重載鐵路有砟道床搗固作業(yè)參數(shù)的合理取值

劉學(xué)敏

國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司， 北京 100011

在重載列車荷載作用下線路質(zhì)量狀態(tài)惡化較快，維修作業(yè)量隨之加大［1］。采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行線路搗固作業(yè)可有效提高道床穩(wěn)定性［2］。研究搗固參數(shù)對(duì)道床狀態(tài)的影響，進(jìn)而確定合理的搗固參數(shù)取值，對(duì)于提高重載鐵路維修作業(yè)質(zhì)量和效率具有重要意義。

對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)參數(shù)有一些研究。張亞晴等［3］建立高速鐵路簡(jiǎn)易道砟箱數(shù)值模型，研究得出搗鎬振動(dòng)頻率44 Hz、振幅6.2 mm時(shí)道床密實(shí)度最大。鄭瑤等［4］建立針對(duì)窄級(jí)配有砟道床的道砟箱數(shù)值模型，研究得出搗鎬振動(dòng)頻率41 Hz、振幅6.6 mm時(shí)道床密實(shí)度最大。張帥輝［5］建立高速鐵路實(shí)尺有砟道床數(shù)值模型，研究得出搗鎬振動(dòng)頻率52.3 Hz、振幅5.9 mm時(shí)道床密實(shí)度和道床橫向阻力最大。周春卓［6］建立不同針片狀道砟含量的有砟道床數(shù)值模型，研究得出針片狀道砟含量30%以上，搗鎬振動(dòng)頻率35 Hz、振幅7 mm、插鎬速度1.0 m/s時(shí)道砟配位數(shù)最大。王眾保等［7］建立普速鐵路半枕區(qū)域有砟道床數(shù)值模型，分析不同插鎬速度和插鎬深度對(duì)道砟壓力和動(dòng)能的影響，發(fā)現(xiàn)插鎬速度0.5 m/s、插鎬深度20 mm時(shí)搗固對(duì)道砟壓力和動(dòng)能的影響最小。楊軼科［8］建立普速鐵路實(shí)尺有砟道床數(shù)值模型，分析不同插鎬深度對(duì)道床密實(shí)度和道砟配位數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)插鎬深度15 ～20 mm時(shí)搗固對(duì)道床密實(shí)度和道砟配位數(shù)的提升效果較好。劉居真等［9］建立含空吊軌枕的普速實(shí)尺有砟道床數(shù)值模型，分析不同搗鎬振動(dòng)頻率、插鎬速度、插鎬深度對(duì)道床密實(shí)度和道床垂向剛度的影響，發(fā)現(xiàn)搗鎬振動(dòng)頻率25 Hz、插鎬速度1.6 m/s、插鎬深度35 mm時(shí)搗固對(duì)道床密實(shí)度和道床垂向剛度的提升效果最好，對(duì)空吊病害的整治效果明顯。由以上研究可知，不同數(shù)值模型、搗固參數(shù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于合理確定搗固參數(shù)都有影響。

本文根據(jù)朔黃鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)實(shí)際情況，建立搗鎬群和有砟道床的耦合模型，模擬大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)，分析不同搗固參數(shù)對(duì)作業(yè)后道床狀態(tài)參數(shù)（道床密實(shí)度、道砟配位數(shù)、道床垂向剛度）的影響，為合理確定朔黃鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)參數(shù)提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 有砟道床模型

有砟道床主要由道砟和軌枕兩部分組成。參考文獻(xiàn)［10］，考慮四類道砟顆粒實(shí)際形態(tài)，采取球體疊加的方式進(jìn)行模擬，得到四類道砟顆粒，見(jiàn)圖1。

圖1 四類道砟顆粒

軌枕采用Ⅲ型混凝土軌枕。為減少邊界效應(yīng)，設(shè)置3根軌枕，軌枕間距為600 mm，針對(duì)中間軌枕進(jìn)行搗固作業(yè)模擬與道床狀態(tài)分析。根據(jù)朔黃鐵路道床斷面實(shí)際情況，砟肩寬度取500 mm，道床底部?jī)艨諈^(qū)域高度取300 mm，邊坡坡度取1∶1.75［11］。

