有砟鐵路搗固密實(shí)的數(shù)值模擬研究*

周陶勇，胡　斌

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(shí)的數(shù)值模擬研究*

周陶勇1，胡斌2

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(yè)的目的是提高道床的密實(shí)度，由于傳統(tǒng)的灌水法檢測道床密實(shí)度會對道床造成不必要的擾動，而采用γ射線法進(jìn)行檢測，又有放射性危害，這就給搗固效果的評價(jià)帶來了一定困難。為了研究搗固過程中道床密實(shí)特性，運(yùn)用離散元的分析方法，創(chuàng)建了有砟鐵路搗固作業(yè)的離散元分析模型，計(jì)算分析了搗固作業(yè)過程中搗固區(qū)域道床密實(shí)度的變化規(guī)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(yè)過程中搗固區(qū)域的道床密實(shí)度在夾持階段最高，搗固結(jié)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(shí)，搗固效果較好。

有砟鐵路；搗固作業(yè)；道床密實(shí)度；離散元

搗固作業(yè)是有砟鐵路線路養(yǎng)護(hù)維修過程中一項(xiàng)非常重要的工序，對提高道床的密實(shí)度、增強(qiáng)軌道的穩(wěn)定性和保證列車運(yùn)行的安全發(fā)揮著重要的作用[1-2]。為了評價(jià)搗固作業(yè)的效果，應(yīng)對道床密實(shí)度進(jìn)行檢測，然而傳統(tǒng)的灌水法檢測道床密實(shí)度需要在檢測區(qū)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(shí)度，由于γ射線具有放射性，對檢測人員和周圍環(huán)境可能會造成危害，這就給搗固效果的評價(jià)和搗固參數(shù)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(fā)展[3-6]，在有砟鐵路搗固作業(yè)過程中，道床密實(shí)特性的研究展現(xiàn)了一種全新的研究思路。本文運(yùn)用離散元的分析方法創(chuàng)建有砟鐵路搗固作業(yè)的離散元分析模型，計(jì)算分析搗固區(qū)域道床密實(shí)度的變化規(guī)律，并探討搗固參數(shù)對搗固作業(yè)效果的影響，為搗固參數(shù)的選取提供參考。

1　搗固作業(yè)的離散元分析模型

有砟鐵路搗固作業(yè)是由搗固裝置中搗鎬按照一定的搗固參數(shù)對有砟道床進(jìn)行搗固，在整個(gè)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(yùn)動提供動力和起支承作用，其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)在數(shù)值模擬時(shí)可以直接通過搗鎬進(jìn)行設(shè)置。

在創(chuàng)建搗固作業(yè)的離散元分析模型時(shí)，為了提高計(jì)算效率，可以只考慮道砟的顆粒形狀模型和接觸力學(xué)模型、軌枕和搗鎬的幾何模型以及搗鎬的力學(xué)模型等。下述運(yùn)用離散元的分析方法，分別探討這些模型的創(chuàng)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(chuàng)建形狀不規(guī)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(chuàng)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(shí)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(xué)模型

道砟的接觸力學(xué)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(chǎn)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(shù)和法向阻尼系數(shù)確定，切向剪力則是由切向彈簧剛度系數(shù)和切向阻尼系數(shù)以及摩擦因數(shù)共同確定。本文彈簧剛度系數(shù)設(shè)置為108N/m，阻尼系數(shù)設(shè)置為0.7 Ns/m，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.5。

圖2　道砟的接觸力學(xué)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(chuàng)建；或者可以在其他CAD軟件中創(chuàng)建，然后再導(dǎo)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(chuàng)建。實(shí)際搗固作業(yè)，通常是對軌枕兩端同時(shí)進(jìn)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(qū)域的軌枕外，還要考慮相鄰軌枕對搗固區(qū)域的影響，因此，創(chuàng)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(xué)模型

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

創(chuàng)建的有砟鐵路搗固作業(yè)的離散元分析模型如圖3所示。

圖3　搗固作業(yè)的仿真模型

2　仿真分析

搗固作業(yè)的目的是提高道床的密實(shí)程度，道床的密實(shí)程度可以用道床密實(shí)度來表示。對于搗固區(qū)域來說，道床密實(shí)度可以定義為搗固區(qū)域內(nèi)道砟顆粒體積所占搗固區(qū)域道床體積的百分比，這個(gè)百分比可以在仿真過程中進(jìn)行計(jì)算并提取出來。

2.1搗固區(qū)域的道床密實(shí)度

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

圖4　提取道床密實(shí)度的搗固區(qū)域

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

圖5　搗固區(qū)域道床密實(shí)度的變化情況

從圖5中的曲線可以看出，搗固區(qū)域道床密實(shí)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(jīng)過搗固作業(yè)，搗固區(qū)域道床的密實(shí)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(shí)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(shù)對搗固效果的影響，可以通過改變搗固參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，并提取搗固區(qū)域的道床密實(shí)度。搗固參數(shù)比較多，比如搗鎬的振動頻率、振幅、夾持時(shí)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(tài)一定，只改變搗鎬的振動頻率，其他搗固參數(shù)保持不變，通過仿真計(jì)算并提取搗鎬提起后的道床密實(shí)度(見圖6)，從而體現(xiàn)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(shí)度的影響

從圖6可以看出，當(dāng)搗鎬的振動頻率為35～40 Hz時(shí)，搗固效果較好。

3　結(jié)語

根據(jù)有砟鐵路道床的散粒體特點(diǎn)，運(yùn)用離散元分析方法，在離散元分析軟件中創(chuàng)建了有砟鐵路搗固作業(yè)的離散元分析模型，分析了搗固作業(yè)過程中搗固區(qū)域道床密實(shí)度的變化規(guī)律以及搗鎬的振動頻率對搗固效果的影響，這對搗固作業(yè)的密實(shí)機(jī)理研究有一定的促進(jìn)作用，并將有助于搗固作業(yè)參數(shù)的選取。

[1] 劉毅,龔國芳,閔超慶.搗固機(jī)械激振技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),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(fā)，翟婉明.鐵路碎石道砟靜態(tài)壓碎行為數(shù)值模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 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(xué)特性[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2014, 42(7):1064-1069.

[5] 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(xué)學(xué)報(bào), 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(xué)報(bào),2009(9):14-17.

[7] Shi C, Li D J, Xu W Y, et al. Discrete element cluster modeling of complex mesoscopic particles for use with the particle flow code method[J]. Granular Matter, 2015, 17(3):377-387.

[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(yè)的離散元分析[J].新技術(shù)新工藝,2016(2):62-64.

*云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2014Y056)

責(zé)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(jī)械設(shè)計(jì)和鐵路養(yǎng)護(hù)等方面的研究。

2016-05-13