重载铁路钢轨波磨对有砟道床动力特性的影响

为分析钢轨波磨对重载铁路有砟道床动力特性的影响,考虑道砟颗粒的不规则外形,采用离散单元法建立了有砟道床的数值模型.通过施加由车辆-轨道耦合动力学模型计算得到枕上动压力,分析了有砟道床在钢轨波磨条件下的动力响应.结果表明:钢轨波磨会降低道床稳定性,显著提高散体道床的振动水平;钢轨波磨区段砟颗粒之间的接触力会有较小程度的增...     

弹性轨枕对有砟道床宏细观力学特性的影响

为了系统研究列车荷载作用下弹性轨枕对有砟道床力学特性的影响,首先,采用离散单元法建立了考虑道砟颗粒棱角特征的精细化道床模型;其次,结合现场动态测试结果,验证所建模型的正确性;最后,分析了弹性轨枕对道砟颗粒接触力、道砟颗粒摩擦耗能、道砟颗粒运动以及道床变形等行为的影响。研究结果表明：弹性轨枕可以通过弹性垫层的变形从而起到缓冲作用,使列车动荷载分配更均匀,将荷载的分担比降低了5.67%,减小车轮正下方道砟颗粒的受力,减缓道砟颗粒因受力过大而破碎粉化的趋势;弹性轨枕可以降低道床的整体振动,从而降低列车荷载作用下道砟颗粒之间的滑动程度,减缓道砟颗粒摩擦耗能的增长速率,减少道砟颗粒磨耗粉化;弹性轨枕增大了列车动荷载作用下轨道的弹性变形,却降低了道砟颗粒的转动角速度以及道砟颗粒的塑性位移,有助于保持道床的稳定性,减缓道床沉降和变形的速度,延长轨道的使用寿命并降低维护成本。     

基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明：在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。     

离散元-有限差分耦合法在铁路有砟道床研究中的应用

将离散元-有限差分耦合算法引入铁路有砟道床结构的力学分析中.通过激光扫描法建立了基于真实道砟颗粒外形的离散单元数值模型,以此对由碎石道砟所组成的散体道床进行精细化模拟;采用有限差分法对连续介质的轨枕及轨下路基基础进行仿真.通过在层间结构边界处设置虚拟耦合过渡层,并将力和位移作为媒介物理量于一个时间步内在两种程序之间进行交互迭代的方式实现了两种数值分析方法的动态耦合.在此基础上建立了轨枕-散体道床-路基的离散元-有限差分耦合数值模型.并通过现场实测结果验证了模型的正确性.     

碎石道床沉降的离散元分析

针对凸多面体颗粒,提出了基于最小投影的粒径评估方法,并与体积评估法和垂直于最小惯性主轴的最小包围正方形评估法进行了对比分析.最后,利用基于最小投影的粒径评估法对道砟颗粒进行粒径评估,并建立了单一粒径级配和指定宽粒径级配的道砟颗粒堆积体,分析了不同颗粒级配对道砟沉降的影响.结果表明:基于最小投影的最小包围矩形粒径评估法比体积评估法和最小包围正方形评估法更精确;道砟初始堆积密度为1.55g·m-3时,宽粒径级配颗粒的轨枕累积沉降值比单一粒径级配的轨枕累积沉降值要小,而且级配单一的大粒径颗粒的轨枕累积沉降值要比级配单一的小粒径的轨枕累积沉降值要大.     

不同捣固阶段有砟道床阻力特性试验研究

为确定不同捣固次数下道床横纵向阻力变化规律以及横纵向阻力之间的相关性,以湖南长株潭城际铁路有砟轨道道床为研究对象,沿线进行现场原位试验;根据试验结果,采用数据分析方法,研究不同捣固阶段道床横、纵向阻力特征。建立不同捣固阶段道床横、纵向阻力随轨枕位移变化的幂函数模型;研究结果表明:道床阻力并非随捣固次数增加而逐渐增大,捣固6遍时,道床处于限制轨枕在水平方向位移的最佳状态,道床横、纵向阻力最大;在不同捣固阶段,道床横、纵向阻力随着轨枕位移增大而增大,当轨枕位移达到4 mm左右时,道床阻力趋于稳定;不同捣固阶段道床横、纵向阻力之间均呈现强线性相关性,建议采用道床横向阻力检验指标代替道床横、纵向阻力检验指标。研究成果可为无缝线路设计、施工和养护维修提供参考。     