根據(jù)TB/ T 2140—2008《鐵路碎石道砟》中對(duì)道砟級(jí)配的要求，在離散元軟件EDEM中首先令道砟顆粒隨機(jī)生成并自由下落，然后布置軌枕，得到重載鐵路有砟道床數(shù)值模型，見(jiàn)圖2。

圖2 重載鐵路有砟道床數(shù)值模型

參考文獻(xiàn)［12-14］，確定有砟道床數(shù)值模型中道砟、軌枕的材料參數(shù)和接觸參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

1.2 搗固作業(yè)模擬

根據(jù)線路搗固車搗鎬裝置幾何尺寸，首先在機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SOLIDWORKS中建立搗鎬群三維實(shí)體模型，然后將其導(dǎo)入到有砟道床數(shù)值模型中，構(gòu)成搗鎬群和有砟道床的耦合模型（圖3），模擬朔黃鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)。

圖3 搗鎬群和有砟道床的耦合模型

朔黃鐵路搗固作業(yè)時(shí)不進(jìn)行穩(wěn)定作業(yè)，且一次搗固作業(yè)包含兩次插鎬過(guò)程。根據(jù)朔黃鐵路現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際情況，搗鎬群對(duì)有砟道床的作用過(guò)程設(shè)置為：①0 ～ 0.2 s為起道階段，抬升軌枕進(jìn)行起道，起道量20 mm。②0.2 ～ 1.6 s為第一次插鎬過(guò)程。其中0.2 ～0.6 s為下插階段，搗鎬以1.0 m/s的速度下插至枕下85 mm，插鎬深度15 mm；0.6 ～ 1.2 s為夾持階段，搗鎬夾持道砟并振動(dòng)，夾持時(shí)間為0.6 s，搗鎬振動(dòng)頻率為35 Hz、振幅為6 mm；1.2 ～ 1.6 s為撤出階段，搗鎬以1.0 m/s的速度抬起并撤出道床。第一次插鎬結(jié)束后，給有砟道床0.6 s的時(shí)間使之靜止。③2.2 ～3.6 s為第二次插鎬過(guò)程，與第一次插鎬過(guò)程一致。第二次插鎬結(jié)束后再給有砟道床0.6 s的時(shí)間使之靜止，4.2 s搗固作業(yè)結(jié)束。

1.3 模型驗(yàn)證

以朔黃鐵路一區(qū)段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［15］為參照，數(shù)值模擬該區(qū)段道床清篩后的四搗三穩(wěn)作業(yè)，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。選擇四搗三穩(wěn)工況進(jìn)行驗(yàn)證，是考慮到維修作業(yè)前道床狀態(tài)千差萬(wàn)別，本文所建立搗鎬群和有砟道床耦合模型的初始狀態(tài)無(wú)法與測(cè)試區(qū)段一致，若只對(duì)比單次大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)后的數(shù)據(jù)，難以反映作業(yè)效果。

首先采用搗鎬群和有砟道床耦合模型模擬四搗三穩(wěn)作業(yè)全過(guò)程，然后在中間軌枕勻速緩慢施加橫向荷載，提取中間軌枕所受的道床橫向阻力與軌枕重心處橫向位移數(shù)據(jù)，繪制道床橫向阻力-軌枕橫向位移曲線，見(jiàn)圖4。其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值經(jīng)去噪處理。

圖4 道床橫向阻力-軌枕橫向位移曲線

由圖4可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值變化趨勢(shì)一致且數(shù)值上較接近，說(shuō)明所建立模型有一定的準(zhǔn)確性，可較好地反映重載鐵路有砟道床受力狀態(tài)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 搗鎬振動(dòng)頻率對(duì)道床狀態(tài)的影響

