王眾保 許永賢 王紅 郄錄朝 徐旸

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)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(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)形式，歷經(jīng)近200年的發(fā)展，憑借結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和易于養(yǎng)護維修的特點，目前仍是世界鐵路采用的主要線路結(jié)構(gòu)。有砟軌道散體道床服役狀態(tài)對運營安全有較大影響［1］，其養(yǎng)護維修作業(yè)已高度機械化。對于大型搗固車作業(yè)，研究搗固裝置參數(shù)設(shè)置對作業(yè)效果的影響規(guī)律，對于長久保持有砟軌道幾何狀態(tài)，提高維修經(jīng)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(xué)的Aursudkij 等［2］在室內(nèi)建立軌道等尺寸模型，用小型搗固設(shè)備開展搗固參數(shù)的優(yōu)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(tài)與道床性能之間的關(guān)系；耿興利［4］采用離散元方法建立簡易道床模型，從外部導(dǎo)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(tài)，獲取最佳搗固參數(shù)；劉暢［5］利用離散元軟件PFC 建立單根軌枕的道床模型，用規(guī)則排列球單元構(gòu)造1副搗固鎬模型，通過空隙率和配位數(shù)分析搗固作業(yè)對道床力學(xué)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(yè)，以道床密實度為評價標準，研究最優(yōu)振動頻率和振幅。由于已有研究中搗固鎬數(shù)量與大型養(yǎng)路機械實際配置數(shù)量差異較大，且未考慮搗固鎬幾何外形對搗固質(zhì)量的影響，所以研究結(jié)果存在一定的局限性。此外應(yīng)圍繞作業(yè)中道砟顆粒的動力學(xué)狀態(tài)，結(jié)合枕下道砟數(shù)量的變化，進行搗固作業(yè)效果評價。

本文在單根軌枕半枕區(qū)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(yè)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(shù)量4個方面，對搗固質(zhì)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(yǎng)路機械搗固作業(yè)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(chuàng)建或?qū)霗C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(dǎo)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(guān)系均由不同參數(shù)按照實際情況進行調(diào)節(jié)。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(huán)迭代，能時時更新單元的運動狀態(tài)。

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(gòu)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(yīng)，采用3 根軌枕模型，只對2 號軌枕的半枕及其兩側(cè)枕盒進行數(shù)據(jù)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(dǎo)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(jù)大型搗固車的作業(yè)要求［9］，搗固作業(yè)主要包括：①初始位置，作業(yè)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(yè)結(jié)束。將上述作業(yè)流程反映在仿真模型中，如圖3所示。

圖3 搗固作業(yè)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(shè)，即單元為剛性體，系統(tǒng)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(chǔ)上進行大量細觀參數(shù)的試驗分析，最終確定的各單元參數(shù)見表1，單元間接觸參數(shù)見表2。

表1 單元參數(shù)

表2 單元間接觸參數(shù)

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(jié)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(yè)使用2副搗固鎬的小型搗固設(shè)備，按照常規(guī)搗固作業(yè)程序完成動作，并在搗固結(jié)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(chǔ)上，采用2副搗固鎬，按照文獻相同的作業(yè)步驟，得到半枕的受力與位移關(guān)系曲線，見圖4。

從圖4 可以看出，2 副搗固鎬-道床模型試驗?zāi)M曲線與對比工況變化趨勢相同，各點數(shù)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(yǎng)路機械搗固的作業(yè)過程準確可靠。

圖4 搗固裝置-道床模型仿真結(jié)果與搗固試驗結(jié)果對比

2 搗固作業(yè)參數(shù)對搗固效果的影響

搗固作業(yè)過程中道砟顆粒的受力及運動狀態(tài)能夠反映搗固作業(yè)效果。在其他作業(yè)參數(shù)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(chǎn)生沖擊，這也是現(xiàn)場搗固后道砟出現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)采集區(qū)域的設(shè)置

影響搗固效果的搗固參數(shù)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(guī)律。搗固作業(yè)參數(shù)的設(shè)置見表3。

表3 搗固作業(yè)參數(shù)的設(shè)置

在仿真模擬過程中，為了能夠準確得到不同作業(yè)參數(shù)、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(jù)文獻［12］和試驗，確定枕下數(shù)據(jù)采集區(qū)域為1.4 m×0.4 m×0.2 m，采集區(qū)域上表面距枕底2 cm，枕盒數(shù)據(jù)采集區(qū)域為1.3 m×0.3 m×0.5 m，采集區(qū)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(yè)時間最長的夾持階段讓道砟顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動量相對較小，所以在這一階段道砟顆粒的轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)極大值，說明在此插鎬速度下夾持階段的搗固作業(yè)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(xiàn)極大值，表明在此插鎬深度下?lián)v固作業(yè)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(yè)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(yīng)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(guān)系?？芍翰煌彐€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(xiàn)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(yè)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(guān)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(guān)。道砟顆粒的運動包括平動與轉(zhuǎn)動，也可以考慮為平動動能與轉(zhuǎn)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(yè)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(shù)據(jù)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?lián)v固作業(yè)對道砟狀態(tài)影響較小。

2.5 搗固完成后枕下道砟顆粒的增加數(shù)量

搗固作業(yè)的目的是向枕底推送道砟顆粒，因此搗固作業(yè)完成后枕下道砟顆粒的增加數(shù)量是衡量搗固效果的重要標準。圖9是不同插鎬速度下?lián)v固作業(yè)各階段枕下道砟顆粒數(shù)量增長率變化情況?？梢钥闯觯S著搗固作業(yè)的進行，枕下道砟顆粒數(shù)量呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。插鎬速度0.5 m/s 時在整個搗固作業(yè)過程中枕下道砟顆粒數(shù)量的增長率較大，說明插鎬速度0.5 m/s時搗固作業(yè)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?lián)v固作業(yè)各階段枕下道砟顆粒數(shù)量增長率變化情況

圖10 是不同插鎬深度下?lián)v固作業(yè)各階段枕下道砟顆粒數(shù)量增長率的變化情況?？梢钥闯觯彐€深度為90 mm 時除在搗固鎬下插階段枕下道砟顆粒數(shù)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?lián)v固作業(yè)各階段枕下道砟顆粒數(shù)量增長率變化情況

3 結(jié)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(dǎo)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?lián)v固作業(yè)對道砟運動狀態(tài)的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）插鎬速度0.5 m/s 時對作業(yè)區(qū)域道砟狀態(tài)影響最小，并且向枕底推送道砟的數(shù)量較多。

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

大型養(yǎng)路機械搗固參數(shù)優(yōu)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。