脏污材质对散体道床剪切力学性能影响的试验研究

道床脏污会影响道床的剪切力学特性.为揭示脏污材质对道床剪切力学性能的影响规律,通过自主研发的大型铁路碎石道砟直剪仪,对道砟集料进行直剪试验.分析了不同道床脏污材质及脏污程度对道床平均剪应力、最大剪应力和最大剪胀位移等参数的影响.研究结果表明,煤灰和黄沙所构成的道床脏污均会使散体道床剪切力学性能显著降低;煤灰脏污对散体道床剪切力学性能的削弱作用比黄沙脏污更明显.     

动力扰动对采空区稳定性影响的离散元分析

 采用离散元程序对地下采空区进行动力扰动数值计算,通过改变扰动应力波峰值的大小,考查动力扰动强度的变化对采空区稳定性的影响,对模型分别静力和动力状态下进行了计算。结果表明,采空区开挖后,最大位移量2.98mm;施加动载荷后,最大位移量增至5.0mm,增幅与动载荷应力大小呈正比;围岩位移、最大主应力、最小主应力分布受动载荷影响较大,围岩应力发生二次分布,塑形区明显增大。分析结果表明,邵东采空区基本稳定,但应加强顶板、底板支护。为了避免采空区在外力扰动下产生灾害,给出了建议。     

基于DEM-MBD联合仿真的车致有砟道床破碎分析

为分析车致有砟道床破碎,建立有砟轨道DEM-MBD联合仿真模型,分析列车荷载对道床稳定性的影响及道床内不同位置、不同形状道砟的破碎规律。结果表明：列车荷载作用后,道床横向阻力下降14.82%;枕下深度0.21m内,承轨槽正下方道砟较枕心正下方更易破碎;枕下深度0.12~0.24m内的道砟破碎率最高,为12.5%;砟肩道砟基本未破碎;片状道砟较常规状、针状道砟更易破碎;在运营的有砟轨道线路上,应减少片状道砟含量且重点关注枕下深度0.24m内的道砟破碎情况。     

基于离散元法的铁路道床力学特性

道砟外形复杂,其几何形态对道床力学行为有显著影响,为揭示道砟模拟方法对道床力学行为的影响规律,针对道砟外形极不规则、咬合作用强的特点,采用自编算法建立了能模拟真实道砟外形的颗粒簇.基于离散元法,分别建立了基本球道砟和颗粒簇道砟的三维道床-轨枕空间模型,分析循环荷载下两种道床的接触力、配位数、道床应力和振动加速度的差异.结果表明,相同循环荷载下,颗粒簇道床比基本球道床最大接触力小769N,平均接触力小10N,说明颗粒簇接触力幅值范围更小,分布更均匀;基本球配位数在1.0~3.2范围内周期变化,颗粒簇配位数在5.3~6.1范围内周期变化,说明颗粒簇间的接触点更多,接触状态更稳定;颗粒簇道床顶部振动加速度和应力比基本球道床的分别小0.26g,16kPa,说明颗粒簇能反映道砟间的咬合作用,保持道床的整体受力性.     

考虑转动阻抗对砂力学特性影响的离散元分析

基于离散元法进行一系列砂真三轴剪切模拟试验,探讨了颗粒间转动阻抗对砂宏细观力学特性的影响。分析了不同抗转动系数下砂的力学特性,并从细观角度解释了转动阻抗的影响机制。结果表明:随着抗转动系数的增加,偏应力峰值及其对应的峰值内摩擦角相应增加,同时应变软化现象逐渐加剧。在细观层面,从有效配位数、概率密度、颗粒间法向接触力和各向异性的角度分析转动阻抗的影响机理。研究进一步发现,转动阻抗抑制了砂颗粒之间的相对转动,导致砂颗粒之间的平均配位数降低;砂颗粒间强接触力概率密度及接触力大小均随着抗转动系数的增大而增大;通过三维直方图直观定性分析由不同转动阻抗对法向接触力以及应力诱发各向异性的影响,同时结合第二不变量表征组构张量和法向接触力张量的各向异性,发现各向异性系数均随着抗转动系数的增大而增大。     

