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(tuán)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(hù)維修的特點(diǎn)，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(duì)運(yùn)營安全有較大影響［1］，其養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)已高度機(jī)械化。對(duì)于大型搗固車作業(yè)，研究搗固裝置參數(shù)設(shè)置對(duì)作業(yè)效果的影響規(guī)律，對(duì)于長(zhǎng)久保持有砟軌道幾何狀態(tài)，提高維修經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，世界各國對(duì)此都進(jìn)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)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(duì)道床力學(xué)性能的影響；張亞晴等［6］采用單個(gè)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(shí)度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究最優(yōu)振動(dòng)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(jī)械實(shí)際配置數(shù)量差異較大，且未考慮搗固鎬幾何外形對(duì)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(dòng)力學(xué)狀態(tài)，結(jié)合枕下道砟數(shù)量的變化，進(jìn)行搗固作業(yè)效果評(píng)價(jià)。

本文在單根軌枕半枕區(qū)域，引入基于真實(shí)搗固鎬外形的4 副搗固鎬精細(xì)化模型，并按照搗固鎬實(shí)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(yùn)動(dòng)和枕下道砟增加數(shù)量4個(gè)方面，對(duì)搗固質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終得到最佳插鎬速度與深度的值，為提高大型養(yǎng)路機(jī)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(yàn)證

離散元仿真分析軟件EDEM 可以創(chuàng)建或?qū)霗C(jī)械的 CAD 或 CAE 模型，使仿真模型更加精細(xì)化［7］。本文利用EDEM 建立有砟道床、軌枕和邊界的實(shí)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(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。各單元在初次接觸時(shí)，首先按照牛頓第二定律確定這一時(shí)刻的加速度，接下來采用中心差分法對(duì)加速度進(jìn)行時(shí)間積分，得到各單元在中間時(shí)刻的速度，最后按照相同的方法再對(duì)速度進(jìn)行時(shí)間積分，就能得到下一時(shí)刻各單元具體的位移。在模型運(yùn)行過程中，多次進(jìn)行循環(huán)迭代，能時(shí)時(shí)更新單元的運(yùn)動(dòng)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(jí)配為一級(jí)，道床厚度為35 cm，軌枕模型簡(jiǎn)化為130 cm（長(zhǎng)）×30 cm（寬）×23 cm（高）的長(zhǎng)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(duì)2 號(hào)軌枕的半枕及其兩側(cè)枕盒進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(xì)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(zhǔn)備；②搗固鎬插入到指定深度；③搗固鎬做夾持運(yùn)動(dòng)，向枕底推送道砟并振動(dòng)；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(diǎn)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(dòng)接觸模型。在參考既有文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上進(jìn)行大量細(xì)觀參數(shù)的試驗(yàn)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(yàn)證

為對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，與文獻(xiàn)［11］中的大道砟箱搗固試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。道砟箱搗固試驗(yàn)中的道床符合我國Ⅰ級(jí)重載鐵路的標(biāo)準(zhǔn)，道砟的粒徑級(jí)配為一級(jí)，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(dòng)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(xiàn)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(yàn)?zāi)M曲線與對(duì)比工況變化趨勢(shì)相同，各點(diǎn)數(shù)值較為接近。大道砟箱搗固試驗(yàn)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(jī)械搗固的作業(yè)過程準(zhǔn)確可靠。

圖4 搗固裝置-道床模型仿真結(jié)果與搗固試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 搗固作業(yè)參數(shù)對(duì)搗固效果的影響

