道砟级配对捣固的效果影响及其参数优化*

郑 瑶 董为民 周陶勇 周海燕

(昆明理工大学机电工程学院 昆明 650500)

0 引 言

有砟轨道又称碎石道床轨道，有着排水性好、维修养护方便、造价低廉和吸收噪声能力强等特点[1].但其使用寿命短、碎石道床状态不稳定、维修作业量大，所以捣固作业的养护流程变得尤为重要[2-3].

在捣固作业中选择适当的捣固参数来提高捣固作业的效果是目前解决捣固问题的重要方式.但目前我国对于捣固作业参数的选择多取决于现场测试及经验.许多学者也多是研究特定情况下的捣固作业参数优化.陈小平等[4]研究了捣固作业稳固后道床的阻力的变化，并且提出了在捣固作业后道床阻力会急速下降，但第一次稳固之后道床的阻力会快速恢复的结论；周陶勇等[5]利用数值模拟的方法研究了捣固作业过程中的道砟运动情况以及道床密实程度的变化情况，得到了相对最佳的捣固频率；杨代楼[6]研究了捣固频率对道砟破碎的影响规律，提出在挟持过程中道砟的破碎最严重；耿兴利[7]分析研究了不同振幅、频率以及捣固次数情况下，道砟颗粒的运动情况，选取了最佳振幅、频率以及捣固次数.Perales等[8]利用了集成图像分析仪对道砟颗粒进行扫描并建立颗粒库，然后在DEM分析中模拟进行试验，发现捣固作业可以使材料的抗剪强度下降. Koc等[9]在捣固设备作业期间，检测轨道横向阻力时提出了一种通过回转或移位来评估横向阻力的分析方法.Saussine等[10]通过三维离散单元的方法模拟了捣固作业对道床密实程度的影响，发现捣镐下插阶段道床的密实程度增加50%，并且频率的增加也会导致密实程度的增加.

在此基础之上，文中采用离散元的方法，利用EDEM离散元软件，以对捣固作业效果影响最大的振幅和频率作为研究变量，以道床密实程度和道砟的破碎量作为评价标准，研究不同级配道床捣固作业参数的选取规律及优化.

1 离散元仿真模型

1.1 道砟颗粒模型建立

为了建立更加真实的道砟颗粒，将采用颗粒粘结的方式建立可破碎道砟颗粒，以球型颗粒填充来替换真实道砟颗粒.在EDEM中，粘结模型(bonded particle model)是利用“bond”键将小球粘结在一起组成一个具有道砟颗粒形状的颗粒簇来作为道砟颗粒参与到仿真计算中.通过颗粒粘结建立的道砟颗粒不仅可以很好的模拟真实道砟颗粒的形状，同时当粘结键断裂的时候，可以显示为颗粒的破碎.

根据《岩石力学参数手册》选定所使用的花岗岩的参数，并且根据下列公式计算出粘结模型中所需要的参数.

Ks=0.58Kn

τ=c+δ·tanφ

式中：E为弹性模量，6 Pa；r为小球半径,1.5 mm；υ为泊松比,0.25；c为黏聚力,4×105Pa；tanφ为内摩擦角正切值，0.93；最终求得的参数见表1，粘结过程见图1.

表1 道砟粘结参数

图1 道砟颗粒建立过程图

将建立完成的可破碎道砟颗粒通过EDEM的颗粒工厂接口所对应的API文件导入到颗粒库中，参与到最终的捣固模型建立和仿真计算中.

1.2 有砟道床模型建立

1.2.1级配的选取

道砟颗粒级配主要通过道砟通过方孔筛的质量分数来表示.根据TB/T2140—2008《铁路碎石道砟》中所规定的特级道砟颗粒级配和一级道砟颗粒级配的规定，选定两种典型道砟级配，即为级配A和级配B，A相对于B为窄级配道砟，B相对于A属于宽级配道砟.具体分布见表2～3.

表2 级配A道砟粒径分布

表3 级配B道砟粒径分布

1.2.2捣固装置的建立

选取捣搞附近的区域作为研究对象，建立道砟箱模型辅助研究捣固作业.道砟箱为长×宽×高830 mm×600 mm×400 mm的长方形盒体.

