重载铁路道砟清洁度对聚氨酯固化道床力学性能的影响北大核心

道砟颗粒表面清洁度分别取0.17%、0.50%、0.70%、1.00%,通过室内实尺模型疲劳试验,分析500万次疲劳荷载作用下聚氨酯固化道床沉降、道床静态模量的变化规律以及轨枕与道床的黏结性能。结果表明,当道砟清洁度超过0.50%后,聚氨酯固化道床沉降明显增大,道床静态模量无明显变化,轨枕与道床黏结性能变差。建议聚氨酯固化道床施工时,在道砟装载、运输过程中采取措施防止道砟二次污染,上砟整道时采取少捣多稳工艺,确保固化道床浇注前道砟清洁度在0.50%以内。     

米轨混凝土枕道床横向阻力离散元数值模拟

研究目的:为分析米轨混凝土枕有砟道床横向阻力变化特征,本文首先通过圆筒堆底试验与离散元模拟对道砟的摩擦系数进行标定,然后采用离散元法研究匀速推动轨枕和变速推动轨枕两种情况下米轨道床横向阻力特性,同时用单根轨枕测试法开展米轨道床横向阻力试验以验证离散元模型的正确性,最后利用离散元模型探究道砟堆高和道床肩宽对米轨混凝土枕有砟道床横向阻力的影响。研究结论:(1)通过圆筒堆底试验与离散元模拟发现,道砟颗粒摩擦系数取0. 63时与试验结果相吻合;(2)与匀速推动轨枕相比,变速推动轨枕得到的道床横向阻力仿真值与实测值更吻合,因此变速推轨枕得到的道床横向阻力的仿真精度更高;(3)米轨混凝土枕有砟道床横向阻力随着砟肩堆高的增加而增大,砟肩堆高150 mm能显著提高米轨混凝土枕有砟道床横向阻力;(4)随着道床肩宽的增加,米轨混凝土枕有砟道床横向阻力不断增大,当道床肩宽在400～500 mm之间时对道床横向阻力的提高最经济有效;(5)本研究成果可为米轨铁路无缝线路设计理论和米轨铁路有砟道床设计理论提供参考。     

弹性轨枕+道砟垫有砟轨道疲劳性能试验研究

为研究弹性轨枕+道砟垫有砟轨道结构疲劳损伤特性,建立轨道结构实尺模型,开展疲劳试验,探究轨道结构在周期循环荷载作用下的疲劳特征,通过测试钢轨、轨枕位移,轨距,道床沉降高度,轮轨力变化规律来反映轨道结构的疲劳特性。试验结果表明:300万次疲劳荷载前后,弹性轨枕+道砟垫有砟轨道各部件均保持完好;钢轨和轨枕在循环荷载作用下,两者位移逐渐减小并趋于稳定;轨距基本保持不变;道床因循环荷载作用逐渐密实,在加载初期其高度有所下降,后期保持不变;轮轨力在加载过程中基本保持稳定。反映出弹性轨枕+道砟垫有砟轨道在循环荷载作用下,仍能够保持良好的几何形位及受力状态,耐久性良好。     

基于离散元法的列车运行速度对有砟道床工作性能影响的研究

不同的列车运行速度会使轨道结构产生不同的响应,列车运行速度越快,产生的振动和空气动力响应越大,会加剧道砟颗粒的磨耗、粉化,甚至道砟飞溅,进一步影响道床的稳定性和列车运行的安全性.为了更好地了解列车运行速度对道床工作性能的影响,采用离散元法对道床进行模拟,通过道床纵横向阻力试验数据验证模型的可靠性,并在此基础上分析和研究动力荷载作用下道砟位移、颗粒振动加速度随列车速度、道床深度、道床不同横向位置的变化趋势,从微细观层面了解道砟颗粒在不同工况下的工作性能.研究结果表明:道砟加速度和道砟颗粒位移在不同轴重和行车速度下的变化趋势相同,均是在轨下位置的道砟加速度最大、道床砟肩的位移值最大;在动荷载作用下,道砟颗粒均有向外运动的趋势,轨枕附近的道砟位移扰动较大,外围道砟在墙体约束作用下位移较小.     