插鎬速度為1.0 m/s，插鎬深度為15 mm，對(duì)搗鎬振動(dòng)頻率25、35、45 Hz三種工況進(jìn)行對(duì)比分析。

1）道床密實(shí)度

道床密實(shí)度是指道床區(qū)域內(nèi)道砟顆?？傮w積與道床區(qū)域體積的比值，是反映道床穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。道床密實(shí)度越大，道床穩(wěn)定性越好。

不同搗鎬振動(dòng)頻率下中間軌枕底部道床密實(shí)度對(duì)比見(jiàn)圖5。由于起道階段道床狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變，故搗固作業(yè)過(guò)程中0 ～ 0.2 s對(duì)應(yīng)的道床密實(shí)度即為搗固前道床密實(shí)度。

圖5 不同搗鎬振動(dòng)頻率下枕底道床密實(shí)度對(duì)比

由圖5可知：①不同搗鎬振動(dòng)頻率下枕底道床密實(shí)度變化趨勢(shì)一致，均隨著搗固作業(yè)的進(jìn)行而逐漸增大。②搗固前枕底道床密實(shí)度為50.25%，搗鎬振動(dòng)頻率為25、35、45 Hz時(shí)，搗固結(jié)束時(shí)（第4.2 s）枕底道床密實(shí)度分別為56.89%、56.48%、56.41%。與搗固前相比，增幅分別為13.21%、12.40%、12.26%，三種工況增幅相差在1%以內(nèi)，說(shuō)明搗鎬振動(dòng)頻率改變對(duì)道床密實(shí)度的影響不大。

2）道砟配位數(shù)

道砟配位數(shù)是指道砟顆粒與相鄰道砟顆粒的接觸數(shù)量，可表征道床區(qū)域內(nèi)道砟間接觸狀態(tài)。道砟配位數(shù)越大，道砟顆粒接觸狀態(tài)越好，道床穩(wěn)定性越好。

不同搗鎬振動(dòng)頻率下中間軌枕底部道砟平均配位數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 不同搗鎬振動(dòng)頻率下枕底道砟平均配位數(shù)對(duì)比

由圖6可知：①不同搗鎬振動(dòng)頻率下枕底道砟平均配位數(shù)變化趨勢(shì)接近，下插階段道砟平均配位數(shù)逐漸減小，夾持階段逐漸增大，撤出階段基本穩(wěn)定。不同搗鎬振動(dòng)頻率下枕底道砟平均配位數(shù)的差異主要體現(xiàn)在夾持階段。該階段道砟平均配位數(shù)劇烈波動(dòng)，表明道砟重新排列運(yùn)動(dòng)幅度較大。②搗固前枕底道砟平均配位數(shù)為4.15，搗鎬振動(dòng)頻率為25、35、45 Hz時(shí)，搗固結(jié)束時(shí)枕底道砟平均配位數(shù)分別為4.31、4.27、4.26，增幅分別為3.86%、2.89%、2.65%，說(shuō)明搗鎬振動(dòng)頻率改變對(duì)道砟配位數(shù)的影響不大。

3）道床垂向剛度

道床垂向剛度可用于衡量道床承受垂向荷載的能力，也是反映道床穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。道床垂向剛度越大，承受垂向荷載的能力越強(qiáng)，道床穩(wěn)定性越好。

兩次插鎬結(jié)束后，再次給有砟道床4.0 s的時(shí)間使之靜止，然后向中間軌枕勻速緩慢施加垂向荷載，提取中間軌枕所受的垂向荷載與軌枕重心處垂向位移數(shù)據(jù)，繪制不同搗鎬振動(dòng)頻率下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線，見(jiàn)圖7。搗固前數(shù)據(jù)是從未搗固的搗鎬群和有砟道床耦合模型中獲取的。垂向位移0.15 ～0.50 mm區(qū)間曲線割線斜率即為道床垂向剛度，下同。

