大機(jī)組合作業(yè)模式對(duì)道砟級(jí)配影響的試驗(yàn)研究★

師 彬，馬 力，侯明坤

(1.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650217； 2.中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司昆明工務(wù)機(jī)械段，云南 昆明 650000)

0 引言

有砟軌道在新建時(shí)或者在鐵路后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，都需要大型養(yǎng)路機(jī)械搗固車、穩(wěn)定車進(jìn)行起道、撥道、搗固穩(wěn)定作業(yè)，以便改善有砟道床幾何平順性，恢復(fù)道床彈性和動(dòng)力學(xué)性能[1-4]。目前大型養(yǎng)路機(jī)械(后簡(jiǎn)稱大機(jī))作業(yè)已成為改善道床性能的主要手段，對(duì)于大機(jī)作業(yè)與有砟道床性能影響的相關(guān)研究，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量的關(guān)注。

Kim等[5]利用基于圖像的三維離散單元法建立搗固與軌枕之間的模型，對(duì)三種軌枕進(jìn)行模擬搗固作業(yè)，研究分析搗固后的密實(shí)度和配位數(shù)，模擬結(jié)果說(shuō)明不同軌枕對(duì)搗固效果具有一定的影響。周海燕等[6]建立鐵路散體道床搗固作業(yè)的離散元分析模型模擬搗固作業(yè)，結(jié)果表明：搗固作業(yè)各階段中夾持階段道砟破碎量最大，在滿足道床密實(shí)度的條件下，道砟破碎量較小的搗固頻率約為45 Hz。張亞晴等[7-8]利用離散元法模擬分析了不同搗固參數(shù)(搗固頻率、搗固振幅)對(duì)道砟密實(shí)度的影響，結(jié)果表明：窄級(jí)配的道床采用大振幅、低頻率的搗固參數(shù)時(shí)，搗固的效果較好,寬級(jí)配的道床采用小振幅、高頻率的搗固參數(shù)時(shí),搗固的效果較好。王眾保等[9]采用多體動(dòng)力學(xué)幾何外形和離散單元分別對(duì)搗固鎬與道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：插鎬速度最優(yōu)值為0.5 m/s，插鎬深度最優(yōu)值為90 mm。SAUSSINE等[10]通過(guò)離散元法模擬搗固作業(yè)對(duì)道床密實(shí)程度的影響，發(fā)現(xiàn)搗鎬下插階段道床的密實(shí)程度增加50%，搗固頻率的增加密實(shí)程度也會(huì)隨之增加。LU M等[11-13]為了揭示道砟顆粒破碎機(jī)理，使用離散元法建立道砟模型數(shù)值模型，分析并預(yù)測(cè)道砟顆粒破碎后的物理力學(xué)特性。劉洋澤鵬等[14]利用大型直剪試驗(yàn)設(shè)備對(duì)新建鐵路一級(jí)道砟開(kāi)展壓力直剪試驗(yàn)，研究表明：道砟在剪切面區(qū)域會(huì)發(fā)生明顯的尖角破碎，大粒徑顆粒減少，小粒徑顆粒明顯增加；隨著法向壓力的增加，表明道砟破碎加劇。Suhr等[15]采用離散元法對(duì)兩種不同的道砟進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)道砟具有明顯的顆粒破碎。Lim W L等[16-17]對(duì)道砟顆粒的壓縮破碎試驗(yàn)及相對(duì)應(yīng)的離散元計(jì)算結(jié)果均表明：在拉伸強(qiáng)度下隨著道砟尺寸的增大,道砟破碎率不斷增加。嚴(yán)穎等[18]采用離散元法進(jìn)行數(shù)值模擬道砟徑向加載破碎過(guò)程，分析應(yīng)力應(yīng)變曲線以及顆粒破碎機(jī)制。

