有砟铁路捣固密实的数值模拟研究*

周陶勇，胡　斌

(1.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500；2.中国铁建高新装备股份有限公司，云南 昆明 650215)



有砟铁路捣固密实的数值模拟研究*

周陶勇1，胡斌2

(1.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500；2.中国铁建高新装备股份有限公司，云南 昆明 650215)

有砟铁路捣固作业的目的是提高道床的密实度，由于传统的灌水法检测道床密实度会对道床造成不必要的扰动，而采用γ射线法进行检测，又有放射性危害，这就给捣固效果的评价带来了一定困难。为了研究捣固过程中道床密实特性，运用离散元的分析方法，创建了有砟铁路捣固作业的离散元分析模型，计算分析了捣固作业过程中捣固区域道床密实度的变化规律以及捣镐的振动频率对捣固效果的影响。分析表明，捣固作业过程中捣固区域的道床密实度在夹持阶段最高，捣固结束后有所下降，但是比捣固前还是有所提高；捣镐的振动频率为35～40 Hz时，捣固效果较好。

有砟铁路；捣固作业；道床密实度；离散元

捣固作业是有砟铁路线路养护维修过程中一项非常重要的工序，对提高道床的密实度、增强轨道的稳定性和保证列车运行的安全发挥着重要的作用[1-2]。为了评价捣固作业的效果，应对道床密实度进行检测，然而传统的灌水法检测道床密实度需要在检测区域检出道砟， 这样就不可避免地对道床造成扰动。也可采用γ射线法检测道床密实度，由于γ射线具有放射性，对检测人员和周围环境可能会造成危害，这就给捣固效果的评价和捣固参数的选取带来了一定的困难。

近年来，随着离散元分析方法的快速发展[3-6]，在有砟铁路捣固作业过程中，道床密实特性的研究展现了一种全新的研究思路。本文运用离散元的分析方法创建有砟铁路捣固作业的离散元分析模型，计算分析捣固区域道床密实度的变化规律，并探讨捣固参数对捣固作业效果的影响，为捣固参数的选取提供参考。

1　捣固作业的离散元分析模型

有砟铁路捣固作业是由捣固装置中捣镐按照一定的捣固参数对有砟道床进行捣固，在整个捣固过程中，有砟道床除了受到来自轨枕的作用和约束之外，主要是受捣镐对道砟的激振和夹持作用。捣固装置中其他零部件主要是为捣镐的运动提供动力和起支承作用，其相关的力学参数在数值模拟时可以直接通过捣镐进行设置。

在创建捣固作业的离散元分析模型时，为了提高计算效率，可以只考虑道砟的颗粒形状模型和接触力学模型、轨枕和捣镐的几何模型以及捣镐的力学模型等。下述运用离散元的分析方法，分别探讨这些模型的创建方法。

1.1道砟的颗粒形状模型

目前，三维离散元软件中创建形状不规则颗粒的方式主要有2种，分别是球体组合和球体叠加[7-8]。本文通过球体叠加的方式创建了3种形状大小各不相同的颗粒族模型，来模拟道砟的真实模型(见图1)。

图1　道砟的颗粒形状模型

1.2道砟的接触力学模型

道砟的接触力学模型如图2所示。道砟颗粒之间不承受拉力作用，主要承受由于接触产生的法向压力和切向剪力，其中法向压力由法向弹簧刚度系数和法向阻尼系数确定，切向剪力则是由切向弹簧刚度系数和切向阻尼系数以及摩擦因数共同确定。本文弹簧刚度系数设置为108N/m，阻尼系数设置为0.7 Ns/m，摩擦因数设置为0.5。

图2　道砟的接触力学模型

1.3轨枕和捣镐的几何模型

在离散元分析模型中，除了颗粒以外的几何体，都可以在离散元软件中直接创建；或者可以在其他CAD软件中创建，然后再导入到离散元软件中[9]。本文中的轨枕和捣镐，采用在离散元软件中直接创建。实际捣固作业，通常是对轨枕两端同时进行，可以是单枕，也可以是双枕，还可以是三枕，甚至是四枕。为了研究方便，本文考虑单端单枕捣固，这是由于轨枕两端是完全对称的，可以只考虑单端。其中轨枕部分，除了被捣固区域的轨枕外，还要考虑相邻轨枕对捣固区域的影响，因此，创建3根轨枕；而捣镐部分，按照单端单枕捣固考虑，是由2对捣镐组成。

