重載鐵路有砟道床搗固作業參數的合理取值

劉學敏

國能鐵路裝備有限責任公司， 北京 100011

在重載列車荷載作用下線路質量狀態惡化較快，維修作業量隨之加大［1］。采用大型養路機械進行線路搗固作業可有效提高道床穩定性［2］。研究搗固參數對道床狀態的影響，進而確定合理的搗固參數取值，對于提高重載鐵路維修作業質量和效率具有重要意義。

對大型養路機械搗固作業參數有一些研究。張亞晴等［3］建立高速鐵路簡易道砟箱數值模型，研究得出搗鎬振動頻率44 Hz、振幅6.2 mm時道床密實度最大。鄭瑤等［4］建立針對窄級配有砟道床的道砟箱數值模型，研究得出搗鎬振動頻率41 Hz、振幅6.6 mm時道床密實度最大。張帥輝［5］建立高速鐵路實尺有砟道床數值模型，研究得出搗鎬振動頻率52.3 Hz、振幅5.9 mm時道床密實度和道床橫向阻力最大。周春卓［6］建立不同針片狀道砟含量的有砟道床數值模型，研究得出針片狀道砟含量30%以上，搗鎬振動頻率35 Hz、振幅7 mm、插鎬速度1.0 m/s時道砟配位數最大。王眾保等［7］建立普速鐵路半枕區域有砟道床數值模型，分析不同插鎬速度和插鎬深度對道砟壓力和動能的影響，發現插鎬速度0.5 m/s、插鎬深度20 mm時搗固對道砟壓力和動能的影響最小。楊軼科［8］建立普速鐵路實尺有砟道床數值模型，分析不同插鎬深度對道床密實度和道砟配位數的影響，發現插鎬深度15 ～20 mm時搗固對道床密實度和道砟配位數的提升效果較好。劉居真等［9］建立含空吊軌枕的普速實尺有砟道床數值模型，分析不同搗鎬振動頻率、插鎬速度、插鎬深度對道床密實度和道床垂向剛度的影響，發現搗鎬振動頻率25 Hz、插鎬速度1.6 m/s、插鎬深度35 mm時搗固對道床密實度和道床垂向剛度的提升效果最好，對空吊病害的整治效果明顯。由以上研究可知，不同數值模型、搗固參數、評價指標對于合理確定搗固參數都有影響。

本文根據朔黃鐵路大型養路機械搗固作業實際情況，建立搗鎬群和有砟道床的耦合模型，模擬大型養路機械搗固作業，分析不同搗固參數對作業后道床狀態參數（道床密實度、道砟配位數、道床垂向剛度）的影響，為合理確定朔黃鐵路大型養路機械搗固作業參數提供參考。

1 數值模擬

1.1 有砟道床模型

有砟道床主要由道砟和軌枕兩部分組成。參考文獻［10］，考慮四類道砟顆粒實際形態，采取球體疊加的方式進行模擬，得到四類道砟顆粒，見圖1。

圖1 四類道砟顆粒

軌枕采用Ⅲ型混凝土軌枕。為減少邊界效應，設置3根軌枕，軌枕間距為600 mm，針對中間軌枕進行搗固作業模擬與道床狀態分析。根據朔黃鐵路道床斷面實際情況，砟肩寬度取500 mm，道床底部凈空區域高度取300 mm，邊坡坡度取1∶1.75［11］。

根據TB/ T 2140—2008《鐵路碎石道砟》中對道砟級配的要求，在離散元軟件EDEM中首先令道砟顆粒隨機生成并自由下落，然后布置軌枕，得到重載鐵路有砟道床數值模型，見圖2。

圖2 重載鐵路有砟道床數值模型

參考文獻［12-14］，確定有砟道床數值模型中道砟、軌枕的材料參數和接觸參數，見表1。

表1 計算參數

1.2 搗固作業模擬

根據線路搗固車搗鎬裝置幾何尺寸，首先在機械設計軟件SOLIDWORKS中建立搗鎬群三維實體模型，然后將其導入到有砟道床數值模型中，構成搗鎬群和有砟道床的耦合模型（圖3），模擬朔黃鐵路大型養路機械搗固作業。

圖3 搗鎬群和有砟道床的耦合模型

朔黃鐵路搗固作業時不進行穩定作業，且一次搗固作業包含兩次插鎬過程。根據朔黃鐵路現場作業實際情況，搗鎬群對有砟道床的作用過程設置為：①0 ～ 0.2 s為起道階段，抬升軌枕進行起道，起道量20 mm。②0.2 ～ 1.6 s為第一次插鎬過程。其中0.2 ～0.6 s為下插階段，搗鎬以1.0 m/s的速度下插至枕下85 mm，插鎬深度15 mm；0.6 ～ 1.2 s為夾持階段，搗鎬夾持道砟并振動，夾持時間為0.6 s，搗鎬振動頻率為35 Hz、振幅為6 mm；1.2 ～ 1.6 s為撤出階段，搗鎬以1.0 m/s的速度抬起并撤出道床。第一次插鎬結束后，給有砟道床0.6 s的時間使之靜止。③2.2 ～3.6 s為第二次插鎬過程，與第一次插鎬過程一致。第二次插鎬結束后再給有砟道床0.6 s的時間使之靜止，4.2 s搗固作業結束。

