CN105133440A - 一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒状态判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒状态判断方法。在防飞砟铁路轨枕装置的上表面除承轨槽之外的其它部分采用流线型形状，且左右两个承轨槽到轨枕中心点之间的流线形状互相对称。两个侧面也采用流线型形状。上表面的中心点位于流线形状的最低点。本发明中的轨枕的承轨槽与道床表面之间的高度差大于设定的阈值。本发明中提出了新型高速铁路防飞砟轨枕设计方案，既保证轨枕的动力特性及满足道床的纵、横向阻力要求，保证线路稳定性，更通过ANSYS软件进行建模，对新型防飞砟轨枕的空气动力特性进行分析。

Description

一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒状态判断方法

技术领域

本发明涉及铁路轨道技术领域，尤其涉及一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒状态判断方法。

背景技术

铁路是国家重要基础设施，是环保高效的交通工具。中国高速铁路目前营运里程居世界第一，已成为国际铁路舞台的重要角色。有砟轨道是各国高速铁路轨道结构的主要形式之一，相比于无砟轨道，占有重要份额。世界上第一条高速铁路——日本东海道新干线就采用了有砟轨道结构。德国早期修建的城际铁路75％约为有砟轨道。法国高速铁路几乎全部为有砟轨道结构，东部线运营速度达到320km/h，试验速度为574.8km/h。西班牙、意大利等国的高速铁路绝大部分采用有砟轨道结构。

有砟轨道结构具有灵活性，易于养护维修、适用范围广、建造成本低等特点，具有巨大的发展价值，受到世界各国的重视。同时，从发展趋势和技术水平来看，有砟轨道完全可以用于高速铁路，也将成为未来高速铁路的主要结构形式之一。但必须引起重视的是，高速铁路有砟轨道飞砟(迁移)防治问题。

飞砟现象是指高速铁路列车动力和空气动力作用下，道床表面道砟颗粒迁移、跳跃、飞离道床，改变道床结构，并击打列车转向架部分车轴、制动缸、钢轨踏面的现象，一般发生在速度超过300km/h以上。飞砟现象具有危害大、分布广的特点，且严重影响有砟高速铁路发展以及无砟铁路有砟地段(过渡段)的安全性。飞砟现象对列车、线路具有巨大破坏作用，主要表现在以下方面：

第一，飞砟颗粒散落钢轨踏面改变轮轨受力，甚至引发脱轨等事故；第二，飞砟击打列车车轴、制动引起损伤；第三，飞砟溅落在钢轨踏面上，车轮动力作用下造成钢轨损伤，加速钢轨与车轮损伤，如钢轨上散落道砟颗粒在轮轨动力作用下，造成道砟颗粒引起的钢轨核伤，加速轨道恶化与车轮扁疤的形成。另一方面，高速铁路有砟道床表层道砟颗粒在列车风载和动力作用下松散、移动、聚集，从而导致风压波动、涡流，以至于道床几何断面尺寸难于保持、承载力不足。这种道砟迁移现象，不仅是高速铁路养护维修中遇到的新问题，更增大了飞砟发生几率。

高速铁路设计与运营理念在过去40年中不断发展。从过去道床强度设计理念逐渐过渡到道床横向阻力稳定性设计，并逐渐发展到道床结构引发的安全性设计。以飞砟问题为代表的高速铁路有砟轨道结构安全性设计已成为高速铁路有砟道床的控制因素。

结合国际上各国高速铁路有砟轨道结构的发展趋势，特别是法国高速有砟铁路建设的成果和经验，目前如何有效治理和防治飞砟已然成为我国高速铁路有砟轨道结构发展亟待解决的关键技术问题。

目前，以法国为代表的高速铁路有砟轨道结构通过采取道床结构优化、道床质量密实、轨枕上道砟清扫以及该测试列车线性优化等措施来防治飞砟，但这一系列综合技术在国内还处在探索期，远未成熟。从有砟轨道结构各组成部分的结构特点而言，目前国内的防治飞砟问题的手段和方式多数关注于道床结构、道床质量的优化，对有砟轨道轨枕影响飞砟问题的研究并不充分。

