鐵路散體道床搗固作業(yè)的離散元分析*

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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鐵路散體道床搗固作業(yè)的離散元分析*

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)

摘要：搗固作業(yè)是鐵路散體道床養(yǎng)護維修作業(yè)中一項重要的工作，由于鐵路散體道床是由形狀大小各異的散粒體道砟組成的，這就給搗固效果的研究帶來了一定的困難。為了從微觀尺度上對鐵路散體道床搗固作業(yè)進行研究，運用離散元分析方法，創(chuàng)建了鐵路散體道床搗固作業(yè)的離散元分析模型，分析了搗固作業(yè)過程中道砟的流動趨勢和道床的密實程度。分析表明，在搗固作業(yè)過程中，軌枕之間的道砟向軌枕下方有空隙的地方流動，軌枕下方搗固區(qū)域的道床密實程度得到了提高。

關(guān)鍵詞：鐵路散體道床；搗固；離散元

隨著鐵路運輸日益繁忙，鐵路運輸?shù)乃俣取⑤d荷和密度不斷提高，鐵路線路將不可避免地發(fā)生各種變形或損壞。為了確保列車安全、平穩(wěn)地運行，延長鐵路線路各個組成部分的使用壽命，應(yīng)加強鐵路線路的養(yǎng)護和維修工作，使鐵路線路的設(shè)備保持良好狀態(tài)，其中鐵路散體道床的搗固作業(yè)是鐵路線路養(yǎng)護維修作業(yè)中一項極為重要的工作[1]。由于鐵路道砟是形狀、大小各異的散體顆粒物，在實際的搗固作業(yè)過程中，它的受力狀況及其運動規(guī)律不易測量和描述，這給搗固作業(yè)密實機理的研究帶來了一定的困難，對搗固效果的評價和搗固參數(shù)的選取通常要依賴于現(xiàn)場試驗和實踐經(jīng)驗。

近年來，迅速發(fā)展的顆粒離散元分析方法，為鐵路散體道床搗固作業(yè)微觀尺度的力學特性研究提供了一種全新的研究思路。運用離散元的分析方法創(chuàng)建鐵路散體道床在搗固作業(yè)時的離散元分析模型，并進行計算機仿真實驗分析，研究鐵路散體道床搗固作業(yè)密實機理，是這方面的一種新嘗試[2]。

1離散元分析模型

鐵路散體道床在搗固作業(yè)時的離散元分析模型是由道砟的顆粒形狀模型，接觸力學模型以及鋼軌、軌枕和搗鎬的幾何模型等組成。下述運用顆粒離散元分析方法，分別探討這些模型在離散元分析軟件EDEM中的創(chuàng)建方法。

1.1道砟的顆粒形狀模型

目前，三維離散元分析軟件中的顆粒形狀模型主要是球體，而鐵路道砟的實際形狀(見圖1)很不規(guī)則，大小也不一致，這就給道砟的顆粒形狀模型的創(chuàng)建帶來了一定的困難[3-6]。

圖1　道砟的實際形狀

在EDEM軟件中，不規(guī)則形狀的顆?？梢酝ㄟ^多個大小不一的球面組合的方式來模擬。為了提高仿真速度，本文創(chuàng)建了2種比較典型的顆粒形狀模型來模擬道砟的真實模型(見圖2)。

圖2　2種道砟顆粒形狀模型

1.2道砟的接觸力學模型

道砟之間主要承受法向壓力和切向剪阻力，其中法向力采用Hertz接觸理論計算，切向力采用Mindlin-Deresiewicz接觸理論計算。道砟的接觸力學模型如圖3所示。

圖3　道砟的接觸力學模型

1.3鋼軌、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EDEM軟件中直接創(chuàng)建，也可以在其他的CAD軟件中創(chuàng)建，然后導入到EDEM軟件中。本文的鋼軌、軌枕和搗鎬，采用在CAD軟件Solid Edge中創(chuàng)建，然后導入到EDEM軟件中。

在EDEM軟件中，應(yīng)根據(jù)實際搗固作業(yè)情況設(shè)置搗鎬的相關(guān)動力參數(shù)。搗鎬在搗固作業(yè)過程中首先插入道床，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(yè)過程中，搗鎬始終保持一定頻率和振幅的振動。

1.4設(shè)置顆粒工廠

設(shè)置顆粒工廠其實就是設(shè)置顆粒生成的區(qū)域和方式。首先創(chuàng)建一個區(qū)域，將其類型設(shè)為virtual，表示顆粒與其不發(fā)生任何作用；然后將顆粒生成的方式設(shè)為static；再設(shè)置顆粒生成的總數(shù)目和開始時間。這樣就創(chuàng)建了鐵路散體道床搗固作業(yè)的離散元分析模型(見圖4)。

圖4　搗固作業(yè)的仿真模型

2仿真分析

為了從微觀尺度上來分析鐵路散體道床在搗固作業(yè)過程中的搗固效果，首先從搗固作業(yè)的模擬仿真過程中提取道砟的運動趨勢矢量圖，定性地分析搗固作業(yè)的密實效果；然后在不同搗固階段，分別提取中間軌枕下方搗固區(qū)域的道砟顆粒數(shù)量，從而定量地分析搗固作業(yè)的密實程度。

