CN116305506A - 一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，包括获取待捣固区段的指标参数，所述指标参数包括轨道几何劣化速率、道砟级配、道床脏污率；基于所述指标参数计算道床捣固健康指数；基于道床捣固健康指数确定捣固镐镐型；确定捣固镐尺寸。本发明提供一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，以解决现有技术中在使用捣固镐时，无法与有砟轨道服役状态相适配的问题，实现对捣固镐外形尺寸与道床状态之间的适应性分析，根据不同的道床状态选择适宜的捣固镐、进而改善捣固效果的目的。

Description

一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法

技术领域

本发明涉及道砟维护领域，具体涉及一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法。

背景技术

有砟轨道是我国轨道最重要的结构形式之一，随着线路运营列车的快速化和重载化，有砟道床的病害加剧，主要表现为道床的沉降、劣化等问题，因此需要进行定期的维护作业，如大机捣固作业。有砟轨道在大机捣固时，需要使用捣固镐对铁路道砟进行捣固作业。

捣固镐的几何外形会对道砟颗粒的密实程度、道砟颗粒的破碎率产生较大的影响，现有技术中一般采用最常规的平头捣固镐进行捣固作业。本申请发明人在研究过程中发现，不同服役状态下的有砟轨道，其道砟颗粒级配、材质、脏污度等均存在较大的差别，而现有技术在施工过程中，并未对其进行区分、大都采用同型号的捣固镐进行作业；因此，现有技术中并未考虑到捣固镐的镐型与有砟轨道的服役状态之间的适配关系，缺乏了对捣固镐的适应性研究。

发明内容

本发明提供一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，以解决现有技术中在使用捣固镐时，无法与有砟轨道服役状态相适配的问题，实现对捣固镐外形尺寸与道床状态之间的适应性分析，根据不同的道床状态选择适宜的捣固镐、进而改善捣固效果的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，包括：

获取待捣固区段的指标参数，所述指标参数包括轨道几何劣化速率、道砟级配、道床脏污率；

基于所述指标参数计算道床捣固健康指数；

基于道床捣固健康指数确定捣固镐镐型；

确定捣固镐尺寸。

针对现有技术在使用捣固镐时，无法与有砟轨道服役状态相适配的问题，本发明提出一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，本方法是在已知待捣固区段后，针对该待捣固区段来选择适配的捣固镐。本方法首先获取待捣固区段的几何劣化速率、道砟级配、道床脏污率等指标参数，之后基于这些指标参数计算道床捣固健康指数，并基于计算结果确定捣固镐的镐型、并在确定镐型后再确定适宜的尺寸参数。

可以看出，本方法创造性的考虑了捣固镐的镐型尺寸等特征与有砟轨道的服役状态之间的适配关系，实现了针对捣固镐外形尺寸的适应性研究，填补了现有技术的空白。本方法能够根据不同的道床状态选择适宜的捣固镐（包括镐型和尺寸），进而得出当前道床状态下最适宜的捣固镐形式、最终改善捣固效果。

需要说明的是，本申请中的道床捣固健康指数，需至少基于几何劣化速率、道砟级配、道床脏污率这几个指标来确定，其具体的计算方法在此不做限定，本领域技术人员可根据实际评估需求进行适应性设置。几何劣化速率、道砟级配、道床脏污率这三个指标的提出，可有效解决现有技术缺乏从捣固维修作业角度出发的、用于道床服役状态评估的不足，提高对道床服役状态评估的准确性，为后续的镐型确定提供科学合理的依据。

进一步的，通过如下公式计算道床捣固健康指数：

；

式中，TBHI为道床捣固健康指数；T _q 为待捣固区段的轨道几何劣化速率；T _m为线路轨道几何劣化速率基准值；G _q为待捣固区段的道砟级配健康系数；G _s为铁路标准级配曲线分维度值；G _m为在指定区域内实测劣化道砟级配曲线的95%分位数统计值；f _q为道床当前脏污率；f _m为在指定区域内实测道床脏污率的95%分位数统计值；α ₁、α ₂、α ₃均为权重系数。