聚氨酯固化道床的力学性能试验研究

聚氨酯固化道床是介于传统碎石道床和无砟轨道整体道床之间的一种新型结构。本文介绍了聚氨酯固化道床的国内外现状;通过聚氨酯固化道床围压试件的疲劳荷载、冻融试验、实尺模型疲劳试验和现场加载车测试试验,研究聚氨酯固化道床的弹性、抗累积变形、荷载传递规律及轨排阻力等力学性能。试验结果表明:聚氨酯固化道床具有良好弹性保持能力和抗累积变形能力,和普通碎石道床相比,具有更好的抵抗横向荷载能力,同时验证了聚氨酯固化道床结构设计断面的合理性。     

吹砟车维修机理离散元仿真与应用

研究目的:吹砟车维修在轨枕下方补充硬质小道砟,避免捣固道砟和破损,工程实践上能消除道砟记忆效应。但在微观力学层面缺少对吹砟维修作业方式和效果应用研究,为微观力学层面研究吹砟车工作原理与养护效果,采用颗粒流离散元方法建立道砟-轨枕三维箱体模型,其中采用与道砟颗粒大小一致不规则球体组合代替道砟,借以更加真实模拟道砟颗粒之间咬合力,在轨枕单调加载下研究吹砟养护前后道床力学特性。研究结论:吹砟维修作业前后微观力学分析表明,吹砟车维修能降低轨枕-道砟接触层作用力,对轨枕-道砟沉降影响不大,从数值原理上定量揭示吹砟车维修作业力学原理;与捣固维修作业相比,吹砟维修是一种效率高、成本低、开通速度快、环保维修方法。     

真实道砟颗粒的离散元建模及惯性特性优化

道砟颗粒外形及其惯性特性的模拟是进行有砟道床力学分析的基础。本文基于CT扫描技术提出一种可重复获得唯一道砟颗粒模型的离散元建模方法,该方法由基本球体最小半径Rlim和有效空间系数K控制,利用基本球体单元重叠组合模拟道砟颗粒的外形,计算程序与起始网格节点和计算顺序无关;选取关于质心的惯性张量作为优化目标,对基本球体进行差别分配密度,优化模型惯性张量;最终实现真实道砟颗粒的外形建模和模型惯性张量优化。分析结果表明:该建模方法和惯性特性优化能够满足道砟材料数值模拟计算的基本要求。     

周期性纵向荷载下散粒体道床阻力试验研究

基于有砟轨道结构足尺试验模型,开展不同加载速率和位移极值的周期性纵向荷载下散粒体道床纵向阻力特性试验,探讨散粒体道床在周期性循环荷载下的变形特征及阻力特性。结果表明:单调反复荷载会造成道床塑性变形的不断积累,从而使得其阻力幅值增大;散粒体道床在周期性荷载下的卸载曲线与加载曲线不重合,形成一条闭合的滞回曲线,随循环周次的增加,道床体现出循环软化特性;周期性循环荷载作用下,散粒体道床的响应程度与位移幅值和加载速率有关;散粒体道床的循环软化行为依赖于外加位移幅值的大小,外加位移幅值越大,循环软化越严重。     

铁路道床振动特性的三维离散元分析

研究目的:铁路碎石道床是一种典型的散粒体结构,为突出考虑道砟颗粒的散体特性,运用离散元法建立轨枕-道床空间耦合的颗粒流模型.通过加载高速列车动荷载时域谱,研究铁路道床在高速行车条件下的振动特性和道砟颗粒的动态响应.研究结论:通过建模和计算,将计算结果与已有试验结果相对比,验证了模型的正确性;在此基础上对铁路道床的振动特性进行分析,结果表明:动荷载作用下道砟之间的接触力按近似45°角的规律传递;相邻轨枕下方道砟颗粒的振动加速度和道砟接触力存在振动叠加作用,道砟颗粒的振动加速度、道砟接触力及道砟颗粒动位移随道床深度的增加而递减.     

