CN113642075B - 一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种有砟道床‑大机捣入深度的优化方法，涉及有砟轨道交通领域。包括以下步骤：建立大机‑有砟道床耦合模型；预设多个初始捣入深度；根据初始捣入深度并基于大机‑有砟道床耦合模型模拟与其对应的捣固作业过程，分析捣固作业过程中轨枕所受压力，确定捣入深度值的上限；分析捣固作业对道砟颗粒的破碎概率，确定捣入深度值的下限；最后分析不同捣入深度条件下道砟颗粒的运动规律，并结合捣入深度值的下限和上限确定捣入深度的最佳取值范围。本申请用于确定合理的捣入深度，提高养护维修效果。
Description
技术领域
本申请涉及有砟轨道交通领域，尤其涉及一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法。
背景技术
有砟轨道是国内外一种重要的铁路轨道结构形式，具有造价低、弹性好、振动噪声小、养护维修方便等一系列优势。然而，有砟道床作为一种散体材料，在列车循环荷载作用下会发生破碎、粉化、沉降等一系列劣化现象，导致轨道几何形位发生改变，道床力学性能降低，轮轨作用力增大，严重威胁行车安全。大型养路机械捣固作业能够有效改善道床弹性、恢复轨道几何形位，是目前国内外有砟轨道养护维修的一种主流措施。然而，目前我国大机作业参数多是基于经验进行安排，缺乏系统的理论指导，导致捣固作业效果欠佳。
捣入深度是捣固作业的一项关键参数，严重影响有砟道床的养护维修质量。若捣入深度过小，在捣镐的夹持过程中会对轨枕产生巨大的挤压力，导致轨枕发生磨耗，且道砟颗粒不能发生充分的移动，难以对轨枕底部的空隙进行充分填充；若捣入深度过大，捣镐会对有砟道床产生巨大的冲击力，致使道砟颗粒易发生破碎，且镐掌的作用区域主要集中于道床中下部，养护维修效果欠佳。
目前，国内外提出了部分方法研究合理的捣固作业参数。Saussine、Zhou等人利用捣固作业后枕底密实度的变化规律从宏观角度评价捣固作业效果，提出了捣固作业频率的最优取值，王众保从细观角度分析了捣固作业对道砟颗粒运动的影响规律，这些方法单方面考虑了捣固作业对有砟道床质量状态的改善效果，未考虑捣镐对有砟道床的冲击破坏作用。Perales及Aursudkij通过捣固作业过程中道砟颗粒的破碎研究捣固破坏作用，未考虑捣固作业对有砟道床改善效果，且未提出合理的捣固作业参数。Liu利用捣固作业后道床横线阻力的衰减及阻尼的增长研究捣固作业对有砟道床质量状态的影响，但未对捣固作业的关键参数进行深入研究。
发明内容
本申请的提供一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法，通过从轨枕磨耗、道砟破碎、颗粒移动等多个角度平衡捣固作业的利与弊，从而确定捣入深度，提高了养护维修效果，减轻捣镐对道床及轨枕的破坏作用。
为达到上述目的，本申请提供一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法。包括以下步骤：
S1：利用数值仿真软件建立包含捣镐、轨枕和道砟颗粒堆积结构的大机-有砟道床耦合模型；
S2：预设多个初始捣入深度；
S3：将多个初始捣入深度分别输入至大机-有砟道床耦合模型中，模拟与其对应的捣固作业过程，捣固作业过程包括捣入阶段和夹持阶段；
S4：根据模拟捣固作业过程中轨枕所受压力确定捣入深度的下限；根据模拟捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎概率确定捣入深度的上限；
根据捣入深度的下限、上限以及模拟捣固作业过程中道砟颗粒的竖向位移均值、平均配位数和轨枕底部空隙率确定捣入深度的最佳取值范围。
进一步地是，所述S4具体包括以下步骤：
S41：根据多个初始捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中轨枕所受压力，得到在不同捣入深度下轨枕所受压力时程曲线，并根据压力时程曲线中压力峰值的增量确定捣入深度的下限；
S42：根据多个初始捣入深度分别对应的模拟捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎概率，得到道砟颗粒的破碎概率与捣入深度的关系曲线，并根据其确定捣入深度的上限；