从轨枕的角度分析，传统高速铁路混凝土轨枕没有考虑列车动力和风压共同作用下飞砟现象，存在以下缺点：

1.既有高速铁路混凝土轨枕没有考虑飞砟现象，轨枕几何形状变化突兀，容易引起风压涡旋及波动，易于飞砟现象的形成；

2.既有高速铁路混凝土轨枕表面为一平面结构，捣固、维修、补充道砟等作业容易引起道砟散落并停留在轨枕上表面，由于轨枕加速度比较大，更加易于在列车动力和风压作用下飞砟。

发明内容

本发明的实施例提供了一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒状态判断方法，以实现有效地防治高速铁路飞砟。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种防飞砟的铁路轨枕装置，所述铁路轨枕的上表面上除了两个承轨槽之外的其它部分采用流线型形状。

优选地，所述铁路轨枕的两个侧面采用流线型形状。

优选地，所述铁路轨枕的上表面上的左右两个承轨槽到中心点之间的流线型形状互相对称。

优选地，所述铁路轨枕的上表面上的中心点位于流线型形状的最低点。

优选地，所述铁路轨枕的上表面上的承轨槽与道床表面之间的高度差大于设定的阈值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种铁路轨枕中的道砟颗粒状态判断方法，包括：

根据铁路轨枕道床上的道砟颗粒受到的重力mg、风载F_w和列车通过时因振动加速度导致的力F_a，计算出道砟颗粒的状态参数值a合；

将所述道砟颗粒的状态参数值a合与设定的状态阈值进行比较，根据比较结果确定所述道砟颗粒的状态。

优选地，所述方法包括：

设位于铁路轨枕道床上的道砟在竖直方向上主要受重力mg、颗粒间咬合力F_i、风载F_w以及列车通过时因振动加速度导致的力F_a；

根据达朗贝尔原理，得出公式：

F_w+F_a＝mg-ma_合+F_i(1)

设道砟颗粒间咬合力F_i＝0，m为道砟颗粒的质量，则公式(1)整理为如下公式：

ma_合＝F_w-mg+F_a

(2)

ma_合＝F_w-mg+ma＝F_w-m(g-a)

道砟所受风载Fw可通过式求得：

$F_w=\underset{0}{\overset{A}{\∫}}\underset{v_1}{\overset{v_2}{\∫}}f\left(A\right)f\left(v\right)dAdv---\left(3\right)$

式中A是风载作用于道砟颗粒的有效面积，v₁、v₂是开始时刻和结束时刻道砟颗粒受到的风速。

优选地，所述方法包括：

使用风压系数来表示风速与风载间的关系，引入风压系数_α后式(3)整理为式

$F_w=\mathrm{\α}\underset{0}{\overset{A}{\∫}}f\left(A\right)dA---\left(4\right)$

将式(4)代入式(2)联立可以得到公式

经过进一步整理得到式

优选地，所述的将所述道砟颗粒的状态参数值a合与设定的状态阈值进行比较，根据比较结果确定所述道砟颗粒的状态，包括：

若a_合＜0则表明道砟处于稳定状态；若a_合＝0则表明道砟处于临界状态，此时对应列车速度为临界速度；若a_合＞0则表明道砟处于飞砟状态。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过基于飞砟现象的作用机理，从飞砟平衡原理出发，优化由轨枕表面形状引起的道砟表层空气场对道砟飞起的动力作用，优化轨枕的几何形状，避免由于轨枕上表面平面结构造成的散落道砟堆积现象，从多角度防治飞砟现象的产生，避免其对列车运行安全造成危害。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕主视图；

图2为本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕剖面图；

图4为本发明实施例提供的一种道砟颗粒受力图；

图5为本发明实施例提供的一种实体建模得到三维空气动力学优化轨枕形状和道床模型示意图；

图6为本发明实施例提供的一种实体建模法经过布尔减操作后得到四周为壁面的计算域示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明所要解决的技术问题是，基于飞砟现象的作用机理，从飞砟平衡原理出发，优化由轨枕表面形状引起的道砟表层空气场对道砟飞起的动力作用，优化轨枕的几何形状，避免由于轨枕上表面平面结构造成的散落道砟堆积现象，从多角度防治飞砟现象的产生，避免其对列车运行安全造成危害。

故而本发明提出一种新型的轨枕结构形式，并基于空气动力学和计算流体力学的手段进行分析，降低高速铁路列车运行条件下飞砟现象的产生。

本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕装置的主视图如图1所示，俯视图如图2所示，剖面图如图3所示。在轨枕几何尺寸基本不变的基础上，轨枕的上表面上除了两个承轨槽部分之外的其它部分采用流线型形状，该流线型形状可以为圆弧化形状。