在这个捣固模型中包括捣搞、道砟箱、轨枕和道砟颗粒四部分组成.具体参数根据《岩石力学参数手册》选取，道砟颗粒和道砟箱均采用花岗岩材料(ballast particles)，轨枕采用混凝土材料(concrete)，捣搞采用钢材(steel products).道砟颗粒之间、道砟和轨枕之间、道砟和捣搞之间的相互接触.参数设置见表4.

表4 材料与接触参数

2 捣固实验

2.1 有砟道床捣固作业仿真过程

1) 道砟颗粒生成 首先按照级配的要求，采用“落雨法”生成道砟颗粒，使道砟颗粒均匀的充满道砟箱，待道砟颗粒完全生成且颗粒的最大速度小于0.002 m/s，平均速度小于0.001 m/s时，在添加捣搞的运动，确保道床的稳定.

2) 捣固作业 道砟颗粒稳定之后，添加捣镐的运动，捣搞运动开始时设定一定的振幅和频率.首先，捣镐从初始位置开始以0.02 m/s的速度进行向下运动直至轨枕底面下20 mm处 ，以直线形式运动；随后捣镐开始以顶端为中心，向枕心的方向开始旋转夹持道砟颗粒，夹持的角度为20°；然后捣镐开始反向进行旋转，张开直至初始位置；最后捣镐开始做提升运动，捣镐以1 m/s的速度开始从枕下位置提升至初始位置，完成一次捣固作业.

3) 垂向刚度测试与可行性实验做对比 捣固作业完成之后，立刻向轨枕施加一个垂直向下的运动，设置的速度为：0.01 m/s，时间为1 s，最后提取轨枕的垂向位移S和垂向载荷F.具体捣固作业过程见图2.

图2 捣固作业过程图

2.2 捣固模型可行性实验验证

为了验证实验的仿真模型的真实性以确保仿真计算的准确性，进行了对应的可行性实验.具体的操作和测试过程保持和仿真过程一致.具体操作见图3，结果对比见图4.

图3 可行性验证实验过程图

图4 可行性实验与仿真结果对比图

通过分析发现仿真计算的结果虽然和实际验证的结果有些差别，但差距并不明显，证明仿真模型具有一定的真实性，可以用来进一步仿真分析并进行参数优化.

3 结果与分析

本次实验采用响应面的方法进行分析，响应面法包括CCD和BBD两种实验设计方案，对于两种因素的设计通常使用CCD法即Central Composite Design，这种方法只考虑两个因素及因素之间的影响，在本次研究中只有振幅和频率两个影响因素，正好适用，所以本次研究采用CCD法.选取振幅的值分别为2，3，5，7和8 mm；频率的值分别为27，35，55，75和83 Hz.可以得到图5的实验分布，为了保证实验预测的准确性，中心点(5，55)进行五次实验，所以一共13组实验.

图5 实验响应分布图

3.1 密实程度分析

密实程度指的是道床中的道砟颗粒之间的相互排列、紧凑的程度，其计算公式为

式中：Vballast为道砟颗粒体积；Vbed为道床体积.在EDEM软件中，在添加颗粒时可以计算出所添加的颗粒的总体体积，即为Vballast值；在捣固完成之后，可以通过后处理分析模块得到道床的体积，即为Vbed值.

在下插阶段道砟会受到捣镐的振动和下插力，捣镐周围的道砟会迅速移动并且重组，见图6.从速度的矢量方向上来看，道砟受到捣镐的运动，道砟也开始进行运动，但运动相对随机，没有表现出明显的规律.从道砟的运动速度来看，镐头内侧道砟的运动最为剧烈，从轨枕底部中心依次减弱，随着捣镐向内侧夹持，捣镐一侧道砟的运动传递至轨枕底部中心的道砟，从而使得轨枕底部基本所有道砟得到移动重组达到密实.