S43：根据多个初始捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中道砟颗粒的竖向位移均值、平均配位数以及轨枕底部空隙率，得到捣入深度与道砟颗粒竖向位移均值的关系曲线、在不同捣入深度下道砟颗粒的平均配位数时程曲线以及不同捣入深度下轨枕底部空隙率时程曲线，并根据其以及捣入深度的下限、上限确定捣入深度的最佳取值范围。
进一步地是，在步骤S41中轨枕所受压力的计算的步骤为：
S411：分别获取多个轨枕单元在多个道砟颗粒作用下产生接触力的矢量和；
S412：根据每个轨枕单元分别对应的接触力的矢量和计算相对应的压力；
S413：对多个压力进行求和，得到轨枕所受压力。
进一步地是，所述接触力的矢量和、压力的计算公式分别为：
式中，F为轨枕单元接触力矢量和，m为与轨枕单元接触的道砟颗粒数量，kni为法向刚度、χni为法向重叠量，cni为法向阻尼系数，vni为法向相对速度，S为轨枕单元面积。
进一步地是，步骤S42中道砟颗粒的破碎概率计算公式为：
式中，B为道砟破碎概率，x为道砟法向接触力，ρ(x)为道砟法向接触力概率密度函数。
进一步地是，步骤S2中获取的多个初始捣入深度值的取值范围为20～60mm。
进一步地是，步骤S41中捣入深度值的下限为20mm，步骤S42中捣入深度值的上限为50mm。
进一步地是，步骤S43中捣入深度的最佳取值范围为20～30mm。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：本发明综合考虑捣固作业对道砟、轨枕的破坏作用，以及对有砟道床的养护维修效果，平衡多方面的利与弊，选取的捣入深度取值更为合理，可靠性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请大机-有砟道床耦合模型的示意图；
图2为本申请在不同捣入深度下轨枕所受压力时程曲线；
图3为本申请道砟颗粒法向接触力时程曲线；
图4为本申请道砟颗粒法向接触力概率密度曲线；
图5为本申请道砟颗粒的破碎概率与捣入深度的关系曲线；
图6为本申请道砟颗粒竖向位移与概率密度曲线；
图7为本申请捣入深度与道砟颗粒竖向位移均值的关系曲线；
图8为本申请捣入深度与道砟颗粒大位移占比的关系图；
图9为本申请道砟平均配位数时程曲线；
图10为本申请轨枕底部空隙率时程曲线。
图中：1为捣镐，2为轨枕，3为道砟颗粒堆积结构。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：本申请实施例提供了一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法，包括以下步骤：
S1：利用数值仿真软件建立大机-有砟道床耦合模型，大机-有砟道床耦合模型由捣镐1、轨枕2和道砟颗粒堆积结构3构成，如图1所示。大机-有砟道床耦合模型的参数如表1所示。
表1大机-有砟道床耦合模型参数
S2：预设多个初始捣入深度，本实施例中根据实际工程现场选取10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm作为捣入深度。
S3：将步骤S2中的各个捣入深度依次输入至大机-有砟道床耦合模型中，模拟各个捣入深度下的捣固作业过程，捣固作业过程包括捣入阶段和夹持阶段。
S4：捣入深度的最佳取值范围确定
S41：根据多个初始捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中轨枕2所受压力，得到如图2所示的在不同捣入深度下轨枕2所受压力时程曲线，并根据压力时程曲线中压力峰值的增量确定捣入深度的下限。
在模拟捣固作业过程中，轨枕2所受压力计算步骤如下：
S411：分别获取多个轨枕单元在多个道砟颗粒作用下产生接触力的矢量和；接触力的矢量和计算公式如下：
式中，F为轨枕单元接触力矢量和，m为与轨枕单元接触的道砟颗粒数量，kni为法向刚度、χni为法向重叠量，cni为法向阻尼系数，vni为法向相对速度，
S412：根据每个轨枕单元分别对应的接触力的矢量和计算相对应的压力，计算公式如下：
式中，S为轨枕单元面积。
S413：对多个压力进行求和，得到轨枕所受压力。
