

圖2 搗固裝置及其與道床的耦合模型

根據大型搗固車的作業要求［9］，搗固作業主要包括：①初始位置，作業準備；②搗固鎬插入到指定深度；③搗固鎬做夾持運動，向枕底推送道砟并振動；④回到初始位置，搗固作業結束。將上述作業流程反映在仿真模型中，如圖3所示。

圖3 搗固作業流程

模型中組成顆粒簇的球單元、組成邊界的墻單元、軌枕及搗固裝置模型都滿足剛性假設，即單元為剛性體，系統的變形是這些單元接觸點變形的總和。顆粒與顆粒間、顆粒與幾何體間的作用基于Hertz-Mindlin［4］無滑動接觸模型。在參考既有文獻［10］的基礎上進行大量細觀參數的試驗分析，最終確定的各單元參數見表1，單元間接觸參數見表2。

表1 單元參數

表2 單元間接觸參數

1.2 模型驗證

為對所建模型進行驗證，與文獻［11］中的大道砟箱搗固試驗結果進行了對比。道砟箱搗固試驗中的道床符合我國Ⅰ級重載鐵路的標準，道砟的粒徑級配為一級，搗固作業使用2副搗固鎬的小型搗固設備，按照常規搗固作業程序完成動作，并在搗固結束后向軌枕施加垂向力。本研究在所建的4 副搗固鎬-道床模型的基礎上，采用2副搗固鎬，按照文獻相同的作業步驟，得到半枕的受力與位移關系曲線，見圖4。

從圖4 可以看出，2 副搗固鎬-道床模型試驗模擬曲線與對比工況變化趨勢相同，各點數值較為接近。大道砟箱搗固試驗軌枕平均垂向位移為0.242 mm，仿真模擬中軌枕平均垂向位移為0.224 mm，兩者僅相差7.44%，說明本文建立的模型及其模擬大型養路機械搗固的作業過程準確可靠。

圖4 搗固裝置-道床模型仿真結果與搗固試驗結果對比

2 搗固作業參數對搗固效果的影響

搗固作業過程中道砟顆粒的受力及運動狀態能夠反映搗固作業效果。在其他作業參數不變的條件下，搗固鎬的插鎬速度與深度除了對搗固效果有影響外，還會在插鎬階段對枕盒道砟產生沖擊，這也是現場搗固后道砟出現粉化、臟污的主要原因。因此，研究插鎬速度與深度對道砟顆粒受力、總動能、角速度和枕下道砟顆粒增加數量的影響，使搗固在達到維修要求的情況下減少道砟破碎率。

2.1 模擬工況及數據采集區域的設置

影響搗固效果的搗固參數主要有插鎬速度、插鎬深度、搗固鎬振動頻率和夾持時間等。本文主要研究不同插鎬速度與深度對搗固效果的影響規律。搗固作業參數的設置見表3。

表3 搗固作業參數的設置

在仿真模擬過程中，為了能夠準確得到不同作業參數、各個搗固階段時局部道砟顆粒的受力、運動和能量等情況，根據文獻［12］和試驗，確定枕下數據采集區域為1.4 m×0.4 m×0.2 m，采集區域上表面距枕底2 cm，枕盒數據采集區域為1.3 m×0.3 m×0.5 m，采集區域上表面與枕盒道砟頂面等高。

2.2 夾持階段枕下道砟的平均角速度

搗固過程是使道砟顆粒向枕下運動的過程，為了讓較多的道砟顆粒填充枕下空間，在作業時間最長的夾持階段讓道砟顆粒發生轉動非常重要；不同于插鎬階段道砟顆粒的劇烈運動，夾持階段道砟顆粒的轉動量相對較小，所以在這一階段道砟顆粒的轉動量越大，越有利于提高搗固效果。圖5、圖6 分別為同一周期內不同插鎬速度、插鎬深度下枕下道砟顆粒的平均角速度隨時間的變化曲線。

圖5 不同插鎬速度下道砟平均角速度隨時間變化曲線

圖6 不同插鎬深度下道砟平均角速度隨時間變化曲線

從圖5 可以看出，在同一周期內不同插鎬速度下枕下道砟顆粒平均角速度隨時間的變化趨勢相同。雖然在不同時刻，枕下道砟顆粒平均角速度的最大值各有不同，但從整體上看插鎬速度為0.5 m/s時枕下道砟顆粒平均角速度出現極大值，說明在此插鎬速度下夾持階段的搗固作業能夠使更多的道砟向枕底運動。