轨枕的上表面上的左右两个承轨槽到中心点之间的流线型形状互相对称，所述轨枕的上表面上的中心点位于流线型形状的最低点。承轨槽的下表面为轨枕的承轨面，承轨面与道砟层表面之间的高度差大于设定的阈值。

示例性的，轨枕整体长度设计区间可为2.6m～3.0m，底部宽约320mm，有挡肩，承轨槽长约320mm，宽205mm。铺设时轨枕间距为600mm，承轨面与道床表面高差增加至40mm。除承轨槽，其余部分的外表面轮廓采用流线型设计，能有效防止道砟颗粒在轨枕表面停留。使用本轨枕时，需根据列车运营轴重、速度、运量及单复线、地质等情况进行综合分析。

一、飞砟机理

对复杂条件下高速铁路飞砟(迁移)机理及风险评估，目前国内外研究方法主要有两种：基于动力学的精确数值仿真方法和基于随机理论的可靠度分析方法。基于动力学的精确数值仿真方法是通过对高速列车运营条件下，列车动力学、空气动力学、散体力学等复杂非线性环节分别或者综合研究，建立飞砟作用力学模型，进而研究道砟飞砟(迁移)有害现象及其影响规律。力学特性方法包括列车空气动力学仿真分析，风洞试验及现场测试，研究高速列车空气动力分布规律、散体道床风压特性、单体道砟颗粒力学特性等以及其影响规律。

以上研究揭示列车空气动力特性是飞砟关键因素之一。由于列车空气动力特性与列车速度密切相关，因此列车速度直接影响飞砟的发生。一般认为列车速度超过300km/h时才会发生飞砟现象。同时列车线形以及长度对飞砟也有影响，因此列车车头空气动力学优化能降低飞砟几率。以上研究方法，主要通过风洞试验、现场试验进行空气动力学、道床振动测试，并通过相关离散单元法(DEM)、流体计算力学(CFD)、列车动力学等从力学特性上进行研究与分析，相对来讲较为复杂。为了简单明了研究飞砟力学机理，现从道砟颗粒受力建立飞砟临界状态判别方程，从道砟颗粒受力本身提供评判标准。

本发明实施例提供的一种道砟颗粒受力图如图4所示，位于道床上的道砟在竖直方向上主要受重力mg、颗粒间咬合力F_i、风载F_w以及列车通过时因振动加速度导致的力F_a。

根据达朗贝尔原理，得出公式：

F_w+F_a＝mg-ma_合+F_i(1)

设颗粒间咬合力_Fi＝0，则公式(1)就可整理为如下公式：

ma_合＝F_w-mg+F_a

(2)

ma_合＝F_w-mg+ma＝F_w-m(g-a)

式中a是由于列车动力而引起道床中道砟振动竖向加速度值。由空气动理论，道砟所受风载Fw可通过式求得：

$F_w=\underset{0}{\overset{A}{\∫}}\underset{v_1}{\overset{v_2}{\∫}}f\left(A\right)f\left(v\right)dAdv---\left(3\right)$

式中A是风载作用于道砟的有效面积，v₁、v₂是研究时段开始时刻和结束时刻道砟受到的风速。由于风速与风载关系的不规律性，在实际应用中我们通常使用风压系数来表示风速与风载间的关系，引入风压系数α后式(3)整理为式

$F_w=\mathrm{\α}\underset{0}{\overset{A}{\∫}}f\left(A\right)dA---\left(4\right)$

将式(4)代入式(2)联立可以得到公式

经过进一步整理得到式

其中公式左边的a合反映道砟所处的状态，在一定列车速度下，产生一定的道砟道床振动加速度a，若a_合＜0则表明道砟处于稳定状态；若a_合＝0则表明道砟处于临界状态，此时对应列车速度为临界速度(风载速度为临界风载速度)；若a_合＞0则表明道砟处于飞砟状态。公式最左边(g-a)通常为定值，与高速列车作用下道床振动特性相关，该值可以进行测量和统计，即通过道床表层道砟颗粒振动加速度测量，简单计算后取得；而另一部分公式则反映影响道砟状态的因素，包括风载作用有效面积A、道砟质量m以及道砟间的咬合力F_i，这些因素与道砟颗粒形状、质量和道床密实状态、道床几何线性与断面、道床振动特性有一定联系。尤其是在风压系数α一定条件下，其比值对飞砟具有影响，该值可以定义为飞砟形状质量比系数。