2.1道砟的流動趨勢

在搗固作業(yè)的過程中，道砟在搗鎬的振動力和夾持力的共同作用下會產(chǎn)生運動。為了定性地分析搗固作業(yè)對道床密實效果的影響，在搗固作業(yè)的仿真過程中，提取道砟的流動趨勢矢量圖(見圖5)。圖5清楚地表明，軌枕之間的道砟向軌枕下方有空隙的地方流動，從而提高了軌枕下方道床的密實程度，這與實際搗固作業(yè)比較吻合。

圖5　搗固作業(yè)過程中道砟的流動趨勢

2.2搗固區(qū)域的道砟顆粒數(shù)量

在道砟顆粒形狀、大小不變的情況下，一定區(qū)域內(nèi)道砟顆粒的數(shù)量能夠反應(yīng)該區(qū)域內(nèi)道床的密實程度。為了定量地分析搗固作業(yè)對道床密實程度的影響，選擇中間軌枕下方搗固區(qū)域(見圖6中方框部分)的道床作為研究對象。通過在不同搗固階段分別提取的指定區(qū)域道砟顆粒的數(shù)量，從而定量地分析搗固作業(yè)的密實程度。

圖6　提取道砟顆粒數(shù)量的搗固區(qū)域

根據(jù)在不同搗固階段提取的指定區(qū)域道砟顆粒數(shù)量繪制成曲線(見圖7)，來表示搗固區(qū)域道砟顆粒的數(shù)量在搗固過程中的變化情況，從而說明搗固區(qū)域道床密實程度的變化情況。

圖7　搗固區(qū)域道砟顆粒數(shù)量的變化情況

從圖7中的曲線可以看出，搗固區(qū)域道砟顆粒的數(shù)量在夾持階段增加的比較多，在松開提起階段有所下降，但是比搗固前還是要有所增加，說明經(jīng)過搗固作業(yè)，搗固區(qū)域道床的密實程度有所提高。

3結(jié)語

根據(jù)鐵路散體道床的散粒體特點，運用離散元分析方法，在離散元分析軟件EDEM中創(chuàng)建了鐵路散體道床搗固作業(yè)的離散元分析模型，對搗固作業(yè)過程中道砟的流動趨勢和道床的密實程度進行了仿真分析，從微觀尺度上對鐵路散體道床的搗固作業(yè)進行了研究， 對搗固作業(yè)的密實機理研究有一定的促進作用，并將有助于搗固效果的評價和搗固參數(shù)的選取。

參考文獻

[1] 劉毅,龔國芳,閔超慶.搗固機械激振技術(shù)現(xiàn)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] 徐旸,高亮,楊國濤,等.道砟顆粒的精細化建模及對道床力學性能影響[J].鐵道學報, 2014,36(9):73-78.

[4] 井國慶,封坤,高亮,等.循環(huán)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.

[5] 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.

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

* 云南省教育廳科學研究基金項目(2014Y056)

責任編輯馬彤

北京北方車輛集團填補國內(nèi)大型車體焊縫全自動檢測空白

日前，中國兵器工業(yè)集團北京北方車輛集團有限公司申報的2015年科研項目《裝甲車輛鋁合金車體關(guān)鍵焊縫多波束檢測技術(shù)研究》通過了國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研無損檢測專業(yè)立項，目前項目已進入任務(wù)書編制階段，將于2016年開始實施。

項目針對裝甲車輛鋁合金車體焊縫無法進行無損檢測的需求，構(gòu)建多波束車體焊縫全自動檢測系統(tǒng)，編制分析軟件處理來自3D激光掃描焊縫的三維信息，支配機器人焊接系統(tǒng)完成焊縫的自動化掃查，最終完成鋁合金車體關(guān)鍵焊縫的全自動無損檢測。

該項目覆蓋了國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研計量、質(zhì)量、理化檢測和無損檢測等四大領(lǐng)域，將填補國內(nèi)大型車體焊縫全自動檢測的空白。項目的實施將對北方車輛集團在輕型步兵戰(zhàn)車的研制生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支撐，研究成果還可推廣到其它種類裝甲車輛車殼焊縫的無損檢測。

摘自中國兵器工業(yè)集團公司網(wǎng)站

Discrete Element Analysis of Railway Ballast under Tamping Operation

ZHOU Taoyong1, HU Bin2

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2.China Railway Construction High-tech Equipment Co., Ltd., Kunming 650215, China)

Abstract：Tamping operation is an important work in the railway ballast maintenance and repair operations, because the railway ballast is composed of various shapes and sizes of granular ballast gravel, which bring some difficulty to research the tamping effect. In order to study on railway ballast under tamping operation from micro scale, the discrete element analysis model of railway ballast under tamping operation is created using discrete element method, and the research is done on the motion trend of ballast gravel and compaction degree of railway ballast during the tamping process. The analysis shows that the ballast gravels between sleepers are moved to fill the voids under sleeper and the ballast compactness in tamping area under sleeper is also improved during tamping process.

Key words:railway ballast, tamping, discrete element method

收稿日期：2015-08-21

作者簡介：周陶勇(1973-)，男，講師，主要從事機械設(shè)計和鐵路養(yǎng)護等方面的研究。

中圖分類號：U 216.63

文獻標志碼:A