基于离散元法的聚氨酯固化道床力学特性

提出了一种基于黏接力链单元的聚氨酯固化道床数值仿真分析方法,并在此基础上对聚氨酯固化道床与普通散体碎石道床在循环荷载作用下的力学性能进行了对比分析.结果表明,聚氨酯固化道床能够通过减小道床残余变形、改善道砟颗粒间接触状态的方式起到延缓道床累积沉降的目的;聚氨酯材料在延缓道床累积沉降的同时,也会导致轨枕的动位移增大.     

轨枕空吊对桥上有砟轨道结构动力响应的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,将轨枕下部的有砟轨道考虑为弹簧-阻尼系统,假设该弹簧-阻尼系统失效来模拟轨枕空吊状态,建立含轨枕空吊的有砟轨道-桥梁耦合模型.采用Newmark直接积分法求解车辆-轨道-桥梁耦合动力学方程,计算列车通过时轨枕正常状态和空吊状态下轨道结构的位移和加速度,同时对空吊轨枕出现的数量及纵向分布位置对轨道结构动力特性的影响进行分析.对轨枕无空吊状态、单根空吊状态、连续2根空吊和间隔2根轨枕空吊4种工况下轨道结构的动力响应进行分析.研究结果表明:连续2根轨枕空吊影响下轨道响应显著大于其他3种工况,间隔2根轨枕空吊的影响略大于单根轨枕空吊的影响,但差别较小;轨枕空吊对有砟轨道结构动力影响范围沿轨道纵向不超过2跨轨枕间距;随着列车运行速度的增加,轨枕空吊影响下轨道结构位移变化较小,加速度则明显加大,基本呈线性增长.     

土石混合料压实特性的离散元分析

填料性质是影响土石混填路基压实效果的主要因素.本文用离散元程序PFC2D建立土石混合料振动压实模型,从颗粒粗糙度、颗粒刚度、最大粒径、含石量对土石混合料压实效果进行分析.结果表明:以压实度为指标控制土石混填路基压实质量时,必须用最大粒径、含石量对标准干密度修正.研究弥补了宏观试验无法反应的微观问题,对工程实践有重要的指导意义.     

CDC-16道岔捣固车对有砟道床作业的宏细观力学行为的影响

道岔是实现列车转线的关键设备,是铁路轨道的三大薄弱环节之一,定期进行捣固养护作业是保障列车安全运营的重要手段。但目前针对道岔捣固作业主要依赖实践经验,缺乏理论依据。为研究捣固作业对道岔区有砟道床力学特性的影响,首先,基于DEM-MBD耦合算法,建立CDC-16捣固车捣固装置-钢轨-轨枕-有砟道床仿真模型,实现道岔区捣固作业的有效模拟;其次,开展现场横向阻力试验,验证模型的正确性;最后,分析捣固作业前后道床阻力特性、轨枕竖向位移及道床支承刚度的变化规律,探讨捣固作业次数对有砟道床质量状态的影响。研究结果表明：捣固作业后道床横向阻力降低32.40%,纵向阻力降低28.13%,支承刚度降低86.23%;捣固作业不会改变枕侧、枕底和枕端3部分对纵横向阻力的贡献排序,但对枕侧区域的分担比影响最大;随着捣固次数增加,在一定范围内道床纵横向阻力和支承刚度提升较明显。综合考虑有砟道床质量状态、力学特性以及大机作业效率,建议对道岔区尖轨位置捣固作业以2～3次为宜。     

扣件失效对地铁整体道床动力性能的影响

为研究扣件失效对地铁整体道床轨道及车体振动性能的影响,基于结构动力学理论建立地铁列车-整体道床(隧道衬砌)耦合分析模型,采用弹簧阻尼模拟土体,采用模态分析和Newmark法求解动力响应,研究列车速度、扣件失效数量和轨道不平顺对地铁车轨振动的影响。研究结果表明:扣件失效会加剧系统振动响应,对车体加速度影响较显著,但对钢轨位移和轮轨接触力的影响相对较小;列车速度对钢轨位移和邻近扣件反力的影响较小,对车体加速度和衬砌加速度影响显著;随着失效扣件数量增加,车体竖向加速度等系统动力响应增幅明显;在考虑轨道不平顺的情况下,扣件失效会加大钢轨加速度和衬砌加速度的振级,而车体竖向加速度可作为确定失效扣件位置的敏感指标;扣件失效会增大邻近扣件的受力,造成二次失效,影响乘客舒适性和周围环境振动,需要及时检修,保障地铁正常运行。     