從圖6 可以看出，插鎬深度為90 mm 時夾持階段枕下道砟顆粒的平均角速度出現極大值，表明在此插鎬深度下搗固作業取得的搗固效果較好。

2.3 插鎬階段枕盒道砟受到的平均壓力

在搗固作業的整個過程中，插鎬階段對枕盒道砟的壓力是最大的，對道砟顆粒的損害也是最大的。為了保護道砟，延長道砟的服役時間，在這一階段應減少道砟顆粒受到的壓力。圖7是枕盒道砟平均壓力與插鎬速度的關系。可知：不同插鎬速度下插鎬階段枕盒道砟受到的平均壓力明顯不同，最小值出現在插鎬速度為0.5 m/s 時，因此相較于其他插鎬速度，在此插鎬速度時搗固作業對枕盒道砟的影響最小。

圖7 不同插鎬速度下枕盒道砟平均壓力與插鎬速度的關系

插鎬深度為85，90，95，100 mm 時，插鎬階段枕盒道砟受到的平均壓力分別為7.37，6.97，7.36，7.36 kN，可見其平均壓力相差較小。但插鎬深度為90 mm 時，枕盒道砟受到的壓力最小，所以相比于另外3 組插鎬深度，插鎬深度為90 mm時搗固效果相對較好。

2.4 插鎬階段枕盒道砟的總動能

插鎬階段道砟顆粒磨損除了因其本身受到較大的壓力之外，還和道砟的劇烈運動有關。道砟顆粒的運動包括平動與轉動，也可以考慮為平動動能與轉動動能，為了以綜合的標準對道砟運動進行評價，采用插鎬階段枕盒道砟的總動能作為衡量標準。圖8為不同插鎬速度下枕盒道砟總動能。

圖8 不同插鎬速度下枕盒道砟總動能

由圖8 可知：插鎬速度為0.5 m/s 時枕盒道砟的總動能最小，說明在此插鎬速度下夾持階段搗固作業對枕盒道砟的擾動較小，能夠減少道砟顆粒的磨耗。

插鎬深度為85，90，95，100 mm 時，插搗階段枕盒道砟總動能分別為42.14，40.84，42.21，42.21 J。雖然不同插鎬深度下枕盒道砟的總動能大致相同，可是從數據中仍能看出，插鎬深度90 mm 時枕盒道砟總動能最小，說明在此插鎬深度下搗固作業對道砟狀態影響較小。

2.5 搗固完成后枕下道砟顆粒的增加數量

搗固作業的目的是向枕底推送道砟顆粒，因此搗固作業完成后枕下道砟顆粒的增加數量是衡量搗固效果的重要標準。圖9是不同插鎬速度下搗固作業各階段枕下道砟顆粒數量增長率變化情況。可以看出，隨著搗固作業的進行，枕下道砟顆粒數量呈現逐漸增長的趨勢。插鎬速度0.5 m/s 時在整個搗固作業過程中枕下道砟顆粒數量的增長率較大，說明插鎬速度0.5 m/s時搗固作業能夠更有效地向枕底推送道砟，搗固效果較好。

圖9 不同插鎬速度下搗固作業各階段枕下道砟顆粒數量增長率變化情況

圖10 是不同插鎬深度下搗固作業各階段枕下道砟顆粒數量增長率的變化情況。可以看出，插鎬深度為90 mm 時除在搗固鎬下插階段枕下道砟顆粒數量增長率較小外，接下來的2 個階段都能保持較高的增長率，并最終能達到最大值。說明插鎬深度90 mm 時可使更多的道砟到達枕底，搗固效率較高。

圖10 不同插鎬深度下搗固作業各階段枕下道砟顆粒數量增長率變化情況

3 結論與建議

本文采用離散元法建立由道砟顆粒簇組成的道床模型，通過對軌枕建模、導入搗固鎬精細化模型，建立搗固裝置-道床的耦合模型，并對模型進行了驗證，分析了不同工況下搗固作業對道砟運動狀態的影響規律。主要結論如下：

1）插鎬速度0.5 m/s 時對作業區域道砟狀態影響最小，并且向枕底推送道砟的數量較多。

2）插鎬深度90 mm 時搗固作業對枕下與枕盒處的道砟顆粒狀態影響最小，并且在此插鎬深度范圍內搗固效果較好。

大型養路機械搗固參數優化對于提高搗固效果，延長有砟軌道服役時間具有重要意義。