在图2中可以分析出：在不同捣入深度条件下，在捣固作业过程中轨枕2所受压力均有相同的变化趋势。捣入深度对轨枕2受力产生较大的影响，当捣入深度取20mm～60mm，轨枕2所受压力相近，峰值为0.63MPa～0.93MPa。当捣入深度取10mm，轨枕2所受压力急剧增大，峰值达到1.76MPa，相比于捣入深度为20mm的压力峰值增大了83.09％。因此，为尽可能减少捣固作业对轨枕2的破坏，将20mm作为捣入深度的下限，以保证轨枕2及道床整体的服役性能。
在捣固作业过程中，道砟颗粒在捣镐1的激扰作用下不断向轨枕2移动，致使道砟与轨枕2发生冲击磨耗作用，轨枕2极有可能发生一定程度的损伤，尤其是枕侧与枕底相交的棱角部位，易发生较大的磨耗现象。为尽可能减小捣固作业对轨枕2的破碎效果，本申请通过分析了不同捣入深度条件下轨枕2受力的变化规律，以确定捣入深度下限，减小了捣固作业对轨枕2的破坏效果。
S42：根据步骤S2中各个捣入深度分别对应的模拟捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎概率，得到如图5所示的道砟颗粒的破碎概率与捣入深度的关系曲线，并根据其确定捣入深度的上限。
捣固作业过程中，捣镐1的下插会对道砟颗粒产生极大的冲击作用，捣固的夹持阶段也会对道砟产生较大的激扰，致使道砟颗粒易发生较为严重的破碎、粉化现象，进而导致道床整体的力学性能降低，使用寿命发生衰减。
道床内部颗粒平均法向接触力时程曲线如图3所示。可以看出，不同捣入深度条件下，道砟颗粒平均法向接触力均表现出一致的演变趋势。不同捣入深度条件下道砟颗粒均在捣入阶段结束时及夹持阶段结束时处于受力的最不利状态，其中，法向接触力在捣入阶段结束时达到最大值。
当捣入深度为10mm时，道砟平均法向接触力的最大值为0.59kN。随着捣入深度的增加，捣镐1对道床的作用范围不断增大，致使道砟法向接触力最大值不断变大。当捣入深度取60mm时，道砟平均法向接触力最大值为0.88kN，增大了49.15％。
在捣入阶段及夹持阶段结束时，散体道床处于受力的最不利状态，当单个道砟颗粒所受接触力超过承载能力极限时，易发生破碎。为进一步明确散体道床处于受力最不利状态时道砟颗粒的破碎概率，研究了道砟颗粒法向接触力分布概率密度，如图4所示。可以看出，在捣入阶段及夹持阶段结束时，道砟颗粒法向接触力均集中在量值相对较小的区间，因此，绝大部分道砟颗粒在处于受力最不利状态时的法向接触力仍然较小，不易发生破碎。既有研究表明，单个道砟颗粒承受法向接触力超过10kN时，易发生破碎。因此，本发明取10kN为破碎临界值，计算法向接触力超过10kN的道砟分布概率，以近似确定在一次捣固作业后道砟的破碎概率。道砟破碎概率计算公式如下所示：
式中，B为道砟破碎概率，x为道砟法向接触力，ρ(x)为道砟法向接触力概率密度函数。
基于上式，计算得出不同捣入深度条件下，道砟颗粒在捣入阶段结束时及夹持阶段结束时的破碎概率，如图5所示。可以看出，随着捣入深度的增加，道砟颗粒在夹持阶段结束时的破碎概率在0.11％～0.23％范围内波动，相对较为稳定，因此，捣入深度对夹持阶段结束时道砟颗粒的破碎影响较小。但在捣入阶段结束时，捣入深度为10mm时，破碎概率为0.35％，捣入深度为50mm时，破碎概率为0.46％，增长了31.42％，当捣入深度为60mm时，破碎概率达到了0.73％，相比于10mm的捣入深度增大了108.57％。捣入深度对捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎影响较大，因此，本申请利用捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎概率确定捣入深度的上限。
捣入深度的上限可以根据图5中捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎概率来确定，从图5中可以看出，当捣入深度较小时，道砟破碎概率随着捣入深度的增加缓慢增大，当捣入深度超过50mm时，道砟破碎概率发生剧增，这主要是因为捣入深度越大，与镐掌发生直接接触的道砟颗粒在道床中的深度越大，而下层道砟相对较为密实，与镐掌间的相互作用类似于硬性碰撞，因此易导致道砟颗粒破碎。此外，捣入深度越大，镐臂与道砟间的接触面积越大，捣固装置传递至有砟道床的能量就越大，更易使道砟发生破碎。为减少道砟颗粒在捣固作业过程中的破碎、磨耗现象，将50mm作为捣入深度的上限。
S43：根据捣入深度的下限、上限以及模拟捣固作业过程中道砟颗粒竖向位移均值、平均配位数和轨枕2底部空隙率确定捣入深度的最佳取值范围。