由于大機(jī)作業(yè)后道砟級(jí)配數(shù)據(jù)采集困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般使用軟件仿真模擬研究，因此對(duì)于大機(jī)實(shí)際作業(yè)對(duì)道砟級(jí)配破壞的研究相對(duì)較少，根據(jù)大機(jī)搗固穩(wěn)定作業(yè)原理和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，大機(jī)作業(yè)過(guò)程中破壞道砟的現(xiàn)象顯著，針對(duì)這種現(xiàn)象并結(jié)合施工實(shí)際情況，本文研究常用的大機(jī)組合作業(yè)模式對(duì)道砟級(jí)配破壞的影響，探尋大機(jī)組合作業(yè)模式對(duì)道砟級(jí)配破壞的試驗(yàn)規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為使試驗(yàn)結(jié)果盡可能符合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際，本次試驗(yàn)選擇中老鐵路有砟線路為研究對(duì)象，其道砟標(biāo)準(zhǔn)為新建鐵路花崗巖一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)。

具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1)大機(jī)組合作業(yè)模式選擇現(xiàn)場(chǎng)常用的一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)、兩搗一穩(wěn)3種模式進(jìn)行，每種作業(yè)測(cè)試6遍，不設(shè)置起撥量，每種模式為同一臺(tái)搗固車和同一穩(wěn)定車在相同參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行施工，減少大機(jī)不一致造成的試驗(yàn)誤差。

2)3種作業(yè)模式試驗(yàn)在中老鐵路橄欖壩站同一股道線路前后進(jìn)行，減少道砟初始級(jí)配偏差影響。

3)為了避免其他的道砟對(duì)試驗(yàn)道砟影響，施工試驗(yàn)時(shí)采用不回新砟方式進(jìn)行。

4)試驗(yàn)地段數(shù)據(jù)采集步驟：第一步，在試驗(yàn)地段測(cè)試道砟初始級(jí)配進(jìn)行比較分析；第二步，在道砟初始級(jí)配之間選擇偏差較小的地段分別進(jìn)行一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)、兩搗一穩(wěn)3種模式組織施工作業(yè)，每進(jìn)行一遍進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并記錄。例如一搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式試驗(yàn)施工過(guò)程中道砟選點(diǎn)取樣、大機(jī)作業(yè)、篩分、稱重施工如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 一搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式的試驗(yàn)結(jié)果和分析

經(jīng)過(guò)一搗一穩(wěn)組合作業(yè)6遍作業(yè)以后，道砟從初始狀態(tài)到第6遍作業(yè)結(jié)束的外觀狀態(tài)如圖2所示。

從圖2中可以明顯的看出，大機(jī)一搗一穩(wěn)組合作業(yè)后使得道砟外觀、粒徑存在明顯變化，大粒徑的道砟數(shù)量減少，小粒徑道砟增多。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施作和數(shù)據(jù)采集，將采集數(shù)據(jù)處理成為過(guò)篩質(zhì)量百分率，得到一搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式6遍的道砟級(jí)配如表1所示。

為了分析道砟級(jí)配隨大機(jī)作業(yè)遍數(shù)的變化規(guī)律，定義各粒徑道砟的質(zhì)量變化率δij來(lái)分析大機(jī)作業(yè)遍數(shù)相對(duì)于初始道砟級(jí)配的變化影響，其計(jì)算公式如下：

(1)

其中，Xij為表1中過(guò)篩質(zhì)量百分率；i=1,2,…,6，表示大機(jī)作業(yè)遍數(shù)；j=0,1,2,…,5，表示過(guò)篩質(zhì)量百分率Xij對(duì)應(yīng)16 mm～63 mm道砟各粒徑數(shù)據(jù)位置，j=0時(shí)，Xi0=0。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步反映大機(jī)第6遍作業(yè)后對(duì)整體道砟級(jí)配的影響變化，定義各粒徑道砟質(zhì)量整體變化增減率Δj來(lái)分析第6遍作業(yè)后道砟級(jí)配變化，其計(jì)算公式如下：

Δj=δ6j(X0j+1-X0)

(2)

利用式(1)、式(2)計(jì)算處理后，得到一搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式對(duì)道砟級(jí)配的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果

