吹砟车维修机理离散元仿真与应用

1、吹砟车维修机理离散元仿真与应用井国庆1,2，高亮1 ，邵磊3( 1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044； 2.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川省 成都 610031； 3.大连理工大学 工程抗震研究所，辽宁省 大连 116023)摘 要： 阐述吹砟车工作原理与养护模式，吹砟车改传统捣固密实为在轨枕下方补充硬质小道砟，避免捣固道砟破损，消除道砟记忆效应。建立道砟-轨枕三维离散元模型，采用不规则球体组合代替道砟，模拟吹砟养护前后道床力学特性。维修作业后单调加载微观力学分析表明，吹砟维修后轨枕沉降变化较小，轨枕-道砟最大接触力与平均接触力均减小，最大接触力减小约为

2、25%，平均接触力减小约为10%。理论上证明吹砟车维修能降低轨枕-道砟疲劳破裂，对轨枕-道砟沉降影响不大，吹砟维修是一种效率高、成本低、开通速度快、环保维修方法。关键词：不规则簇；捣固维修；离散单元法；吹砟中图分类号： 文献标志码：Ballasted stone blowing maintenance DEM simulation and applicationG.Q. Jing1,2, L.Gao1 , L.Shao3 Civil Engineering School Beijing, Jiaotong University, Beijing 100044,China; MOE Key La

3、boratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University Chendu, 610031; State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023Abstract: The paper introduces the stone blowing machine maintenance principle and work method, it supplie

4、s small fresh hard ballast under sleeper bottom, avoiding ballast degradation during tamping process, eliminating ballast memory effect. DEM method is used to produce ballast-sleeper model to simulate the stone blowing maintenance, ballast particles are made of real size irregular clumps. The micro-

5、mechanics simulation results show that the maximum contact force sleeper-ballast layer is about 25% reduction, and average contact force reduction is 10%. Results confirm that stone blowing is an optional of track maintenance than the tamping, high efficient, low cost, higher initial train passing s

6、peed and environment friendly method.Key words: irregular clump, tamping maintenance, discrete element method, stone blowing1 前言随着高速与重载列车发展，人们发现道砟“记忆效应”越来越明显，很难根治。“记忆效应”根本原因是道砟捣固过程中不能引入额外道砟弥补机械捣固过程破裂道砟形成粉末，道床在列车反复荷载作用下恢复到维修以前位置的病害基金项目：西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室开放研究基金资助项目(2011-HRE-01)教育部留学人员科研启动基金、国家自然科学

7、基金支持项目(51108026)作者简介：井国庆（1979），男（汉族），河北廊坊，讲师，博士后E-mail: gqjing。早期研究人员如发现，轨枕下面铺设额外道砟材料能长久的保持轨道几何形位2-3。实践调查证实：道砟受力破坏主要发生在轨枕接触下方，道砟颗粒越大，越容易破裂2-3。根据以上发现，HTT公司和诺丁汉大学提出道砟空气鼓入养护维修理念与方法，即空气动力鼓入碎石法PBI(pneumatic ballast injection) 4。该方法把一定量碎石利用空气动力吹入抬高轨枕下部，轨枕抬高量与碎石鼓入量须根据预定轨道线形计算，同时保持轨枕周围道砟不受扰动，吹砟维修作业示意图如图1所示。

8、填充轨枕下一定量碎石（质地坚硬，粒径较小），避免捣固作业对道砟破坏、扰动并从根本上消除道砟道床“记忆效应”。其实在铁路道砟捣固维修作业前，早期铁路工人将轨枕翘起，人工采用铁锹、洋镐铺撒一定厚度道砟，但是随着轨枕重型化，淘汰该人工维修方法。吹砟车其实就是上述轨道维修作业自动化、精确化、机械化4-5。图1道砟鼓入作业示意图 (根据Anderson )本文采用三维离散单元法分析吹砟维修前后微观力学特性，从散体力学原理上阐明吹砟维修方式，阐述吹砟车与捣固维修优缺点以及其应用发展，促进铁路养护维修现代化发展。2 力学原理与方法2.1 微观力学原理离散单元方法基本原理是将颗粒分离成离散单元集合，利用牛顿第