本方案明确限定了道床捣固健康指数的一种具体计算方法。其中，所述指定区域可根据已知的数据范围进行适应性设置，如所述指定区域可以是行政区域、地理区域或铁路段的分区区域等，在此不做限定。权重系数α ₁、α ₂、α ₃也可根据本方法的具体应用工况进行适应性设置，在此同样不做限定。

进一步的，通过如下公式计算待捣固区段的道砟级配健康系数：

；

式中，S(r)为集料中通过孔径为r的道砟筛的颗粒质量百分比；r _max为道砟筛的最大孔径，r _min为道砟筛的最小孔径。

基于本方案中的计算公式，即可得到待捣固区段的道砟级配健康系数G _q。

进一步的，所述轨道几何劣化速率，等于轨道质量指数的月平均劣化速率。

其中，本领域技术人员应当理解，本方案中的轨道质量指数可根据行业标准TB/T3355-2014《轨道几何状态动态检测及评定》来得到。

进一步的，权重系数α ₁+α ₂+α ₃=1；

当待捣固区段的线路类型为高速铁路时，α ₁＞α ₂＞α ₃；

当待捣固区段的线路类型为重载铁路时，α ₃＞α ₂＞α ₁；

当待捣固区段的线路类型为普速铁路时，α ₁=α ₂＜α ₃，且0.33＜α ₃＜0.35。

本申请发明人在深入研究过程中发现，对于不同类型的铁路线路，若均采用相同的权重系数来计算，所得到的道床捣固健康指数容易出现偏差，进而干扰后续对捣固镐镐型的选择。为了克服这一问题，本方案优选的对常见的三种线路类型所对应的权重系数进行限定，在保证三个权重系数之和为1的前提下：对于高速铁路而言，使α ₁＞α ₂＞α ₃，所得结果可满足高速铁路对轨道较高的平顺性要求；对于重载铁路而言，使α ₃＞α ₂＞α ₁，所得结果可克服重载铁路道床脏污源较多的干扰；对于普速铁路，无特殊要求，因此使α ₁=α ₂＜α ₃，且0.33＜α ₃＜0.35，即使得三个指标的权重基本相当、且道床脏污率的权重略高，此种设置能够满足普速铁路的一般性要求。

基于本方案的权重设置方式，可显著提高所得到的道床捣固健康指数与待捣固区段的适配性，更加确保镐型选择的准确性。

进一步的，基于道床捣固健康指数确定捣固镐镐型的方法为：

若0≤TBHI<0.5，则采用平头捣固镐；

若0.5≤TBHI<0.7，则采用弧形捣固镐；

若0.7≤TBHI<1.0，则采用平头捣固镐和大夹持面积捣固镐复配使用；

若1≤TBHI，则采用大夹持面积捣固镐和尖头捣固镐复配使用；

其中，所述大夹持面积捣固镐的夹持面积大于所述平头捣固镐和弧形捣固镐；所述尖头捣固镐的底端设为劈尖。

本领域技术人员应当理解，平头捣固镐为现有技术中最常见的捣固镐结构，其底部端面为一平面。此外，本方案中的弧形捣固镐，顾名思义具有弧形端面；大夹持面积捣固镐，顾名思义具有比常见捣固镐更大的夹持面积；而尖头捣固镐，顾名思义其底端设为劈尖。

此外，本方案中的复配使用，是指两种镐型同时装配使用，其具体的复配方式，如两种镐型的数量比例、布置方式等在此不做限定，本领域技术人员可根据具体使用工况进行适应性的设置。

进一步的，所述弧形捣固镐的底面设置为第一弧面，所述第一弧面的凹面朝上。

本方案对弧形捣固镐的结构进行具体限定，与常见的平头捣固镐相比，将平头捣固镐底端的平面替换为一凹面朝上的弧面；此种镐型能够有效减少捣固镐插入阻力，从而达到延缓道砟破碎的目的。此种镐型适用于在道床状态适中时使用。