减振垫层温频变动力性能对无砟轨道振动特性影响

以减振垫层为研究对象,首先通过动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数FVMP模型并结合温频等效原理,表征减振垫层的温频变特性;然后将该模型应用于车辆-CRTSIII板式无砟轨道垂向耦合系统中;最后分析了减振垫层温频变特性对轨道结构振动响应的影响.结果表明：温度和加载频率对减振垫层的动态力学性能有显著影响,高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种动态力学行为.在时域响应中,轨道板位移和加速度在FVMP模型下计算的峰值明显大于Kelvin-Voigt(K-V)模型下的峰值.FVMP模型在各参考温度点下轨道板位移的响应呈现出随着温度的降低而减小的趋势,而轨道板加速度则呈现随着温度的降低而增大的趋势.在中高频段内,轨道板的响应表现为FVMP模型下的频域响应大于K-V模型下的频域响应,FVMP模型各参考温度点在该频段内轨道板的响应表现为随着温度的降低而减小的趋势.因此,为提高对轨道结构预测的准确性,有必要考虑减振垫层的温频变特性.     

客运专线有砟道岔轨道动刚度特性分析

在分析客运专线有砟道岔轨道刚度组成的基础上,建立了有砟道岔轨道动刚度的计算方法,分析了我国时速250 km客运专线有砟道岔轨道动刚度特性.结果表明:心轨的动静刚度比最大,基本轨、尖轨和导轨次之,翼轨最小;在小于100 Hz的频段上,各钢轨的动刚度随着激振频率增加而减小;在0～250 Hz的频段上,各钢轨会出现3个共振峰.     

道砟非均匀分布对道床力学特性的影响

铁路道床机械清筛作业中,分次回填道砟颗粒会导致道砟分层,出现非均匀分布现象。为了解道砟非均匀分布对道床力学特性的影响,基于离散单元法基本原理,生成有砟道床仿真模型,模拟道砟均匀分布、“上大下小”分层分布、“上小下大”分层分布等3种道床工况,分析3种道床工况在捣固作业和稳定作业中的力学特性变化。结果表明：道砟非均匀分布对道床力学特性产生影响,其中道床密实度特性受道砟分布状态影响较小,而道床垂向刚度和横向阻力特性则受道砟分布状态影响较大。在捣固作业中,道砟“上小下大”分层分布最有利于道床垂向刚度提升。在稳定作业中,道砟“上大下小”分层分布最有利于道床横向阻力提升。道砟颗粒流动则是使得道床垂向刚度和横向阻力提升的重要因素。     

有砟及无砟轨道结构对货物列车运行安全性的影响

基于列车-有砟及无砟轨道系统空间振动计算模型,采用列车脱轨能量随机分析方法,分别计算货物列车在有砟、无砟轨道上的脱轨全过程,得出2种车轨系统横向振动极限抗力作功及其动力响应,分析货物列车的运行安全性、2种车轨系统的空间振动特性。研究结果表明:与有砟轨道相比,无砟轨道的抗脱轨能力最大可提高45.9%,车速为90 km/h时无砟轨道上车体竖向Sperling平稳性指标、轮对横向力、轮轨竖向力分别减小73.5%,22.1%和27.3%;无砟轨道各部件横向位移、加速度均小于有砟轨道相应值,而钢轨竖向位移大于有砟轨道相应值,但由于无砟轨道竖向位移主要由扣件承担,导致钢轨传至道床板的竖向位移衰减75.3%;无砟轨道各部件竖向加速度均大于有砟轨道相应值,产生的振动、噪声对周围建筑影响更大。建议在重载铁路新线设计中优先采用无砟轨道,但应采取减振降噪措施。