换枕机扒砟过程道砟阻力特性研究

根据散体力学原理分析换枕机扒砟过程扒齿受力情况,得出影响换枕机扒砟过程道砟阻力特性的主要因素为道砟密实度及扒砟速度;应用离散元软件EDEM建立道床离散元模型对换枕机扒砟过程进行仿真,仿真分析换枕机在不同扒砟速度下不同扒砟阶段的道砟阻力变化规律,得到扒砟速度与扒砟过程道砟阻力的关系,明确了换枕机扒砟过程道砟阻力特性,进而得出基于换枕机工作效率条件下的最大道砟阻力值,为换枕机结构强度设计及其液压系统稳定性研究奠定基础。     

不同用胶量下胶粘道床力学特性试验研究和离散元分析

在我国高速铁路胶粘道床路段进行支承刚度现场测试,获得不同用胶量胶粘道床力学特性数据。采用PFC3D建立胶粘道床离散元模型,用测试数据进行参数标定与模型验证,在此基础上分析不同用胶量道床的支承刚度以及列车荷载作用下道床的力链分布、拉压接触力、沉降变形。结果表明:随着用胶量的增加,道床支承刚度呈抛物线型增长,力链分布区域逐渐扩展。用胶量从0增加至43 kg/m~3时道床接触点拉力和压力均线性增加;用胶量达到43 kg/m~3及以上时,道床接触点压力趋于稳定,拉力持续增加。与普通有砟道床相比,胶粘道床初始沉降小、易收敛,其累积沉降值随列车荷载作用次数增加呈幂函数型增长,且用胶量越大,越易收敛。     

高速列车作用下道床表面风场特性研究

道砟飞溅严重威胁高速铁路行车安全,其受道床表面风场特性影响明显。本文采用计算流体动力学方法,建立精确考虑轨道和车底外形的精细化仿真模型。基于验证后的模型,研究道床表面风速/风压空间分布规律,拟合分析行车速度、道床面高度和砟肩堆高对流场特性的影响,给出飞砟防治建议。研究结果表明:轨枕顶面和道心处风速/风压值较大,易发生道砟飞溅;轨道表面风压幅值与车速的平方成正比,与道床面高度、砟肩堆高成线性关系;若道床面高度、砟肩堆高均降低50mm,道床表面风压幅值将分别降低29.4Pa和9.7Pa,降低道床高度的效果更明显;道砟颗粒上、下表面压差是道砟飞溅发生的根本原因,可通过控制道床表面风压幅值、提高表层道砟稳定性等措施避免道砟飞溅。     

高速铁路路基动力累积变形模型试验研究

以中南大学高速铁路无砟轨道路基足尺模型试验系统为背景,对Ⅲ型板式无砟轨道在列车轴重为17 t,速度为350km/h条件下开展10 000万轴次循环荷载试验,以研究路基在高速列车长期荷载作用下的动力累积变形规律。研究结果表明:随着列车轴次的增加,路基累积变形逐渐增加,在循环加载前期增长速率较快,之后逐渐减小,在列车轴次达到350万次后趋于稳定,路基最终累积变形为3.38 mm,其中基床表层、基床底层、路基本体和地基各结构层最终变形分别为2.33,0.57,0.30和0.18mm。基床表层变形最大,占总累积变形的68.93%,基床底层次之。通过对指数模型在路基模型试验中的适用性进行分析,结果表明路基各结构层累积变形采用指数模型拟合的效果较好,相关系数均在0.985以上。基于试验结果,提出一个以动静应力比、静应力与静强度比、振次为基数的指数模型,依据试验结果对模型参数进行反分析,得出模型中各参数变化范围较小,修正模型改进效果非常明显,可以用于预测长期动力荷载作用下高速铁路路基累积变形和路基沉降。     