进一步的，所述大夹持面积捣固镐的底面设置为第二弧面，所述第二弧面的凹面朝上；所述第二弧面沿周向方向的两端均连接第三弧面，所述第三弧面的凹面朝向大夹持面积捣固镐内部。

本方案对大夹持面积捣固镐的结构进行具体限定，与弧形捣固镐相比，在两侧还设置向外凸出延伸的加宽区域，两侧加宽区域的侧壁即为本方案中的第三弧面；此种镐型能够增大接触面积、减轻道砟破碎率，同时能够夹持更多数量的道砟、使道床更容易密实，并且镐头受力分散，能够延长使用寿命。此种镐型适用于在道砟破碎较为严重时使用。

进一步的，所述尖头捣固镐包括位于所述劈尖尖端的第四弧面，所述第四弧面的凹面朝上。

本方案对尖头捣固镐的结构进行具体限定，与常见的平头捣固镐相比，将底端设置为劈尖，并且还将劈尖尖端设置为第四弧面；此种镐型能够使得作用力集中到劈尖尖端，减小接触面积和插入道砟时的阻力，进而有效减少道砟的破碎，并且镐头结构平滑，结构强度大，在道床板结区段插入阻力更小，此种镐型适用于在道砟破碎十分严重时或道床板结严重时使用。

此外，本领域技术人员应当理解，本申请中各捣固镐的底端，是指捣固镐在工作状态下朝下的一端；各弧面的凹面朝上，即是凹面朝向与捣固镐相连的捣固杆所在方向。

进一步的，确定捣固镐尺寸的方法包括：

根据所确定的捣固镐镐型，建立捣固-有砟轨道耦合动力学模型；

调整捣固镐的尺寸参数，得到尺寸参数与道砟破碎率或总接触力、尺寸参数与道床密实度的关系曲线；

根据所述关系曲线，以道床密实度、道砟破碎率或总接触力作为评价指标，得到最优的捣固镐尺寸。

需要说明的是，本方案中的总接触力，是指插捣过程中捣固镐和道砟的总接触力。本方案中的关系曲线，除了尺寸参数与道床密实度的关系曲线之外，还包括尺寸参数与道砟破碎率或总接触力的关系曲线。本领域技术人员应当理解，道砟破碎率、总接触力均是可以通过现有建模软件仿真得到的参数，且通过总接触力的大小还可对应评估道砟破碎率。

作为本方案中捣固镐尺寸的评价指标，本领域技术人员应当理解，道床密实度越高、总接触力越小、道砟破碎率越低，则该捣固镐的尺寸参数越适宜。

可以看出，本方案通过评估分析结果及所建立的捣固-有砟轨道耦合动力学模型，模拟不同捣固镐尺寸插捣作业对道砟破碎率、道床密实度等参数的影响规律，从而求解当前道床状态下，采用哪种几何尺寸的捣固镐，所得到的道床密实度更高，道砟破碎率或插捣过程中的总接触力更小，最终即可得出当前道床状态最适宜的捣固镐尺寸。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，考虑了捣固镐的镐型尺寸等特征与有砟轨道的服役状态之间的适配关系，实现了针对捣固镐外形尺寸的适应性研究，填补了现有技术的空白。

2、本发明一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，能够根据不同的道床状态选择适宜的捣固镐的镐型与尺寸，进而得出当前道床状态下最适宜的捣固镐形式、最终改善捣固效果，实现了捣固镐外形尺寸与道床状态之间的适应性分析。

3、本发明一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，针对道床捣固健康指数设置了专用的权重设置方式，可显著提高所得到的道床捣固健康指数与待捣固区段的适配性，更加确保镐型选择的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的流程示意图；

图2为本发明具体实施例中平头捣固镐的正视图；

图3为本发明具体实施例中弧形捣固镐的正视图；

图4为本发明具体实施例中大夹持面积捣固镐的正视图；

图5为本发明具体实施例中尖头捣固镐的正视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-第一弧面，2-第二弧面，3-第三弧面，4-第四弧面，5-过渡面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“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发明和简化描述，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保护范围的限制。

实施例1

一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、获取待捣固区段的指标参数，所述指标参数包括轨道几何劣化速率、道砟级配、道床脏污率；