S431：根据步骤S2中的各个捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中道砟颗粒的竖向位移均值，得到如图7所示的捣入深度与道砟颗粒竖向位移均值的关系曲线。
为了有效评估道砟颗粒在捣固作业过程中的运动行为，本发明对大机-有砟道床模型中的所有道砟颗粒进行选取跟踪，记录道砟颗粒在捣固作业过程中的空间位置坐标(x,y,z)，进而有效捕捉所有道砟颗粒的运动规律。在此基础上计算道砟颗粒在捣固作业后的竖向位移，如下式：
y＝yt-y0
式中，y为单个道砟颗粒捣固作业后竖向位移，yt为捣固作业后道砟颗粒竖向坐标，y0为捣固前道砟竖向坐标。
对所有道砟颗粒的竖向位移进行统计分析，其概率密度曲线如图6所示，可以看出，道砟颗粒竖向位移概率密度在不同的捣入深度下具有相同的变化趋势，整体均呈“人”字形。概率密度曲线在接近于0的正向区域非常集中，在接近于0的负向区域较为集中。为进一步明确捣入深度对道床整体颗粒位移的影响规律，本发明针对不同捣入深度条件下道砟颗粒在竖直方向上的位移均值做深入探究，如图7所示。可知，当捣入深度为10mm时，道砟正向竖位移均值为11.71mm，随着捣入深度的增大，捣镐1对有砟道床的作用深度不断变大，与捣镐1发生直接作用的颗粒数量不断增多，致使道砟颗粒正向竖位移均值不断变大，当捣入深度达到60mm时，道砟正向竖位移均值为17.45mm，相比于10mm捣入深度作用下增大了49.02％。相比之下，捣入深度对道砟负向竖位移均值的影响较小，但仍然呈现出随捣入深度增加而不断变大的趋势，捣入深度为10mm时，负向竖位移均值为7.69mm，当捣入深度为60mm时，负向竖位移均值为8.92mm，增长了15.99％，表明捣入深度越大，道砟颗粒在捣镐1的推挤作用下向下运动的行程就越大。
由以上分析可知，在捣固作业过程中，大部分道砟颗粒发生较小的正向、负向竖位移，仅少部分道砟颗粒发生较大的竖向位移，而当道砟位移足够大时，才能有效填补轨枕2底部空洞。因此，非常有必要对大位移的道砟颗粒进行重点关注，以保证枕底道床在捣固作业后具有足够的密实度。本发明取50mm为大位移临界值，计算位移大于临界值的道砟颗粒数量占道床颗粒总数量的比值，据此在一定程度上评估捣固作业效果。不同捣入深度条件下，道砟在竖直正向及负向的大位移占比如图8所示，可以看出，捣入深度对竖直正向的大位移占比影响较大，其值随着捣入深度的增加不断变大，且两者近似呈线性相关，其斜率为0.096，拟合优度为0.965。由此可知。当捣入深度较大时，道砟更易向枕底移动，更有利于提高枕底密实度。捣入深度对竖直负向的大位移占比的影响相对较小，其值在8.34附近波动，可知增大捣入深度不能促使更多的枕盒道砟向道床底部发生移动。
S432：根据步骤S2中各个捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中道砟颗粒的平均配位数，得到如图9所示的在不同捣入深度下道砟颗粒的平均配位数时程曲线。
配位数为单个道砟颗粒与相邻颗粒的接触点数，散体道床配位数平均值能够有效反映整体道砟颗粒的接触状态。道砟配位数平均值在捣固作业过程中的变化规律如图9所示，可以看出，不同捣入深度条件下，道砟平均配位数具有相同的变化趋势。捣入深度对道砟配位数产生较大的影响，捣固作业前，道砟配位数为7.55，当捣入深度为10mm时，捣固作业后道砟配位数为5.23，相比于捣固作业前降低了30.73％，随着捣入深度的增加，捣固作业后的道砟配位数逐渐降低，当捣入深度为60mm时，捣固作业后道砟配位数为4.64，相比于捣入深度为10mm作业后的道砟配位数降低了11.28％。因此，捣固作业对散体道床产生一定的扰动作用，破坏了道砟颗粒原有的接触姿态，且捣入深度越大，破坏效果越严重。
S433：根据步骤S2中各个捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中轨枕2底部空隙率，得到如图10所示的不同捣入深度下轨枕底部空隙率时程曲线。