高速铁路有砟轨道横向阻力宏细观分析

研究目的:道床横向阻力是保持列车平稳安全运行的重要因素,砟肩部位是横向阻力重要组成部分,但高速铁路为防治飞砟采取降低砟肩堆高措施,导致道床横向阻力降低。为探究不同速度等级下高速铁路有砟道床横向阻力变化情况,本文进行了Ⅲc型轨枕在不同道床几何断面下横向阻力现场试验。同时,基于3D扫描与离散元法,以颗粒簇Clump和墙体单元分别模拟道砟颗粒和轨枕,细观分析阻力大小、分担、力键及接触特性。研究结论:(1)速度由200 km/h提升至250～300 km/h、300 km/h以上(350 km/h)道床断面条件下,试验结果分别相应降低6. 6%、11. 8%,数值研究分别降低12. 6%、24. 2%,建议300 km/h以上(350 km/h)应采取措施满足横向阻力要求;(2)轨枕底部及轨枕端部占约80%道床横向阻力,枕心部位道砟并未充分参与和作用,宜采取轨枕结构设计、密实和部分胶结方案;(3)轨枕底部-道砟在轨枕横向位移时接触数目较小,轨枕底部结构和纹理可进行优化以增大接触数目;(4)本文研究结果对不同时速下有砟道床断面选型具有一定指导意义。     

土工格栅加固铁路道砟的颗粒离散元模拟研究

研究目的:道砟是有砟轨道的关键构成,其变形累积将直接造成轨道的下沉破坏。随着列车运行速度的提高,道砟的变形对有砟轨道的行车安全性、舒适性和轨道养护维修工作量的影响也越来越大。因此,开展高速铁路道砟变形机理的研究具有重要意义。近年来,一些学者开始将土工格栅应用到铁路道砟的加固中,用以减小铁路道砟的沉降变形,但总体来说还不够成熟和完善。为进一步研究铁路道砟的变形机理及土工格栅加固铁路道砟的效果,本文以铁路道砟为研究对象,建立土工格栅加固铁路道砟的三维颗粒离散元模型,进行循环荷载作用下的数值试验,分别研究土工格栅不同安设位置、不同刚度以及不同网格尺寸对铁路道砟加固效果的影响。研究结论:(1)土工格栅加固铁路道砟效果明显,能够有效减小铁路道砟的沉降变形;(2)土工格栅安设位置不同,其加固效果也不同,当土工格栅距离模型箱底面100 mm时效果最好;(3)随着土工格栅刚度的增大,道砟的沉降变形逐渐减小,但当刚度增大到一定值后,对减小道砟沉降的作用有限;(4)土工格栅网格尺寸对铁路道砟加固效果有明显影响,但这种影响不是单调的,即存在一个合理的土工格栅网格尺寸使其加固铁路道砟的效果最好;(5)该研究成果对深入理解铁路道砟的沉降机理及土工格栅在铁路道砟加固中的应用均具有一定的参考意义。     

基于最小投影的离散元道砟模型的粒径识别

道砟颗粒形状和粒径级配对道砟道床沉降和变形有重要影响,因此采用离散元法研究道砟道床沉降问题时,需要建立反映道砟颗粒形状的模型,并合理评估颗粒模型的大小。本文利用计算几何凸包理论,建立了随机凸多面体,以模拟道砟颗粒的形状;提出了基于最小投影矩形包围面的粒径评估方法,对道砟颗粒模型的粒径大小进行了分析,并基于道砟颗粒模型的包围长方体,分析了道砟颗粒模型的针状和片状情况。分析结果表明:随机多面体道砟颗粒模型能够较好地模拟道砟颗粒形状;采用最小投影矩形包围面的评价方法能够真实地反映多面体道砟颗粒模型的粒径,该评价方法比等效粒径评价方法更精确;利用道砟颗粒模型包围长方体的数值判别方法,能有效识别随机道砟颗粒模型的针片状情况,控制针状颗粒和片状颗粒的数量。     