步骤二、基于所述指标参数计算道床捣固健康指数，公式如下：

；

式中，TBHI为道床捣固健康指数；T _q 为待捣固区段的轨道几何劣化速率；T _m为线路轨道几何劣化速率基准值；G _q为待捣固区段的道砟级配健康系数；G _s为铁路标准级配曲线分维度值；G _m为在指定区域内实测劣化道砟级配曲线的95%分位数统计值；f _q为道床当前脏污率；f _m为在指定区域内实测道床脏污率的95%分位数统计值；α ₁、α ₂、α ₃均为权重系数。

步骤三、基于道床捣固健康指数确定捣固镐镐型；

步骤四、确定捣固镐尺寸。

本实施例中，待捣固区段的道砟级配健康系数G _q通过如下公式计算：

；

式中，S(r)为集料中通过孔径为r的道砟筛的颗粒质量百分比；r _max为道砟筛的最大孔径，r _min为道砟筛的最小孔径。

本实施例中，轨道几何劣化速率T _q 定义为轨道质量指数的月平均劣化速率；线路轨道几何劣化速率基准值T _m，通过统计当前区段所在线路所有劣化速率的95%分位数计算得到；铁路标准级配曲线分维度值G _s，指的是我国铁路标准；所述指定区域内，指的是全国各线路范围内。此外，道床当前脏污率f _q可通过探地雷达检测获得。

其中，权重系数的取值满足如下要求：

α ₁+α ₂+α ₃=1；

当待捣固区段的线路类型为高速铁路时，α ₁＞α ₂＞α ₃；

当待捣固区段的线路类型为重载铁路时，α ₃＞α ₂＞α ₁；

当待捣固区段的线路类型为普速铁路时，α ₁=α ₂＜α ₃，且0.33＜α ₃＜0.35。

优选的：

当待捣固区段的线路类型为高速铁路时，α ₁=0.5，α ₂=0.3，α ₃=0.2；

当待捣固区段的线路类型为重载铁路时，α ₃=0.5，α ₂=0.3，α ₁=0.2；

当待捣固区段的线路类型为普速铁路时，α ₁=0.33，α ₂=0.33，α ₃=0.34；

本实施例中，确定捣固镐尺寸的方法包括：

根据所确定的捣固镐镐型，建立捣固-有砟轨道耦合动力学模型；调整捣固镐的尺寸参数，得到尺寸参数与道砟破碎率或总接触力、尺寸参数与道床密实度的关系曲线；根据所述关系曲线，以道床密实度、道砟破碎率或总接触力作为评价指标，得到最优的捣固镐尺寸。

实施例2

一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，在实施例1的基础上，本实施例中确定捣固镐镐型的方法包括：

若0≤TBHI＜0.5，认为道床状态良好，此时建议全部使用平头捣固镐；

若0.5≤TBHI＜0.7，认为道床状态适中，此时建议全部使用弧形捣固镐；

若0.7≤TBHI＜1.0，认为道砟破碎较严重，此时建议50%的捣镐使用常规的平头捣固镐、另外50%的捣镐使用大夹持面积捣固镐，且平头捣固镐与大夹持面积捣固镐间隔布置；

若1≤TBHI，认为道砟破碎十分严重，此时建议50%的捣镐使用大夹持面积捣固镐、另外50%的捣镐使用尖头捣固镐，且大夹持面积捣固镐与尖头捣固镐间隔布置。

其中，弧形捣固镐的夹持面积基本等于常规的平头捣固镐的夹持面积；大夹持面积捣固镐的夹持面积大于平头捣固镐和弧形捣固镐；所述尖头捣固镐的底端设为劈尖。

实施例3

一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，在实施例2的基础上，本实施例中：

平头捣固镐如图2所示，其为现有技术中最常见的镐型。

弧形捣固镐如图3所示，其底部端面设置为第一弧面1，所述第一弧面1的凹面朝上。

大夹持面积捣固镐如图4所示，其底部端面设置为第二弧面2，所述第二弧面2的凹面朝上；所述第二弧面2沿周向方向的两端均连接第三弧面3，所述第三弧面3的凹面朝向大夹持面积捣固镐内部。其中，第二弧面2与第三弧面3平滑过渡。