搗固作業(yè)過程中道砟顆粒的受力及運(yùn)動(dòng)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(duì)搗固效果有影響外，還會(huì)在插鎬階段對(duì)枕盒道砟產(chǎn)生沖擊，這也是現(xiàn)場(chǎng)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(duì)道砟顆粒受力、總動(dòng)能、角速度和枕下道砟顆粒增加數(shù)量的影響，使搗固在達(dá)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(dòng)頻率和夾持時(shí)間等。本文主要研究不同插鎬速度與深度對(duì)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(zhǔn)確得到不同作業(yè)參數(shù)、各個(gè)搗固階段時(shí)局部道砟顆粒的受力、運(yùn)動(dòng)和能量等情況，根據(jù)文獻(xiàn)［12］和試驗(yàn)，確定枕下數(shù)據(jù)采集區(qū)域?yàn)?.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?yàn)?.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(yùn)動(dòng)的過程，為了讓較多的道砟顆粒填充枕下空間，在作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)的夾持階段讓道砟顆粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)非常重要；不同于插鎬階段道砟顆粒的劇烈運(yùn)動(dòng)，夾持階段道砟顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)量相對(duì)較小，所以在這一階段道砟顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間的變化曲線。

圖5 不同插鎬速度下道砟平均角速度隨時(shí)間變化曲線

圖6 不同插鎬深度下道砟平均角速度隨時(shí)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(shí)間的變化趨勢(shì)相同。雖然在不同時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)。

從圖6 可以看出，插鎬深度為90 mm 時(shí)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(gè)過程中，插鎬階段對(duì)枕盒道砟的壓力是最大的，對(duì)道砟顆粒的損害也是最大的。為了保護(hù)道砟，延長(zhǎng)道砟的服役時(shí)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(shí)，因此相較于其他插鎬速度，在此插鎬速度時(shí)搗固作業(yè)對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)搗固效果相對(duì)較好。

2.4 插鎬階段枕盒道砟的總動(dòng)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(yùn)動(dòng)有關(guān)。道砟顆粒的運(yùn)動(dòng)包括平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以考慮為平動(dòng)動(dòng)能與轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，為了以綜合的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)道砟運(yùn)動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用插鎬階段枕盒道砟的總動(dòng)能作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。圖8為不同插鎬速度下枕盒道砟總動(dòng)能。

圖8 不同插鎬速度下枕盒道砟總動(dòng)能

由圖8 可知：插鎬速度為0.5 m/s 時(shí)枕盒道砟的總動(dòng)能最小，說明在此插鎬速度下夾持階段搗固作業(yè)對(duì)枕盒道砟的擾動(dòng)較小，能夠減少道砟顆粒的磨耗。

插鎬深度為85，90，95，100 mm 時(shí)，插搗階段枕盒道砟總動(dòng)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(dòng)能大致相同，可是從數(shù)據(jù)中仍能看出，插鎬深度90 mm 時(shí)枕盒道砟總動(dòng)能最小，說明在此插鎬深度下?lián)v固作業(yè)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。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(zhǎng)率變化情況?？梢钥闯?，隨著搗固作業(yè)的進(jìn)行，枕下道砟顆粒數(shù)量呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。插鎬速度0.5 m/s 時(shí)在整個(gè)搗固作業(yè)過程中枕下道砟顆粒數(shù)量的增長(zhǎng)率較大，說明插鎬速度0.5 m/s時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)率的變化情況?？梢钥闯?，插鎬深度為90 mm 時(shí)除在搗固鎬下插階段枕下道砟顆粒數(shù)量增長(zhǎng)率較小外，接下來的2 個(gè)階段都能保持較高的增長(zhǎng)率，并最終能達(dá)到最大值。說明插鎬深度90 mm 時(shí)可使更多的道砟到達(dá)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(zhǎng)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(duì)軌枕建模、導(dǎo)入搗固鎬精細(xì)化模型，建立搗固裝置-道床的耦合模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了不同工況下?lián)v固作業(yè)對(duì)道砟運(yùn)動(dòng)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(shí)對(duì)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(shí)搗固作業(yè)對(duì)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(jī)械搗固參數(shù)優(yōu)化對(duì)于提高搗固效果，延長(zhǎng)有砟軌道服役時(shí)間具有重要意義。