圖7 不同搗鎬振動(dòng)頻率下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線

由圖7可知：①不同搗鎬振動(dòng)頻率下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線變化趨勢(shì)一致。②搗固前道床垂向剛度為15.70 kN/mm，搗鎬振動(dòng)頻率為25、35、45 Hz時(shí)，搗固后垂向剛度分別為16.73、21.09、19.49 kN/mm，增幅分別為6.56%、34.33%、24.14%，說(shuō)明搗鎬振動(dòng)頻率改變對(duì)道床垂向剛度的影響大。三種工況中，搗鎬振動(dòng)頻率為35 Hz時(shí)，搗固對(duì)道床垂向剛度的提升效果最好。

綜上，搗鎬振動(dòng)頻率主要影響道床垂向剛度。對(duì)于朔黃鐵路搗固作業(yè)，插鎬速度為1.0 m/s，插鎬深度為15 mm時(shí)，搗鎬振動(dòng)頻率宜取35 Hz。

2.2 插鎬速度對(duì)道床狀態(tài)的影響

依據(jù)2.1節(jié)分析結(jié)果，搗鎬振動(dòng)頻率取35 Hz。插鎬深度為15 mm，對(duì)插鎬速度0.5、1.0、1.5 m/s三種工況進(jìn)行對(duì)比分析。

1）道床密實(shí)度

不同插鎬速度下中間軌枕底部道床密實(shí)度對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 不同插鎬速度下枕底道床密實(shí)度對(duì)比

由圖8可知：①不同插鎬速度下枕底道床密實(shí)度變化趨勢(shì)一致，均隨著搗固作業(yè)的進(jìn)行而逐漸增大。②搗固前枕底道床密實(shí)度為50.25%，插鎬速度為0.5、1.0、2.0 m/s時(shí)，搗固結(jié)束時(shí)枕底道床密實(shí)度分別為55.95%、56.48%、56.25%，增幅分別為11.34%、12.40%、11.94%，說(shuō)明插鎬速度改變對(duì)道床密實(shí)度的影響不大。相對(duì)而言，插鎬速度為1.0 m/s時(shí)，搗固對(duì)道床密實(shí)度的提升效果較好。

2）道砟配位數(shù)

不同插鎬速度下中間軌枕底部道砟平均配位數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖9。

圖9 不同插鎬速度下枕底道砟平均配位數(shù)對(duì)比

由圖9可知：①不同插鎬速度下枕底道砟平均配位數(shù)的差異主要體現(xiàn)在下插階段，枕底道砟平均配位數(shù)隨插鎬速度增大而減??；夾持階段枕底道砟平均配位數(shù)有波動(dòng)，但是各工況相差不大。②搗固前枕底道砟平均配位數(shù)為4.15，插鎬速度為0.5、1.0、2.0 m/s時(shí)，搗固結(jié)束時(shí)枕底道砟平均配位數(shù)分別為4.24、4.27、4.18，增幅分別為2.17%、2.89%、0.72%，說(shuō)明插鎬速度改變對(duì)道砟平均配位數(shù)的影響不大。相對(duì)而言，插鎬速度為1.0 m/s時(shí)，搗固對(duì)道砟平均配位數(shù)的提升效果較好。

3）道床垂向剛度

不同插鎬速度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線見(jiàn)圖10?？芍孩俨煌彐€速度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線變化趨勢(shì)一致。②搗固前道床垂向剛度為15.70 kN/mm，插鎬速度為0.5、1.0、2.0 m/s時(shí)，搗固后道床垂向剛度分別為19.75、21.09、21.10 kN/mm，增幅分別為25.80%、34.33%、34.39%。插鎬速度為1.0、2.0 m/s兩種工況的道床垂向剛度增幅較大且兩種工況基本一致。

圖10 不同插鎬速度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線

綜上，插鎬速度主要影響道床垂向剛度。綜合考慮道床穩(wěn)定性和搗固車的能耗，對(duì)于朔黃鐵路搗固作業(yè)，搗鎬振動(dòng)頻率為35 Hz，插鎬深度為15 mm時(shí)，插鎬速度宜取1.0 m/s。

2.3 插鎬深度對(duì)道床狀態(tài)的影響

根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)的分析結(jié)果，搗鎬振動(dòng)頻率取35 Hz，插鎬速度取1.0 m/s，對(duì)插鎬深度5、15、25 mm三種工況進(jìn)行對(duì)比分析。