如通过引用格林公式或者其它公式，让推导更为严谨，即体积分和表面积分的转换。

m＝∫∫∫pdxdydz(7)

将(7)代入(6)经过进一步整理得到式

(g-a)(9)

其中(g-a)(9)在列车速度和道床振动加速度一定情况下，取决于道砟颗粒位置。从(8)更加容易的看出，飞砟颗粒运动与道砟密度、道砟颗粒道床垂向厚度以及道砟颗粒位置相关。

若轨枕采用平面形式，道砟则易停留在轨枕表面上。由公式可以看出，道砟停留在轨枕表面，在列车经过时，会受到由轨枕传递的振动加速度a，则道砟所受到的合加速度将大于道床上的道砟受到的合加速度。即更易飞砟。采用流线型表面设计防止了道砟在轨枕表面上的停留，从而避免飞砟现象的发生。

轨枕的流线型表面设计优化了轨枕空气动力学特性，可有效降低飞砟发生几率。优化轨枕一方面减小了轨枕上表面的宽度,使道砟颗粒不足以在轨枕上表面停留，减小了道砟颗粒受到的向上的合加速度；另一方面从流体力学的角度讲,整个轨枕上部设计圆顺,减小了承轨槽几何结构对流体的绕流阻碍作用,降低了道床表层空气流湍流强度和激扰性,促进了道床表面气动荷载的均勾分布,可一定程度上有效降低道床负压气动荷载。

二、优化轨枕结构分析

高速铁路有砟轨道新建线路时速达300km/h的列车在行驶时列车周围会产生6-8级风力，强大的列车风力对列车底部道床表面产生负压风载效应，加上道床表面道砟颗粒因列车轨道动力作用产生振动加速度而出现“失重”状态，容易引起道砟颗粒上跳进而造成飞砟现象，冬季严寒地区铁路还会造成冰雪飞溅，严重影响列车行车安全。减小流体中障碍物表面边界层的分离可有效降低物体周围绕流压差阻力进而减小流体的瑞流漩润作用，而缩小边界层分离的有效途径之一就是改变流体中障碍物的形状以控制障碍物表面压力梯度。

所以通过这一理论并结合国外高速铁路轨枕结构空气动力学优化的研究经验，本发明提出对我国轨枕结构进行优化设计理念：即在保证高速铁路有砟道床轨枕动力稳定性的同时也要追求轨枕较好的空气动力学性能，进而减弱列车底部列车风的湍流效应，降低飞砟发生几率。

目前，我国高速铁路有砟道床主要应用Ⅲ型挡肩式混凝土轨枕，Ⅲ型轨枕轨枕长度增长，底部宽度加宽，增大了枕下支撑面积和端侧面积，可有效提高道床的纵、横向阻力，强化了轨道结构，提高线路的稳定性；采用无螺栓弹条扣件，强大的扣压力有利于保持轨道的几何形位，降低了轨道框架的纵横向位移，减少养护维修工作量。但Ⅲ型混凝土表面由于设计时没有考虑飞砟现象，轨枕几何形状变化突兀，容易引起风压涡旋及波动，易于飞砟现象的形成。同时，轨枕表面为一平面结构，捣固、维修、补充道砟等作业容易引起道砟散落并停留在轨枕上表面，由于轨枕加速度比较大，更加易于在列车动力和风压作用下飞砟。

本发明中提出了新型高速铁路防飞砟轨枕设计方案，既保证轨枕的动力特性及满足道床的纵、横向阻力要求，保证线路稳定性，更通过ANSYS软件进行建模，对新型防飞砟轨枕的空气动力特性进行分析。

(一)新型高速铁路防飞砟轨枕模型建立

在本发明中，首先根据流体边界层分离理论，实体建模得到本发明中新型轨枕与Ⅲ型轨枕三维空气动力学形状和道床模型如图5所示。对这两个模型进行计算分析，从结果进行比较分析可以得出本发明中新型轨枕在空气动力特性方面比Ⅲ型轨枕具有明显优势。