图6 下插阶段道砟的速度矢量图

对于级配A ，根据CCD法拟定13组仿真实验，并在EDEM中进行仿真计算，得出结果进行响应分析.实验结果响应图见图7.

图7 级配A响应结果对比图

由图7可知，随着振幅不断增大，道床的密实程度越来越大，捣固效果更好；随着频率的不断增大，道床的密实程度出现逐步降低的趋势，捣固效果下降，振幅对密实程度的影响较大.捣固的振幅为6.6 mm，且频率为41 Hz，时，道床的密实程度最大.

对于级配B，根据CCD法拟定13组仿真实验，并在EDEM中进行仿真计算，得出结果进行响应分析.具体实验结果响应图见图8.

图8 级配B响应结果对比图

由图8可知，随着振幅不断增大，道床的密实程度越来越大，捣固效果更好；随着频率的不断增大，道床的密实程度出现先增加后降低的趋势，在51 Hz左右的捣固效果最好，振幅对密实程度的影响较大.捣固的振幅为6.2 mm且频率为44 Hz，时，道床的密实程度最大.

3.2 道砟颗粒破碎量分析

由于利用EDEM所建立的仿真模型中的道砟颗粒是利用粘结模型建立粘结颗粒簇，在粘结颗粒簇之间是由“bond”连接在一起，一但“bond”键断裂，颗粒就会分开，也就表示为道砟颗粒的破碎，所以在此次实验中，以“bond”键的断裂量来表示道砟颗粒破碎量.待捣固作业完成后，在EDEM后处理模块中提取捣固作业的整个阶段“bond”键的破坏数量，生成一个Excel文件，里面包括每个时间对应的“bond”键破坏总量，即表示为道砟的破碎量.

从道砟的破碎颗粒情况来看，道砟最大受力集中在捣镐搞头区域，特别是镐尖周围，该阶段由于道砟受到瞬时的冲击，并且在加持的过程中破碎量相对较大，见图9.

图9 道砟颗粒破碎区域示意图

对于级配A ，根据CCD法拟定13组仿真实验，并在EDEM中进行仿真计算，得出结果进行响应分析.具体实验响应图见图10.

图10 级配A响应结果对比图

由图10可知，随着振幅不断增大，道砟颗粒的破碎量呈现先增加后略微降低的趋势，在6 mm左右时道砟颗粒的破碎量最大；随着频率的不断增大，道砟颗粒的破碎量同样出现先增加后微弱下降的趋势，在67 Hz左右破碎量最大.捣固的振幅为6.7 mm且频率为57 Hz，时，道砟颗粒的破碎量最多.

对于级配B ，根据CCD法拟定13组仿真实验，并在EDEM中进行仿真计算，得出结果进行响应分析.具体实验结果响应图见图11.

图11 级配B响应结果对比图

由图11可知，随着振幅不断增大，道砟颗粒的破碎量呈现先增加后略微降低的趋势，在5 mm左右时道砟颗粒的破碎量最大；随着频率的不断增大，道砟颗粒的破碎量同样出现先增加后微弱下降的趋势，在59 Hz左右破碎量最大.捣固的振幅为5.5 mm，且频率为60 Hz时，道砟颗粒的破碎量最多.

4 结 论

1) 通过EDEM软件建立的仿真模型具有真实性，可破碎的道床可以更真实的表现出在捣固作业中道砟颗粒的变化，确保了之后的研究的准确性.

2) 对于不同道砟级配的道床，其对应的捣固作业参数也应该不同.从道床密实程度来看：窄级配道床的捣固参数为振幅6.6 mm频率41 Hz时，道床的密实程度度达到最高；宽级配道床的捣固参数为振幅6.2 mm频率44 Hz时，道床的密实程度度达到最高.从道砟颗粒破碎程度来看：窄级配道床道砟的破碎量相对较大，宽级配道床道砟破碎量相对较小.在捣固作业中，振幅对道床的影响要大于频率对道床的影响.所以最终认为窄级配的道床采用大振幅低频率的捣固参数时捣固的捣固效果较好，宽级配的道床采用小振幅高频率的捣固参数时捣固的捣固效果较好.