9、二定律建立单元运动方程，求得颗粒体整体运动。三维颗粒流软件PFC3D (Particle Flow Code 3D)是研究散体材料成熟数值工具,可简化道砟-轨枕相互作用模拟，通过调整边界条件、受力情况和颗粒性质模拟不同道砟颗粒在轨枕作用下力学反应6。本文采用不规则多面体球组合模拟道砟颗粒、球体聚单元模拟轨枕、墙单元作为边界条件, 建立轨枕-道砟三维模型,取该道砟箱体模型为（1：1）1500×350×600 mm，轨枕尺寸为800×260×150 mm。研究文献表明，道砟颗粒形状是影响道砟散体受力特性重要方面2-4,7-9。为真实描述实际铁路道砟颗粒形状与

10、大小，本文采取不规则颗粒簇生成道砟颗粒8，道砟为不规则多面颗粒体，借以更加真实反应道砟道床中道砟颗粒之间边-角、角-角接触，及相互咬合力等。本文中颗粒簇由平均18.4个球组合而成。多个圆球颗粒簇作为一个刚体整体参加运算，内部没有任何力，提高运算速度同时生成不规则多面体颗粒,图2列举模型中多个道砟颗粒形状。 图2道砟颗粒簇形状为模拟图1所示吹砟车空气鼓入轨枕碎石维修作业，在离散元模型轨枕下添加粒径为1620mm两层碎石颗粒5。吹砟车养护维修前后三维离散模型见图3,其中左为维修前，右为维修后增填单一粒径碎石（碎石厚度40mm，为显示清楚，此处略去道砟颗粒）。(吹砟维修前)(吹砟维修后)图3道砟-轨

11、枕离散单元模型道砟颗粒大小与物理性能参考铁路碎石道砟标准 (TB/T2140-2008)有关规定和相关离散单元法数值模拟8-10,模型中材料力学参数选取如表1所示。表1 离散单元法计算参数道砟轨枕法向刚度5e8 N/m法向刚度5e8 N/m切向刚度5e8 N/m切向刚度5e8 N/m颗粒密度2600 kg/m3密度2800 kg/m3摩擦系数0.5摩擦系数0.52.2 微观力学特性本文采用轨枕施加最大作用力为 5e4 N，编制并施加正弦循环荷载，取其中四分之一周期荷载施加单调荷载：荷载从0按照正弦曲线加载到最大值5e4 N，荷载方向始终向下，荷载通过如下公式实现。 在单调加载情况下，研究道砟-

12、轨枕离散模型在吹砟车维修作业前后微观力学特性。微观力学结果如表2所示，吹砟车通过补充小粒径碎石后，随着碎石与轨枕接触数目的增加，最大接触力与平均接触力均有所减小，如荷载50kN时，道砟最大接触力从3012N降低为2253N，平均接触力从181N降低为157N。道砟-轨枕接触面产生最大接触力，最大接触力减小有利于防止道砟颗粒破损与磨耗，延长道床寿命。因此在轨枕-道砟接触面宜采用质量较好，颗粒较小碎石减小道砟破裂。该研究结果与谢菲尔德大学试验调查研究一致11：采用优质、较小粒径碎石铺设轨枕下，经长时间运营后，该吹入碎石没有发生破裂。之所以限制小于16mm均一粒径碎石，而不是级配碎石，主要是为了防止

13、粒径过小和低孔隙率堵塞填充道床，不利道床排水，滞水在列车反复荷载作用下翻浆冒泥，恶化轨道受力，同时鼓入碎石抗磨性规定最大洛杉矶磨耗值为20。表2 维修前后微观力学特性最大接触力平均接触力维修前3012181维修后2253157填充碎石前后轨枕沉降曲线如下图4所示。结果表明轨枕下部填充碎石后，轨枕沉降有所增加，道床刚度稍微变小，由于碎石层较薄，沉降增加值较小，与国外研究一致9,11。图4吹砟维修前后轨枕沉降对比3 使用效果对比吹砟车能从根本上解决“道砟记忆”问题根源，取得较好道床长期维修质量、经济效果。由于吹砟车是一种较为新颖维修模式，下面从作业模式以及维修效果进行阐述。3.1 作业模式与效率吹