实体建模法经过布尔减操作后得到四周为壁面的计算域如图6所示，流体计算域的底面为散体道床表面，在参数影响分析中，主要关注这一壁面整体或某一区域在不同工况条件下的风场风压分布特性。综合考虑减弱模拟边界效应和提高计算效率，模型内设计7根轨枕，整个计算域长度取4.5m，高度1.2m。

网格划分釆用结构化和非结构化网格分区的划分方式，在结构复杂的部位如钢轨与轨枕连接处和轨枕槽处釆用非结构化网格划分，在临近道床表面的区域网格加密。

(二)模型计算参数选取

根据工况实际条件和流体力学理论，模拟参数设定和数值计算方法选取如表1。其中模拟风速取20m/s、25m/s和30m/s三个速度梯度。

表1参数设置

列车底部强大的列车风在道床表面产生复杂的空气动力学效应基于流体力学理论，道床几何结构及相对位置如轨枕类型、轨枕间距、道床砟心与轨枕承轨面的高差作为风流体中的障碍物会影响列车风空气动力学性能和道床表面风压分布。为了研究道床表面列车风载的分布规律及轨枕间距、轨枕类型及道床砟心与轨枕承轨面的高差对风载分布的影响，对列车风-轨枕-道床的一体化模型不同工况进行了CFD模拟分析。下面简述优化后的轨枕结构计算结构与Ⅲ型轨枕进行对比分析的结果。

(三)计算结果分析

1.道床表面风速与风压分布规律

(1)道床表面风速分布规律

从空气动力学角度可知风速矢量的分布情况直接影响着道床风压的分布,相同模拟风速下Ⅲ型轨枕和优化轨枕道床模型表面风速矢量是不同的。优化轨枕道床表面中部风速流较为平顺，钢轨两侧风速流稍微出现风向改变，临近砟肩处风速流出现横向流动和小幅度旋转，但总体较为平顺，没有出现较大风速漩涡漩涡；Ⅲ型轨枕道床表面中部风速也表现为层流流动，而钢轨两侧轨枕槽内则出现了较大范围风速漩涡，钢轨砟肩侧轨枕槽内尤为明显。因此，从道床表面上风速矢量变化情况可初步判断本发明的优化枕道床其表面上的风场更平顺稳定，不易产生较大风速流体激扰现象。在本发明优化轨枕道床表面风速等值线云图方面，由于湍流作用，在进口风速20m/s工况下整个道床表面的风速具有明显区域分布特征。轨枕上表面的风速在30m/s～40m/s之间，其中轨枕两端表面风速大于轨枕中部表面风速；轨枕槽道床中部表面和砟肩顶部风速在20m/s～25m/s范围内；钢轨两侧轨枕槽、钢轨底部和砟肩底部区域风速较小在5m/s～18m/s之间。从风速的分布区域来看，可大致推测出风压的分布特征及易产生飞砟的区域。

(2)道床表面剪切应力分布规律

物体由于外因而变形时，其内部任一截面的两方出现的相互用力，称为“内力”。内力的集度，即单位面积上的内力称为“应力”。应力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面的分量称为“剪切应力”。若以A表示剪切面面积，为截面上的剪力，则剪力与剪切面积的比值为剪应力或切应力其表达式：

$\mathrm{\τ}=\frac{F_s}{A}---\left(10\right)$

式(10)体现了剪力在剪切面上均匀分布性，是单位剪切面积上剪力的大小。风荷载作用下道床表面剪应力的大小则表示单位道床纵向截面面积上剪力的大小，该剪力在大小上等于沿Z轴负向道床表面风力，方向与风力相反。道床表面剪切应力大小体现了道床表层道砟颗粒和轨枕表面抵抗风力的特征。在Ⅲ型轨枕和优化轨枕道床在Z轴方向剪切应力分布方面，Ⅲ型轨枕道床表面中部轨枕槽切应力范围为0.5Pa～1.5Pa，钢轨两侧轨枕槽切应力范围为0Pa～0.5Pa，在钢轨底部轨枕槽内切应力接近零。Ⅲ型轨枕的中部切应力约是轨枕两端表面切应力的两倍；本发明优化轨枕整个道床表面切应力大小在1.8Pa～2.2Pa之间且较为均勾，整体大于Ⅲ型轨枕道床表面切应力。优化轨枕两侧迎风面切应力大小在0.2Pa～0.6Pa之间，与Ⅲ型轨枕两侧表面切应力相当，优化轨枕中间迎风侧切应力大小在1.4Pa～2Pa之间，略大于Ⅲ型轨枕中部切应力值。由此可推断从切应力角度分析优化轨枕道床表面平顺其整体切应力值水平大于Ⅲ型轨枕道床表面切应力。