1）道床密實(shí)度

不同插鎬深度下中間軌枕底部道床密實(shí)度對(duì)比見(jiàn)圖11。插鎬速度相同、插鎬深度不同，導(dǎo)致不同插鎬深度下各階段的起訖時(shí)間節(jié)點(diǎn)不相同。圖中以綠色空心圓點(diǎn)標(biāo)示不同插鎬深度下各起訖時(shí)間節(jié)點(diǎn)，下同。

圖11 不同插鎬深度下枕底道床密實(shí)度對(duì)比

由圖11可知：①不同插鎬深度下枕底道床密實(shí)度變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值上相差不大。②搗固前枕底道床密實(shí)度為50.25%，插鎬深度為5、15、25 mm時(shí)，搗固結(jié)束時(shí)枕底道床密實(shí)度分別為56.47%、56.48%、56.86%，增幅分別為12.38%、12.40%、13.15%，說(shuō)明插鎬速度改變對(duì)道床密實(shí)度的影響不大。

2）道砟配位數(shù)

不同插鎬深度下中間軌枕底部道砟平均配位數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖12?？芍孩俨煌彐€深度下枕底道砟平均配位數(shù)變化趨勢(shì)接近。②搗固前枕底道砟平均配位數(shù)為4.15，插鎬深度為5、15、25 mm時(shí)，搗固結(jié)束時(shí)枕底道砟平均配位數(shù)分別為4.33、4.27、4.30，增幅分別為4.34%、2.89%、3.61%，說(shuō)明插鎬深度改變對(duì)道砟平均配位數(shù)的影響不大。

圖12 不同插鎬深度下枕底道砟平均配位數(shù)對(duì)比

3）道床垂向剛度

不同插鎬深度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線見(jiàn)圖13。

圖13 不同插鎬深度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線

由圖13可知：①不同插鎬深度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線變化趨勢(shì)一致。②搗固前道床垂向剛度為15.70 kN/mm，插鎬深度為5、15、25 mm時(shí)，搗固后道床垂向剛度分別為20.17、21.09、25.79 kN/mm，增幅分別為28.47%、34.33%、64.27%，說(shuō)明插鎬深度改變對(duì)道床垂向剛度的影響大。三種工況中，插鎬深度為25 mm時(shí)，搗固對(duì)道床垂向剛度的提升效果最好。

綜上，插鎬深度主要影響道床垂向剛度。對(duì)于朔黃鐵路搗固作業(yè)，合理?yè)v固參數(shù)為：搗鎬振動(dòng)頻率35 Hz，插鎬速度1.0 m/s，插鎬深度25 mm。

3 結(jié)論

1） 與搗固前相比，搗固后各項(xiàng)道床狀態(tài)參數(shù)均有所增大，道床密實(shí)度增幅在11.34% ～ 13.21%，道砟配位數(shù)增幅在0.72% ～ 4.34%，道床垂向剛度增幅在6.56% ～ 64.27%。這表明在一定范圍內(nèi)改變搗固參數(shù)對(duì)道床密實(shí)度和道床垂向剛度的影響比較明顯，而對(duì)道砟配位數(shù)的影響不大。

2） 搗鎬振動(dòng)頻率、插鎬速度和插鎬深度均主要影響道床垂向剛度。對(duì)于朔黃鐵路搗固作業(yè)，合理?yè)v固參數(shù)為：搗鎬振動(dòng)頻率35 Hz，插鎬速度1.0 m/s，插鎬深度25 mm。

本文建議的搗固參數(shù)已在朔黃鐵路部分站線搗固作業(yè)中試用，效果良好。本文是從數(shù)值計(jì)算角度分析搗固參數(shù)對(duì)重載鐵路有砟道床狀態(tài)的影響，由于模型簡(jiǎn)化等問(wèn)題難免存在不足，所建議的搗固參數(shù)還需在長(zhǎng)期實(shí)踐中不斷優(yōu)化。