14、砟车维修包括：行走过程测量轨道形位、计算分析（确定理想位置所需改正值，计算碎石补充量）、反方向行驶开始维修作业，因此吹砟车一完整维修要行走往返区间。维修效率是维修关键衡量指标，减小线路占用，降低维修成本。目前吹砟车维修作业速度为600 米/小时，并不断提高。吹砟车测量速度最大16千米/小时，计算过程采用车载计算机处理，1千米道床只需几分钟。当处理有障碍物道床时，可切换为人工处理。吹砟车通常同时处理2根轨枕，也可处理单根轨枕，并可通过选择从枕盒哪个侧面进行维修，从而避免对线缆、转辙机等影响。吹砟车能在5分钟内进行组装与拆解，完成上道或下道。吹砟车作业对道床影响深度小于捣固机械，适合中国铁路路情。

15、笔者曾参与宝成线道床削肩维修作业，由于线路较老与施工历史资料欠缺，线路埋置较浅，采用大型捣固机械受到限制，只能进行人工清筛与削肩等道床维修作业。3.2 道床维修质量与捣固作业相比，吹砟车维修能显著改善轨道形位质量，恶化速度明显下降，同时吹砟车维修作业具有初期轨道几何形位质量不断上升特点。英国铁路科研部门通过选取200米区间，轨检车测量轨道垂向、横向、轨距、高低、水平12。垂向和横向轨道数据通过长波过滤并记录其标准差值, 标准差越大轨道越不平顺，质量越差。英国铁路应用研究表明11，吹砟车能够取得比捣固作业更为持久良好铁路轨道周期与状态。如维修英国东海岸高速线路，以往捣固机械养护作业不久后就不能保

16、持令人满意轨道形位状态，只能通过更换道砟并重新铺设钢轨来解决，1997年2月采用吹砟车养护试点，捣维修与吹砟维修效果见图5。吹砟车维修结果表明轨道垂向形位得到很大改善，轨道几何形位标准差值显著减小。尤其吹砟维修后道床恶化速度明显下降，三年后轨道形位依然令人满意。图5 吹砟与捣固对比（根据McMichael ）3.3 维修周期与经济效果据统计吹砟维修周期是传统捣固机械维修3-5倍13。吹砟车维修具有能耗小、速度快、维修寿命长特点，吹砟车维修作业经济和工程效果明显，现该维修方法已在英国、美国等采用，吹砟车维修质量以及延长维修周期可参考文献4-5，13。同时吹砟车应用范围广泛，包括高速铁路与重载铁路

17、，甚至包括道岔区域详见文献5，13。 优缺点比较。道砟捣固维修作业，轨枕抬高到预定高度，捣固镐深入到道床下，利用镐头振动和挤压动力作用，将道砟颗粒填满抬高轨枕下部空间。与吹砟车相比捣固有以下缺点：捣固作业在稳固道砟道床同时，捣固镐插入、挤压、振动会引起道砟粉化破坏，产生粉末，甚至损伤轨枕。道砟捣固试验与现场分析表明：道床道砟粉化量中 20是由于道床捣固作业而引起的2，4；英国铁路研究中心数据发现，道砟道床寿命周期被捣固维修作业消耗掉50以上，同时现场实测发现每次捣固维修作业都会在每个轨枕下面产生大约 4 Kg 粉末（吹砟车几乎不产生道砟粉末），捣固所产生粉末相当于轨道道床通过 20-25 MG