(3)道床表面风静压分布规律

道床表面静压分布关系到道砟散体颗粒受力平衡，由道砟颗粒微观受力分析原理可知，表面风压是道床表面的颗粒物主要外力，很大程度上影响道砟移动与飞溅。

25m/s风速下，Ⅲ型轨枕道床中部轨枕槽内横向80cm范围内单位面积风压值在-30N～200N之间，道床中线风压最高，向外围两侧逐渐递减，轨枕表面风压值在-100N～500N之间，模拟值与现场测得的实验值较为接近，误差范围在5％～15％之间，钢轨两侧轨枕槽内风压值在-25N～35N之间。

优化轨枕道床中部轨枕槽内表面风压-120N～280N，道床中部最大，随着往外侧延伸风压逐渐减小。轨枕表面风压值最大达-600N，钢轨两侧轨枕槽内风压值在200N～350N范围内。相比Ⅲ型轨枕，优化轨枕区域风压分布范围大，风压变化梯度小。

在模拟风速为25m/s工况下优化轨枕枕中截面线上风压分布方面，轨枕右半部负风压在道床横断面X轴正向(右半部)的分布规律得以呈现：从轨枕中部向右随着轨枕距道床表层高度的增加风压逐渐增加到第一个波谷位置，即轨枕扣件槽外侧部分；接着进入轨枕扣件槽到钢轨侧面，风压又逐渐变小至第一个波峰位置；越过钢轨及扣件槽后风压又急剧增加到第二个波谷位置，即临近砟肩一侧轨枕端部上表面处风压最大；砟肩内边坡至砟肩顶部一段风压又下降到钢轨表面处风压水平，最后一段砟肩外边坡风压趋于稳定。

相同风速下，整体轨枕槽内风压比轨枕表面风压降低很大，其中轨枕槽道床中部风压约为轨枕中部表面风压50％。随着沿X轴正向距离增加，轨枕槽深度增加，轨枕槽内风压逐渐降低，到钢轨内侧底部处风压比道床中部风压降低了30％～35％，且随风速增加，轨枕端部轨枕槽内风压变化不明显，靠近砟肩轨枕端部槽内线上风压最小约为-20Pa。而到达砟肩内边坡，风压又急剧增加，比端部轨枕槽内风压增加了约2～3倍。通过对优化轨枕表面和轨枕槽内风压变化的分析，并与第四章中m轨枕道床表面线上风压进行大致对比可以得出:轨枕槽内绝对风压和变化梯度都小于轨枕表面风压和变化梯度。而优化轨枕表面整体风压大于Ⅲ型轨枕表面整体风压，优化轨枕槽内风压值变化梯度小于Ⅲ型轨枕承轨槽内风压变化梯度。

2.列车风速

本文依据列车风-轨枕-道床空气动力分析模型，在模拟不同列车风速下，两种轨枕结构道床表面不同位置风压监测最大值，如表2。

表2不同风速监测点的风压值

以优化轨枕为例，同一列车风速下，优化轨枕道床表面不同位置的风压曲线都不相同，其中钢轨两侧轨枕槽内风压比道床中部和砟肩处风压降低约60％，砟肩处风压略大于道床中部风压；道床中部、钢轨两侧轨枕槽内、砟肩处道床表面的风压在不同风速下的变化曲线都不相同。随着风速的增加，道床中部风压从原来70N增加到160N，增幅明显；钢轨两侧轨枕槽内风压，整体增加幅度不大，受轨枕槽阻碍作用，湍流效应明显，风压在风速30m/s时变化剧烈，砟肩处风压随列车风速逐级增加，风压增加最大，30m/s最大风压值为180N。

由以上分析可知砟肩和道床中部是飞砟易发生区。由于列车负压风载与列车风速的非线性相关性，高速铁路飞砟几率与列车速度呈非线性增加关系，如韩国现场飞砟试验研宄表明，时速350km列车发生飞砟几率约是时速300km列车的2倍，因此高速铁路列车速度的提高，需要进一步考虑和增强飞砟防治措施。