由表2得出以下結(jié)論：道砟級(jí)配隨著一搗一穩(wěn)組合作業(yè)遍數(shù)的增加，粒徑16 mm以下，16 mm～25 mm，25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟質(zhì)量占比逐步增加，而粒徑45 mm～56 mm，56 mm～63 mm道砟占比逐步減少。經(jīng)過(guò)第6遍作業(yè)以后，粒徑16 mm以下道砟增加了54.55%、增加量占整體道砟的1.20%，粒徑16 mm～25 mm道砟增加了45.71%、增加量占整體道砟的4.80%，粒徑25 mm～35.5 mm道砟增加了9.02%、增加量占整體道砟的2.20%，粒徑35.5 mm～45 mm粒徑道砟增加了12.55%、增加量占整體道砟的3.40%，粒徑45 mm～56 mm道砟減少了-23.05%、減少量占整體道砟的-6.50%，粒徑56 mm～63 mm道砟減少了-67.11%,減少量占整體道砟的-5.10%。參照新建鐵路一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)，從表1中數(shù)據(jù)可以看出大機(jī)作業(yè)會(huì)改變道砟的級(jí)配，大機(jī)一搗一穩(wěn)組合作業(yè)在第3遍開(kāi)始使得道砟級(jí)配超過(guò)一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)，后隨著作業(yè)遍數(shù)的增加，超標(biāo)量逐步增大。

2.2 一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)模式的試驗(yàn)結(jié)果和分析

按照一搗一穩(wěn)同樣的方法對(duì)一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)模式數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，得到一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)模式對(duì)道砟級(jí)配的影響結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果(一)

由表3得出以下結(jié)論：道砟級(jí)配隨著一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)遍數(shù)的增加，粒徑16 mm以下，16 mm～25 mm，25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟占比逐步增加，而粒徑45 mm～56 mm，56 mm～63 mm道砟占比逐步減少；其中經(jīng)歷第6遍作業(yè)以后，粒徑16 mm以下道砟增加了52.17%、增加量占整體道砟的1.20%，粒徑16 mm～25 mm道砟增加了49.50%、增加量占整體道砟的5.00%，粒徑25 mm～35.5 mm道砟增加了5.28%、增加量占整體道砟的1.30%，粒徑35.5 mm～45 mm粒徑道砟增加了12.45%、增加量占整體道砟的3.40%，粒徑45 mm～56 mm道砟減少了-22.46%、減少量占整體道砟的-6.40%，粒徑56 mm～63 mm道砟減少了-62.50%、減少量占整體道砟的-4.50%。參照新建鐵路一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)，大機(jī)一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)在第3遍開(kāi)始使得道砟級(jí)配超過(guò)一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)，后隨著作業(yè)遍數(shù)的增加，超標(biāo)量逐步增大。

2.3 兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式的試驗(yàn)結(jié)果和分析

按照一搗一穩(wěn)同樣的方法對(duì)兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，得到兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)模式對(duì)道砟級(jí)配的影響結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4得出以下結(jié)論：道砟級(jí)配隨著兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)遍數(shù)的增加，粒徑16 mm以下，16 mm～25 mm,25 mm～35.5 mm，35.5 mm～45 mm道砟占比逐步增加，而粒徑45 mm～56 mm,56 mm～63 mm道砟占比逐步減少。其中經(jīng)歷第6遍作業(yè)以后，粒徑16 mm以下道砟增加了190.48%、增加量占整體道砟的4.00%，粒徑16 mm～25 mm道砟增加了76.58%、增加量占整體道砟的8.50%，粒徑25 mm～35.5 mm道砟增加了5.53%、增加量占整體道砟的1.30%，粒徑35.5 mm～45 mm粒徑道砟增加了1.05%、增加量占整體道砟的0.30%，粒徑45 mm～56 mm道砟減少了-25.19%、減少量占整體道砟的-6.70%，粒徑56 mm～63 mm道砟減少了-91.36%、減少量占整體道砟的-7.40%。參照新建鐵路一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)，大機(jī)兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)在第2遍開(kāi)始使得道砟級(jí)配超過(guò)一級(jí)道砟標(biāo)準(zhǔn)，后隨著作業(yè)遍數(shù)的增加，超標(biāo)量逐步增大。

表4 試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果(二)

綜合上述3種組合作業(yè)模式可以看出：不管哪種組合作業(yè)模式，隨著作業(yè)遍數(shù)的增加，都會(huì)使粒徑56 mm以上道砟破壞成粒徑45 mm以下的道砟，意味著大粒徑道砟隨著大機(jī)作業(yè)遍數(shù)的增加會(huì)逐步破碎成為小粒徑道砟，使得道砟級(jí)配發(fā)生改變。因此建議在不回砟的情況下，一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)控制在3遍以內(nèi)，兩搗一穩(wěn)作業(yè)控制在2遍以內(nèi)，不然易造成一級(jí)道砟級(jí)配的破壞。