大型养路机械捣固作业参数对捣固效果影响规律的研究

有砟轨道大型养路机械维修作业中,捣固的主要动作是向枕底推送道砟并使道床密实。研究捣固镐插入的深度、速度、振动频率等捣固参数对大型养路机械作业效果的影响,对于提高大型养路机械作业效率、延长有砟道床服役年限具有重要意义。基于大型养路机械捣固镐结构和轨道结构建立了精细化捣固作业离散元仿真模型,采用多体动力学几何外形和离散单元分别对捣固镐与道砟颗粒的运动状态进行模拟,并通过试验对模型进行了验证。在不同的插镐速度和深度工况下模拟捣固作业过程,以道砟受到的压力、总动能、平均角速度和增加数量作为捣固效果的评价因素,研究了各工况的捣固作业效果。研究结果表明:在其他作业参数相同的工况下,插镐速度最优值为0.5 m/s,插镐深度最优值为90 mm。     

冲击式人工捣固装置对有砟道床作用效应及质量状态影响研究

人工捣固作业是实现小区段线路日常养护维修的重要方式之一,可有效改善轨道几何形位、缓和线路不平顺、保证列车运行安全性。然而目前人工捣固装置进行养护维修作业主要依赖现场工人的工程实践经验,缺乏相关理论研究。为研究有砟道床人工捣固装置作业工作机理,借助离散元素法(DEM)-多体动力学(MBD)耦合方法,建立人工捣固装置-轨枕-有砟道床耦合仿真模型,并在现场开展人工捣固作业前后横向阻力试验,验证了模型的可靠性,分析人工捣固作业对道砟颗粒接触力及道床密实度的影响。结果表明：人工捣固作业会使道床横向阻力降低19.51%,道床横向稳定性减弱;捣入阶段会使道砟间接触力分布发生明显变化,其中,水平平面接触力分布由近似圆形向椭圆形变化分布,纵向平面接触力则由半圆形向花束形变化分布,颗粒间接触关系不断变化,逐步建立新的稳定传递关系;捣固作业会使道砟颗粒受迫运动,使枕盒及砟肩处密实度降低。因此,在人工进行捣固作业后应及时补填枕盒处道砟颗粒,并对砟肩处道砟进行拍实。     

道砟颗粒的精细化建模及对道床力学性能影响

用离散元法对道床进行模拟,建立能拟合真实道砟颗粒形态的球簇单元模型。对由不同级配、颗粒外形道砟组成的道床建立箱体模型,重点分析颗粒级配与颗粒外形对道床力学性能的影响。分析结果表明:合理级配的道床比单一粒径的道床具有更好的力学性能;在颗粒外形相同的情况下,级配范围较大的道床力学性能较好,但孔隙率较低;道砟颗粒外形对道床力学性能影响大,由规则外形的颗粒组成的道床力学性能明显降低。     

水位变化对无砟轨道路基变形特性影响的研究

在地下水位变化等干湿循环作用下,高速铁路路基中含水量和饱和度发生变化,加剧了路基在列车移动荷载作用下的累积变形,影响路基的长期服役性能。本文采用足尺物理模型试验,研究多次水位变化情况下高速铁路无砟轨道路基的变形特性,获得轨道板弹性变形以及路基累积变形的发展规律。本文研究表明,轨道结构弹性变形会受到列车运行速度、列车轮轴荷载振动次数和水位变化等综合因素的影响。路基地下水位第一次循环变化极大加剧了路基的累积变形,而多次循环下路基累积变形变化较小。最后对路基累积变形实测结果进行拟合,得出路基累积变形随轮轴荷载振动次数以及列车运行速度的变化规律。