18、T（百万吨）荷载，如排除捣固作用不利影响，道床寿命能延长二倍2。同时捣固所产生粉末在雨水等作用下会使道床翻浆冒泥、板结、恶化轨道，缩短道床使用寿命。捣固动力扰动稳固道床，动力扰动引起轨枕周围稳固道砟松散，导致道床纵横向阻力显著降低，列车开通速度受到限制 3,4。另外三维离散单元软件仿真分析结果表明道床捣固作业后，道床横向稳定性最多降低4014。与此相比，吹砟车几乎对轨枕两侧稳固道床不产生扰动，最大限度保持道床纵横向承载力，对道床稳定性几乎不产生影响，因此吹砟车维修后列车可以较高速度通过。捣固作业产生道砟“记忆效应”，导致该处道床不均匀沉降加速，恶化轨道受力，形成轨道“记忆效应”，导致轨道寿命周

19、期缩短，如图6所示2。图6 捣固周期缩短趋势图捣固作业缩短维修周期与道砟寿命，成本上升，不具有经济性与环保性12。吹砟车通过补充额外道砟填补道床，从根本上消除记忆效应，延长道砟道床维修周期，与捣固作业相比经济效果明显，捣鼓与吹砟维修对比见图7。图7捣固与吹砟维修周期（根据McMichael）捣固作业容易引起轨枕空吊板效应。捣固维修通过机械镐向轨枕两端挤压道砟，引起道砟不断向轨枕两端聚集，最终导致轨枕中央部分受力不均，不利分担轨枕受力，形成空吊板效应。同时捣固作业产生大量振动和噪音环境污染。相对道砟捣固作业，吹砟维修过程中不存在道砟粉化破坏，环保无杂质产生；最大限度保持道床稳定性，维修后取得较高

20、列车开通速度；改善消除轨道记忆效应；环境污染、能源消耗小等优点。4 结论与趋势本文阐述道砟吹砟养护工作原理，通过离散单元法进行微观力学特性研究，其中道砟颗粒采用不规则多面球体簇，接近道砟颗粒实际相互咬合力，通过比较吹砟作业后微观力学特性，从定量数值上对吹砟作业进行分析。同时总结吹砟、捣固优缺点。所得结论如下：轨枕-道砟接触面最大接触力与平均接触力均减小，最大接触力减小25%，平均接触力减小约为10%左右，如荷载50kN时，道砟最大接触力从3012N降低为2253N，平均接触力从181N降低为157N。数值理论定量上对道砟维修后微观力学效果进行说明。吹砟是一种具有效率高、成本低、开通速度快维修方

21、法，具有显著工程和经济效益。目前，吹砟车维修作为一种全新道砟轨道道床维修方式，随着工程应用与发展，在多方面存在优化与提高空间。首先，维修速度与维修效率不断提高，从1997年应用的400米/小时逐步提高到2007年600米/小时。其次，吹砟车可应用于重载、高速铁路以及既有线路改造。同时英国铁路已与HTT公司签约研制出适合道岔与交叉多功能吹砟车，使用效果表明能有效提高道岔区域轨道列车通过舒适性与平稳性。目前吹砟车与捣固机械合理配套使用为研究重点，根据不同道床质量特点与情况，研究二者合理搭配使用，以达到经济与工程最优化。国内曾于2006年进口一台吹砟车，调试过程中发现维修后轨道形位限值微高于国内上述

22、规范。笔者认为原因有：吹砟车调试、测量方法与工具，需要进一步研究。 参考文献：1 Fastenrath F. Railroad Track Theory and Practice M. Frederick Publishing, New York, 2003:175-1782 Selig, E. T. Track geotechnology and substructure management M. ISBN 0-7277-2013-9, 19943 Esveld, C. Modern railway track M. MRT Productions, Germany, 1989:185:1

23、924 McMichael P.L. Implementing the StoneblowerM. London. 1995:7-125 McMichael P.L. The Economics of Stoneblowing for the Maintenance of Way. International Heavy Haul Conference VancouverC, Canada, 19916 Itasca, Itasca Consulting Group. PFC3D reference manual, Version 4.0, Minneapolis, Minnesota, 20067 Key, A. J. Behaviour of two layer railway track ballast under cyclic and monotonic loading. Sheffield, U.K. University of Sheffield,19988Mc