3 不同作業(yè)模式道砟級(jí)配破壞分析

將一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)、兩搗一穩(wěn)3種大機(jī)組合作業(yè)模式的道砟初始級(jí)配和第6遍作業(yè)后的道砟級(jí)配進(jìn)行對(duì)比分析如圖3所示，發(fā)現(xiàn)3種模式道砟初級(jí)級(jí)配數(shù)據(jù)基本一致，經(jīng)過(guò)6遍作業(yè)以后，發(fā)現(xiàn)一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)兩種作業(yè)模式道砟級(jí)配變化十分相近，而兩搗一穩(wěn)比一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)作業(yè)后的級(jí)配差別較大，在兩搗一穩(wěn)作業(yè)模式中，小粒徑道砟增加較為顯著。

在3種組合作業(yè)模式中，每遍一搗兩穩(wěn)和兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)分別在一搗一穩(wěn)基礎(chǔ)上多增加一次穩(wěn)定和一次搗固作業(yè)，因此可以一搗一穩(wěn)組合作業(yè)為比較標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分析3種模式道砟破壞影響。為了進(jìn)一步分析反映不同大機(jī)組合作業(yè)模式對(duì)道砟級(jí)配破壞之間的研究，減少初始道砟級(jí)配對(duì)比較結(jié)果的影響，定義同一作業(yè)遍數(shù)下不同組合作業(yè)模式之間道砟級(jí)配相差率e作為評(píng)定指標(biāo)，由式(3)進(jìn)行計(jì)算。

e=δ-δ0

(3)

其中，δ0為一搗一穩(wěn)作業(yè)道砟質(zhì)量變化率；δ為一搗兩穩(wěn)或兩搗一穩(wěn)作業(yè)道砟質(zhì)量變化率。

根據(jù)表2～表4中得到的隨大機(jī)作業(yè)遍數(shù)道砟質(zhì)量變化率，利用式(3)得到一搗兩穩(wěn)、兩搗一穩(wěn)相對(duì)于一搗一穩(wěn)作業(yè)道砟相差率見(jiàn)圖4。

得到如下結(jié)論：

1)一搗一穩(wěn)和一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力穩(wěn)定車作業(yè)對(duì)道砟級(jí)配破壞相對(duì)較小，在相同遍數(shù)下各粒徑道砟級(jí)配破壞相差率在10%以內(nèi)。

2)一搗一穩(wěn)和兩搗一穩(wěn)組合作業(yè)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，搗固車對(duì)道砟級(jí)配破壞比較大，各粒徑道砟級(jí)配破壞質(zhì)量變化相差率最大達(dá)135.93%，明顯將大粒徑56 mm以上的道砟逐步破壞成小粒徑25 mm以下的道砟。

4 結(jié)論

大機(jī)組合作業(yè)是改善鐵路有砟軌道幾何不平順的主要手段，但在施工作業(yè)過(guò)程中會(huì)破壞道砟的初始級(jí)配。本文采用3種大機(jī)組合作業(yè)模式來(lái)研究道砟在不同作業(yè)模式下的破壞規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

1)隨著作業(yè)遍數(shù)的增加，都會(huì)使粒徑56 mm及以上道砟破壞成粒徑45 mm以下的道砟，使得道砟級(jí)配發(fā)生改變。

2)不同組合作業(yè)模式中比較發(fā)現(xiàn)，搗固車對(duì)道砟破壞較為明顯，第6遍作業(yè)后各粒徑道砟級(jí)配破壞質(zhì)量變化相差率最高達(dá)135.93%，而穩(wěn)定車作業(yè)對(duì)道砟級(jí)配破壞相對(duì)較小，各粒徑道砟級(jí)配破壞相差率在10%以內(nèi)。

3)在不回砟大機(jī)組合作業(yè)模式施工中，如線路中線撥道作業(yè)，建議一搗一穩(wěn)、一搗兩穩(wěn)組合作業(yè)控制在3遍以內(nèi)，兩搗一穩(wěn)作業(yè)控制在2遍以內(nèi)，以免造成一級(jí)道砟級(jí)配破壞嚴(yán)重。