3.轨枕间距

轨枕间距影响轮轨的振动，对轨道的噪声有一定影响，尤其是在列车时速超过250km/h时。轨枕间距作为轨道结构的重要参数，不同轨枕间距会对道床的振动产生较大影响。对于时速达到350km/h高速铁路，轨枕间距会对列车转向架下的风场产生影响从而影响道床表面风压值。因此，轨枕间距也是飞砟问题需要考虑的一种因素。

在标准轨枕间距600mm的基础上，增设500mm和700mm轨枕间距，设定风速为20m/s下轨枕槽道床中部监测点风压的变化情况。增加轨枕间距使两种轨枕槽中部风压都有所增加，间距500mm和600mm工况下m型轨枕道床中部表面风压大于优化轨枕约5N～10N，轨枕间距从500mm增加到600mm，Ⅲ型轨枕道床表面中部风压增幅比优化轨枕大，轨枕间距从600mm增加到700mm，两者风压差别己不大，但优化轨枕道床中部表面风压增幅达45％，大于Ⅲ型轨枕工况的增幅；轨枕间距增加使轨枕槽内风流体激扰性降低，风压波动范围有所减小，尤其对Ⅲ型轨枕的道床表面效果明显。鉴于对飞砟安全考虑，轨枕间距宜小不宜大，间距减小，会整体降低道床表面风压力，但考虑到建设成本和后续机械养护维修，权重平衡建议轨枕间距取行业标准600mm。

4.轨枕承轨面与道床表面高差

在高速铁路发达的国家如日本、法国、德国等高速铁路公司、部门的专家们认为，道床中心处道床顶面易引起飞砟现象。因此，国外高速铁路规定道心处的道床顶面应低于轨枕承轨面40mm。鉴于国外的经验，我国6部新线有砟轨道路段设计规范中，《京沪高速铁路设计暂行规定》(2004-12-30)要求“道床顶面应低于轨枕承轨面40mm”，其它5部规范如铁道部2006年颁布的《既有线提速200km/h技术条件》(试行)中要求“道床顶面应低于轨枕承轨面30mm，Ⅱ型枕、Ⅲ型枕地段，道床顶面与轨枕中间顶面平齐，盆枕、桥枕等其它轨枕地段，道床顶面应低于轨枕承轨面30mm”；在提速250km/h地段要求“铺设Ⅲ型轨枕地段道床顶面高度应与轨枕中部顶面平齐，岔枕、桥枕等其它类型轨枕地段的道床顶面应低于轨枕承轨面40mm”。这反映了我国为防止飞砟而采取降低道心道床顶面高度的措施。下面对列车风作用下，道床表面与轨枕承轨面的相对高差对道床表面风压影响进行数值分析。以Ⅲ型轨枕和优化轨枕为例，鉴于规范设计要求，建立承轨面高出道床表面lOmm、20mm、40mm三种工况模型，并在各个工况的道床表面中心处设置监测点。

随着增加承轨面与道床表面高差，道床中部表面风压降低明显，整体风压波动性也有所降低。以优化轨枕为例，高差从lOmm增大到20mm，风压降低近约30％，高差从20mm增加到40mm，风压降低约55％；Ⅲ型轨枕在高差为10mm和20mm工况下，道床轨枕槽内的风压值与优化轨枕的相差不大，但波动性比优化轨枕道床大。40mm高差的工况下，Ⅲ型轨枕道床中部表面风压比优化轨枕道床高10％～20％。降低道床表面与承轨面的高差可有效降低道床表面风压值和风压波动性，且优化轨枕更有明显优势。另外轨枕槽深度的增加，有利于阻挡表层道砟颗粒飞出，降低了飞溅颗粒对车体和钢轨的损伤。尽管增加轨枕承轨面与道床表面高差，能够降低轨枕槽内风压，但在增加高差的同时会减小道床纵横向阻力，降低道床稳定性，所以需要兼顾两者利害关系，从法国有碎轨道防治飞砟经验也可得出40mm的高差在保证道床稳定性的前提下可有效降低飞砟的危害。

综上所述，本发明实施例通过建立列车风-轨枕-道床CFD空气动力学模型，分别从轨枕间距、轨枕与道床高差、列车风速三方面对两种轨枕类型道床进行空气动力学特性计算分析，得出以下设计结论:

(1)本发明的优化设计轨枕适用于我国高速铁路有碎道床。本发明轨枕自重大，底面积大，抗弯矩能力强，具有良好的稳定性和耐久性，可经受高速铁路的髙频冲击。在正线提高道床表面与轨枕承轨槽高度到40mm情况下，能够有效阻挡道砟颗粒越过轨枕槽。

(2)本发明中的优化轨枕空气动力学特性能够有效降低飞砟发生几率。优化轨枕一方面减小了轨枕上表面的宽度，使道砟颗粒不足以在轨枕上表面停留；另一方面从流体力学的角度讲，整个轨枕上部设计圆顺，减小了轨枕槽几何结构对流体的绕流阻碍作用，降低了道床表层空气流强度和激扰性，促进了道床表面气动荷载的均匀分布，可一定程度上有效降低道床负压气动荷载。

(3)相同轨枕间距下，优化轨枕比Ⅲ型轨枕道床表面风压比低10％左右，风压波动性表现减弱。增加承轨槽与道床表面高差可有效降低轨枕槽内整体风压值，是降低飞砟危害行之有效的方法。

从以上分析可以得出，该高速铁路飞砟防治轨枕上表面的圆弧形状设计，一方面降低风压值和波动，同时圆弧形状上表面不容易由于捣固或者稳定作业停留的道砟颗粒，进而显著降低飞砟现象的发生现象。该高速铁路飞砟防治轨枕不影响道砟维修，如捣固、稳定作业等。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种防飞砟的铁路轨枕装置，其特征在于，所述铁路轨枕的上表面上除了两个承轨槽之外的其它部分采用流线型形状。

2.根据权利要求1所述的防飞砟的铁路轨枕装置，其特征在于，所述铁路轨枕的两个侧面采用流线型形状。

3.根据权利要求1所述的防飞砟的铁路轨枕装置，其特征在于，所述铁路轨枕的上表面上的左右两个承轨槽到中心点之间的流线型形状互相对称。

4.根据权利要求3所述的防飞砟的铁路轨枕装置，其特征在于，所述铁路轨枕的上表面上的中心点位于流线型形状的最低点。

5.根据权利要求1至4任一项所述的防飞砟的铁路轨枕装置，其特征在于，所述铁路轨枕的上表面上的承轨槽与道床表面之间的高度差大于设定的阈值。

6.一种铁路轨枕中的道砟颗粒状态判断方法，其特征在于，包括：

根据铁路轨枕道床上的道砟颗粒受到的重力mg、风载F_w和列车通过时因振动加速度导致的力F_a，计算出道砟颗粒的状态参数值a_合；

将所述道砟颗粒的状态参数值a_合与设定的状态阈值进行比较，根据比较结果确定所述道砟颗粒的状态。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括：

设位于铁路轨枕道床上的道砟在竖直方向上主要受重力mg、颗粒间咬合力F_i、风载F_w以及列车通过时因振动加速度导致的力F_a；

根据达朗贝尔原理，得出公式：

F_w+F_a＝mg-ma_合+F_i(1)

设道砟颗粒间咬合力F_i＝0，m为道砟颗粒的质量，则公式(1)整理为如下公式：

ma_合＝F_w-mg+F_a

(2)

ma_合＝F_w-mg+ma＝F_w-m(g-a)

道砟所受风载F_w可通过式求得：

$F_w=\underset{0}{\overset{A}{\∫}}\underset{v_1}{\overset{v_2}{\∫}}f\left(A\right)f\left(v\right)dAdv---\left(3\right)$

式中A是风载作用于道砟颗粒的有效面积，v₁、v₂是开始时刻和结束时刻道砟颗粒受到的风速。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，包括：

使用风压系数来表示风速与风载间的关系，引入风压系数α后式(3)整理为式

$F_w=\mathrm{\α}\underset{0}{\overset{A}{\∫}}f\left(A\right)dA---\left(4\right)$

将式(4)代入式(2)联立可以得到公式

经过进一步整理得到式

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的将所述道砟颗粒的状态参数值a_合与设定的状态阈值进行比较，根据比较结果确定所述道砟颗粒的状态，包括：

若a_合＜0则表明道砟处于稳定状态；若a_合＝0则表明道砟处于临界状态，此时对应列车速度为临界速度；若a_合＞0则表明道砟处于飞砟状态。