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。     

米轨轨枕不同部位横向阻力分担比的数值模拟

研究目的:为了研究米轨混凝土枕和钢枕横向阻力分担情况,本文采用离散元法分别建立米轨混凝土枕和钢枕有砟道床模型,并通过单根轨枕横向阻力试验验证离散元模型的正确性,进一步研究米轨混凝土枕、钢枕横向阻力分担比例。同时在离散元模型不同部位建立测量圆监测道砟孔隙率,探究轨枕横向移动过程中不同部位道砟密实度变化规律。研究结论:(1)米轨混凝土枕枕端和枕底提供了约79%的道床横向阻力,与道砟颗粒接触面大的轨枕侧面道床阻力占比较小,可以采用密实和部分胶结等方式使枕心道砟充分参与作用;(2)米轨钢枕枕端提供了约60%的道床横向阻力,枕底提供了约30%的道床横向阻力;(3)米轨混凝土枕道床横向阻力主要来源于轨枕与底部道砟颗粒的摩擦作用和砟肩道砟的压力作用,而米轨钢枕道床横向阻力主要来源于枕腔内部道砟的挤压摩擦作用和砟肩部位道砟的压力作用;(4)本文结论可为米轨无缝线路的设计和养护维修提供参考和借鉴。     

基于液压冲击锤下道砟板结块破碎分析及研究

通过对板结道砟断裂的形态分析和力学分析,阐明板结道砟断裂时中间、径向裂纹及侧向裂纹长度与凿入荷栽的关系.基于以上理论分析,结合BC2型扒砟车的破碎装置,对冲击荷载作用下道砟板结块断裂情况进行实例分析,对破碎深度、轨枕之间设计间距进行了计算,并分析了钎杆刺板对板结道砟破碎效果的影响.此外,通过对破碎前后板结块强度对比,研究破碎对板结道砟在扒砟过程中产生的扒砟阻力降低程度的影响,目的是通过理论分析得出处理类似问题的理论研究方法.     

列车振动荷载作用下有砟道床力学性能研究

研究目的:为探究有砟道床性能随列车荷载作用下的变化特征,进行现场原位试验并通过离散元分析软件PFC3D建立有砟道床模型,研究道砟竖向速度及沉降、轨枕与道砟振动加速度、道床阻力及枕下支承刚度的变化。研究结论:(1)记录了距轨枕底面0. 1 m、0. 2 m、0. 3 m处道砟竖向速度(0. 033 m/s、0. 029 m/s、0. 015 m/s)、沉降位移(3. 1 mm、2. 3 mm、1. 5 mm)、振动加速度(43. 39 m/s~2、29. 27 m/s~2、17. 23 m/s~2、9. 78 m/s~2),可知峰值速度、沉降位移及振动加速度随着深度增加而减小;(2)记录了循环加载100次、200次、300次、400次时道床横向阻力(16. 87 k N、17. 23 k N、17. 56 k N、17. 66 k N)、道床纵向阻力(24. 55 k N、25. 23 k N、25. 89 k N、25. 99 k N)和枕下支承刚度,可知道床横纵向阻力、枕下支承刚度随着荷载次数增加而增大;(3)本研究成果对指导有砟道床设计、施工、养护维修及研究有砟道床力学性能具有参考价值。     

桥上有砟道床阻力特性及尺寸优化研究

研究目的:建立桥上有砟道床离散元仿真模型,通过足尺道床阻力试验进行标定,分析道床宽度、厚度等断面参数对道床阻力的影响,探讨横向阻力影响范围和道床各部分对阻力的分担特性,提出大跨桥上有砟道床尺寸的优化建议,以期减轻二期恒载,为桥梁设计创造条件。研究结论:(1)在一定道床宽度范围内,道床阻力随顶面宽度的增大而增大,顶宽由3 400 mm增大到3 800 mm时,横向阻力增长率由16.9%降至4.6%,纵向阻力受顶宽影响较小;(2)在一定道床厚度范围内,道床阻力随厚度的增大而增大,厚度由250 mm增大到450 mm时,道床横向阻力增长率由31.4%降至5.9%,道床纵向阻力增长率由18.6%降至4.0%;(3)距枕端400 mm宽度范围内的砟肩道砟是提供横向阻力的主要区域;(4)道床阻力主要由枕底、枕侧和枕端阻力构成,其中横向阻力枕底分担比例约为62%,枕端约为24%,枕侧约为14%;(5)综合道床阻力、经济性和运维需求,建议桥上有砟道床顶宽取为3 400 mm,厚度取为300 mm;(6)本研究结论可为大跨桥上有砟道床断面尺寸优化提供借鉴和参考。     

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。     

米轨铁路钢枕有砟道床横向阻力试验与仿真

研究目的:为探究米轨铁路钢枕道床横向阻力变化特征,本文开展米轨铁路钢枕道床横向阻力试验,并基于离散元法建立并研究米轨钢枕有砟道床横向阻力,通过试验结果验证米轨钢枕有砟道床离散元模型,同时采用离散元法分别探究砟肩堆高、道床肩宽和道床边坡坡度对米轨铁路钢枕道床横向阻力的影响.研究结论:(1)轨枕横向移动2 mm时米轨钢枕道...     

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.     