在列车荷载作用下，有砟道床的应力主要集中在枕底部位，且逐渐向下发生衰减扩散。因此，枕底道砟是承受外荷载的关键部位，枕底道砟密实度决定了有砟道床整体的承载能力。为了直观反映捣固作业对枕底道砟密实度的影响，评估捣固作业效果，本发明针对捣固作业过程中枕底空隙率的变化规律进行深入研究，如图10所示。可以看出，不同捣入深度条件下，枕底道砟空隙率具有相同的变化趋势。捣入深度对捣固作业后枕底道砟的空隙率产生较大的影响。从图10中可以看出，当捣入深度过大时，捣镐1主要作用于道床底部，对枕底道砟的作用效果不足，因此枕底道砟空隙率在捣固作业后较大；当捣入深度过小时，道床底部道砟受捣固作业的影响较小，仅枕间的上层道砟向枕底移动，导致捣固作业效果仍然欠佳；当捣入深度适中时，枕间及道床中下层的大量道砟颗粒在捣镐1的推挤作用下不断向枕底移动，且枕底的道砟颗粒在夹持力的作用下不断挤压密实，因此枕底空隙率在捣固作业后较小，捣固作业效果较好，当捣入深度取30mm时，枕底空隙率为28.75％，相比于60mm、10mm捣入深度的作用效果，枕底空隙率分别降低了9.91％、5.15％。
S434：根据步骤S431、S432、S433得到的曲线以及步骤S42、S43得到的捣入深度值的下限和上限，确定捣入深度的最佳取值范围。
由以上分析可知，捣入深度对道床内部道砟颗粒的运动行为产生较大的影响。当捣入深度较大时，道砟颗粒在水平及竖直方向上均会发生较为充分的运动，但对道床整体颗粒内部间的接触状态不利，对道床产生了一定的扰动作用。此外，捣入深度过大或过小均不能使枕底道砟在捣固作业后达到一个较好的密实状态。因此，捣入深度取20～30mm是最佳的取值范围。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用数值仿真软件建立包含捣镐、轨枕和道砟颗粒堆积结构的大机-有砟道床耦合模型；
S2：预设多个初始捣入深度；
S3：将多个初始捣入深度分别输入至大机-有砟道床耦合模型中，模拟与其对应的捣固作业过程，捣固作业过程包括捣入阶段和夹持阶段；
S4：根据模拟捣固作业过程中轨枕所受压力确定捣入深度的下限；根据模拟捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎概率确定捣入深度的上限；
根据捣入深度的下限、上限以及模拟捣固作业过程中道砟颗粒竖向位移均值、平均配位数和轨枕底部空隙率确定捣入深度的最佳取值范围；
所述S4具体包括以下步骤：
S41：根据多个初始捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中轨枕所受压力，得到在不同捣入深度下轨枕所受压力时程曲线，并根据压力时程曲线中压力峰值的增量确定捣入深度的下限；
S42：根据多个初始捣入深度分别对应的模拟捣入阶段结束时道砟颗粒的破碎概率，得到道砟颗粒的破碎概率与捣入深度的关系曲线，并根据其确定捣入深度的上限；
S43：根据多个初始捣入深度分别对应的模拟捣固作业过程中道砟颗粒的竖向位移均值、平均配位数和轨枕底部空隙率，得到捣入深度与道砟颗粒竖向位移均值的关系曲线、在不同捣入深度下道砟颗粒的平均配位数时程曲线以及不同捣入深度下轨枕底部空隙率时程曲线，并根据其以及捣入深度的下限、上限确定捣入深度的最佳取值范围；
在步骤S41中轨枕所受压力的计算的步骤为：
S411：分别获取多个轨枕单元在多个道砟颗粒作用下产生接触力的矢量和；
S412：根据每个轨枕单元分别对应的接触力的矢量和计算相对应的压力；
S413：对多个压力进行求和，得到轨枕所受压力；
所述接触力的矢量和、压力的计算公式分别为：
式中，F为轨枕单元接触力矢量和，m为与轨枕单元接触的道砟颗粒数量，kni为法向刚度、xni为法向重叠量，cni为法向阻尼系数，vni为法向相对速度，S为轨枕单元面积；
步骤S42中道砟颗粒的破碎概率计算公式为：
式中，B为道砟破碎概率，x为道砟法向接触力，ρ(x)为道砟法向接触力概率密度函数。
2.根据权利要求1所述的一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法，其特征在于，步骤S2中获取的多个初始捣入深度值的取值范围为20～60mm。
3.根据权利要求2所述的一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法，其特征在于，步骤S4中捣入深度值的下限和上限分别为20mm和50mm。
4.根据权利要求3所述的一种有砟道床-大机捣入深度的优化方法，其特征在于，步骤S4中捣入深度的最佳取值范围为20～30mm。
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