尖头捣固镐如图5所示，其底部为劈尖，劈尖尖端处理为第四弧面4，所述第四弧面的凹面朝上。

在更为优选的实施方式中，还包括位于所述劈尖两侧的过渡面5，所述第四弧面4与两侧的过渡面5平滑过渡。

在更为优选的实施方式中，设尖头捣固镐在图5所示的正视方向上，第四弧面4的长度为A，总边长为B，那么A：(B-A)=5%~10%，此优选方式能够使得搞头结构更加合理，捣固时冲击力更强，捣固镐使用寿命更长。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (10)

1.一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，包括：

获取待捣固区段的指标参数，所述指标参数包括轨道几何劣化速率、道砟级配、道床脏污率；

基于所述指标参数计算道床捣固健康指数；

基于道床捣固健康指数确定捣固镐镐型；

确定捣固镐尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，通过如下公式计算道床捣固健康指数：

；

式中，TBHI为道床捣固健康指数；T _q 为待捣固区段的轨道几何劣化速率；T _m为线路轨道几何劣化速率基准值；G _q为待捣固区段的道砟级配健康系数；G _s为铁路标准级配曲线分维度值；G _m为在指定区域内实测劣化道砟级配曲线的95%分位数统计值；f _q为道床当前脏污率；f _m为在指定区域内实测道床脏污率的95%分位数统计值；α ₁、α ₂、α ₃均为权重系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，通过如下公式计算待捣固区段的道砟级配健康系数：

；

式中，S(r)为集料中通过孔径为r的道砟筛的颗粒质量百分比；r _max为道砟筛的最大孔径，r _min为道砟筛的最小孔径。

4.根据权利要求2所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，所述轨道几何劣化速率，等于轨道质量指数的月平均劣化速率。

5.根据权利要求2所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，

权重系数α ₁+α ₂+α ₃=1；

当待捣固区段的线路类型为高速铁路时，α ₁＞α ₂＞α ₃；

当待捣固区段的线路类型为重载铁路时，α ₃＞α ₂＞α ₁；

当待捣固区段的线路类型为普速铁路时，α ₁=α ₂＜α ₃，且0.33＜α ₃＜0.35。

6.根据权利要求2所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，基于道床捣固健康指数确定捣固镐镐型的方法为：

若0≤TBHI＜0.5，则采用平头捣固镐；

若0.5≤TBHI ＜0.7，则采用弧形捣固镐；

若0.7≤TBHI ＜1.0，则采用平头捣固镐和大夹持面积捣固镐复配使用；

若1≤TBHI，则采用大夹持面积捣固镐和尖头捣固镐复配使用；

其中，所述大夹持面积捣固镐的夹持面积大于所述平头捣固镐和弧形捣固镐；所述尖头捣固镐的底端设为劈尖。

7.根据权利要求6所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，所述弧形捣固镐的底面设置为第一弧面，所述第一弧面的凹面朝上。

8.根据权利要求6所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，所述大夹持面积捣固镐的底面设置为第二弧面，所述第二弧面的凹面朝上；所述第二弧面沿周向方向的两端均连接第三弧面，所述第三弧面的凹面朝向大夹持面积捣固镐内部。

9.根据权利要求6所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，所述尖头捣固镐包括位于所述劈尖尖端的第四弧面，所述第四弧面的凹面朝上。

10.根据权利要求1所述的一种基于有砟轨道状态的捣固镐选取方法，其特征在于，确定捣固镐尺寸的方法包括：

根据所确定的捣固镐镐型，建立捣固-有砟轨道耦合动力学模型；

调整捣固镐的尺寸参数，得到尺寸参数与道砟破碎率或总接触力、尺寸参数与道床密实度的关系曲线；

根据所述关系曲线，以道床密实度、道砟破碎率或总接触力作为评价指标，得到最优的捣固镐尺寸。

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