1.4捣镐的力学模型

在捣固作业过程中，捣镐是按照一定的捣固参数进行工作的，因此，在离散元软件中需要按照一定的捣固参数对捣镐的动力特性进行设置。在捣固作业过程中，首先是捣镐插入道床，接着夹持道砟并保持一段时间，然后松开并提起。在整个捣固作业过程中，捣镐始终保持一定频率和振幅的振动。

创建的有砟铁路捣固作业的离散元分析模型如图3所示。

图3　捣固作业的仿真模型

2　仿真分析

捣固作业的目的是提高道床的密实程度，道床的密实程度可以用道床密实度来表示。对于捣固区域来说，道床密实度可以定义为捣固区域内道砟颗粒体积所占捣固区域道床体积的百分比，这个百分比可以在仿真过程中进行计算并提取出来。

2.1捣固区域的道床密实度

在捣固作业离散元仿真分析过程中，为了计算道床密实度，需要确定捣固区域的边界。本文选择中间轨枕下方的捣固区域作为边界(见图4中方框部分)。通过编程实时跟踪道砟颗粒质心位置的变化情况，并判断道砟颗粒的质心位置是否在捣固区域边界内，如果在捣固区域边界内，就统计为捣固区域内道砟颗粒，从而计算出捣固区域的道床密实度。

图4　提取道床密实度的捣固区域

根据仿真计算并提取捣固区域道床密实度绘制成曲线(见图5)，表示捣固区域道床密实度在捣固过程中的变化情况。

图5　捣固区域道床密实度的变化情况

从图5中的曲线可以看出，捣固区域道床密实度在夹持阶段增加的比较多，在松开提起阶段有所下降，但是比捣固前还是有所增加，说明经过捣固作业，捣固区域道床的密实程度有所提高。图5中方框部分是表示捣镐提起后的道床密实度。

2.2捣镐的振动频率对捣固效果的影响

为了研究捣固参数对捣固效果的影响，可以通过改变捣固参数进行仿真计算，并提取捣固区域的道床密实度。捣固参数比较多，比如捣镐的振动频率、振幅、夹持时间和夹持力等，本文选取捣镐的振动频率研究其对捣固效果的影响。

为了研究捣镐的振动频率对捣固效果的影响，假定道床的初始状态一定，只改变捣镐的振动频率，其他捣固参数保持不变，通过仿真计算并提取捣镐提起后的道床密实度(见图6)，从而体现捣镐的振动频率对捣固效果的影响。

图6　振动频率对道床密实度的影响

从图6可以看出，当捣镐的振动频率为35～40 Hz时，捣固效果较好。

3　结语

根据有砟铁路道床的散粒体特点，运用离散元分析方法，在离散元分析软件中创建了有砟铁路捣固作业的离散元分析模型，分析了捣固作业过程中捣固区域道床密实度的变化规律以及捣镐的振动频率对捣固效果的影响，这对捣固作业的密实机理研究有一定的促进作用，并将有助于捣固作业参数的选取。

[1] 刘毅,龚国芳,闵超庆.捣固机械激振技术现状与展望[J].机械工程学报,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] 张徐，赵春发，翟婉明.铁路碎石道砟静态压碎行为数值模拟[J].西南交通大学学报, 2015,50(1):137-143.

[4] 高亮，罗奇，徐旸，等.基于离散元法的铁路道床力学特性[J].同济大学学报：自然科学版,2014, 42(7):1064-1069.

[5] 井国庆,封坤,高亮,等.循环荷载作用下道砟破碎老化的离散元仿真[J].西南交通大学学报, 2012,47(2):187-191.[6] 肖宏,高亮,侯博文.铁路道床振动特性的三维离散元分析[J].铁道工程学报,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.铁路散体道床捣固作业的离散元分析[J].新技术新工艺,2016(2):62-64.

*云南省教育厅科学研究基金项目(2014Y056)

责任编辑郑练

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，讲师，主要从事机械设计和铁路养护等方面的研究。

2016-05-13