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。     

道砟胶对道床参数的影响研究

为了明确经过道砟胶组织后,道床参数的变化情况,在试验室进行了轨道实尺模型试验,测试了喷道砟胶前后道床纵、横向阻力、支承刚度的变化情况。试验结果表明:如果喷胶量为48 kg/m3,枕底、枕间及砟肩都喷道砟胶时,道床纵向阻力大约提高8.5倍,横向阻力大约提高17.4倍,加载的竖向力为140 kN时支承刚度提高37.6%,并且在卸载5 min内轨枕位移约恢复90%。因此,道砟胶可以应用在小曲线半径无缝线路、无砟轨道向有砟轨道的过渡段上,以提高道床横向阻力、调整道床支承刚度。     

基于SIMPACK和ANSYS联合仿真的胶粘道砟过渡段动力学特性研究

为了研究胶粘道砟过渡段动力学特性,基于SIMPACK和ANSYS联合仿真,建立将无砟轨道、胶粘道砟、有砟轨道三种不同轨道结构连接起来的完整过渡区段,组成车辆-轨道下部基础空间耦合分析模型,对胶粘道砟过渡段的动力学特性进行系统研究,并探讨速度的影响。结果表明:胶粘道砟过渡段能够使轨道刚度平顺过渡,但列车从无砟轨道运行到胶粘道砟过渡段时加速度仍会剧烈变化,所以建议在靠近胶粘道砟过渡段的无砟轨道采用具有一定减振作用的扣件。     

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。     

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。     

米轨钢枕轨道不同坡度的道床阻力分析

为分析不同轨道坡度对道床纵横向阻力的影响，开展米轨铁路有砟轨道钢枕平坡和250‰坡度道床纵横向阻力室内试验，并建立离散元模型，通过室内试验验证了离散元模型的正确性，进一步建立了多种坡度的米轨钢枕有砟道床离散元模型。研究结果表明：平坡与250‰坡度米轨钢枕道床纵向阻力实测均值分别为11.33,10.31 kN/枕，道床横向阻力均值分别为7.44, 7.11 kN/枕，纵向阻力衰减了9%,横向阻力衰减了4.44%;米轨钢枕的道床纵横向阻力均随坡度增大而减小，坡度在0～700‰变化时，道床纵向阻力与横向阻力之间存在线性关系，斜率约为1.7,纵向阻力变化程度大于横向阻力；道床纵横向阻力均随坡度呈余弦趋势衰减，但并非单一的按照坡度的余弦值改变，在坡度小于200‰时，道床阻力可近似按坡度余弦折算考虑，坡度大于200‰时，可根据拟合余弦公式预测道床阻力。     

用于铁路换枕的轻型挖砟机设计与仿真

利用三维建模软件Pro/E对用于铁路换枕的轻型挖砟机进行总体结构设计。建立挖砟机的实体模型,导入力学仿真软件ADAMS对其工作过程进行运动学和动力学仿真分析,得到挖砟机作业范围等运动学参数及最大挖掘力。试制样机并进行试验,结果表明,挖砟机可实现挖砟功能,参数设计合理。     

循环荷载频率对高速铁路有砟道床累积变形行为的影响

为研究高速铁路有砟道床因反复承受高频率的列车荷载作用而劣化及累积变形的规律,利用离散元分析软件PFC并考虑道砟颗粒的真实几何形态,建立高速铁路有砟道床三维离散元模型,模拟分析不同频率、不同幅值循环简谐荷载作用下道床的累积变形,并通过统计分析道砟颗粒的重排行为,从细观层面探讨荷载频率对道床累积变形行为的影响机理。开展高速铁路有砟道床的室内实尺模型累积变形试验,验证道床离散元模型的合理性和模拟结果的可靠性。结果表明:在相近的荷载工况下,模拟分析获得的道床累积变形结果与实尺模型试验结果较为吻合;循环简谐荷载的频率低于15 Hz时,道床的累积变形主要由道砟颗粒间的相对接触滑动引起,但累积变形及其增长速率均不大;当荷载频率提高至20 Hz以上时,道床的累积变形及其增长速率随荷载频率的提高而快速增大,且其主要原因是道砟颗粒发生了剧烈转动。     

机械枕底吹砟作业技术分析

简述线路维修养护作业中人工枕底垫砟和机械枕底吹砟作业,以及道砟粒径大小对垫砟效果的影响。与机械化捣固作业相比,采用机械枕底吹砟作业后的线路稳定性好并对道砟碎化影响小。分析机械化捣固作业与机械枕底吹砟作业线路维修周期及作业效率,建议结合我国线路实际开展大型吹砟车的技术研究。     

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。     

复合轨枕道床横向阻力增强方法

为解决复合轨枕道床横向阻力不足的问题,基于复合轨枕材料和结构,提出横向阻力增强方案。采用3D扫描技术生成道砟颗粒模板库,构建轨枕-道床离散元三维模型,模拟分析了各种纹理复合轨枕对道床横向阻力的分担规律及其增强效果,并从细观层面分析了轨枕与道砟颗粒相互作用机理。结果表明:与普通条形复合轨枕相比,A1型,A2型,A3型,A4型,A5型纹理复合轨枕道床横向阻力可分别提高9.3%～11.4%,17.8%～23.6%,27.4%～32.0%,16.6%～21.8%,17.7%～21.2%;在复合轨枕与道砟接触表面设置纹理可增强轨枕表面与道砟颗粒之间的咬合,有效增大轨枕底面与道砟颗粒接触数目及轨枕侧面与道砟颗粒间平均接触力,提高枕底及枕侧阻力。     

高速铁路有砟轨道道砟飞溅的研究与防治

通过总结高速铁路有砟轨道道砟飞溅现象产生原因和影响因素,阐述并剖析防治道砟飞溅的方法与措施,结合法国高速铁路防治道砟飞溅经验,提出防治道砟飞溅的措施:采用洁净道砟、增大道床表面道砟粒径、降低轨枕槽内道砟高度、清扫轨枕表面散砟等.通过以上措施可防止高速有砟铁路道砟飞溅现象的发生,同时指出今后可利用离散单元软件与流体软件耦合对道砟飞溅进行仿真研究.