1.3 模型驗證

以朔黃鐵路一區段現場測試［15］為參照，數值模擬該區段道床清篩后的四搗三穩作業，通過對比現場測試與數值模擬結果，驗證模型的準確性。選擇四搗三穩工況進行驗證，是考慮到維修作業前道床狀態千差萬別，本文所建立搗鎬群和有砟道床耦合模型的初始狀態無法與測試區段一致，若只對比單次大型養路機械搗固作業后的數據，難以反映作業效果。

首先采用搗鎬群和有砟道床耦合模型模擬四搗三穩作業全過程，然后在中間軌枕勻速緩慢施加橫向荷載，提取中間軌枕所受的道床橫向阻力與軌枕重心處橫向位移數據，繪制道床橫向阻力-軌枕橫向位移曲線，見圖4。其中現場實測值經去噪處理。

圖4 道床橫向阻力-軌枕橫向位移曲線

由圖4可見，現場實測值和數值模擬值變化趨勢一致且數值上較接近，說明所建立模型有一定的準確性，可較好地反映重載鐵路有砟道床受力狀態。

2 計算結果分析

2.1 搗鎬振動頻率對道床狀態的影響

插鎬速度為1.0 m/s，插鎬深度為15 mm，對搗鎬振動頻率25、35、45 Hz三種工況進行對比分析。

1）道床密實度

道床密實度是指道床區域內道砟顆粒總體積與道床區域體積的比值，是反映道床穩定性的重要指標。道床密實度越大，道床穩定性越好。

不同搗鎬振動頻率下中間軌枕底部道床密實度對比見圖5。由于起道階段道床狀態不會發生改變，故搗固作業過程中0 ～ 0.2 s對應的道床密實度即為搗固前道床密實度。

圖5 不同搗鎬振動頻率下枕底道床密實度對比

由圖5可知：①不同搗鎬振動頻率下枕底道床密實度變化趨勢一致，均隨著搗固作業的進行而逐漸增大。②搗固前枕底道床密實度為50.25%，搗鎬振動頻率為25、35、45 Hz時，搗固結束時（第4.2 s）枕底道床密實度分別為56.89%、56.48%、56.41%。與搗固前相比，增幅分別為13.21%、12.40%、12.26%，三種工況增幅相差在1%以內，說明搗鎬振動頻率改變對道床密實度的影響不大。

2）道砟配位數

道砟配位數是指道砟顆粒與相鄰道砟顆粒的接觸數量，可表征道床區域內道砟間接觸狀態。道砟配位數越大，道砟顆粒接觸狀態越好，道床穩定性越好。

不同搗鎬振動頻率下中間軌枕底部道砟平均配位數對比見圖6。

圖6 不同搗鎬振動頻率下枕底道砟平均配位數對比

由圖6可知：①不同搗鎬振動頻率下枕底道砟平均配位數變化趨勢接近，下插階段道砟平均配位數逐漸減小，夾持階段逐漸增大，撤出階段基本穩定。不同搗鎬振動頻率下枕底道砟平均配位數的差異主要體現在夾持階段。該階段道砟平均配位數劇烈波動，表明道砟重新排列運動幅度較大。②搗固前枕底道砟平均配位數為4.15，搗鎬振動頻率為25、35、45 Hz時，搗固結束時枕底道砟平均配位數分別為4.31、4.27、4.26，增幅分別為3.86%、2.89%、2.65%，說明搗鎬振動頻率改變對道砟配位數的影響不大。

3）道床垂向剛度

道床垂向剛度可用于衡量道床承受垂向荷載的能力，也是反映道床穩定性的重要指標。道床垂向剛度越大，承受垂向荷載的能力越強，道床穩定性越好。

兩次插鎬結束后，再次給有砟道床4.0 s的時間使之靜止，然后向中間軌枕勻速緩慢施加垂向荷載，提取中間軌枕所受的垂向荷載與軌枕重心處垂向位移數據，繪制不同搗鎬振動頻率下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線，見圖7。搗固前數據是從未搗固的搗鎬群和有砟道床耦合模型中獲取的。垂向位移0.15 ～0.50 mm區間曲線割線斜率即為道床垂向剛度，下同。

圖7 不同搗鎬振動頻率下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線

由圖7可知：①不同搗鎬振動頻率下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線變化趨勢一致。②搗固前道床垂向剛度為15.70 kN/mm，搗鎬振動頻率為25、35、45 Hz時，搗固后垂向剛度分別為16.73、21.09、19.49 kN/mm，增幅分別為6.56%、34.33%、24.14%，說明搗鎬振動頻率改變對道床垂向剛度的影響大。三種工況中，搗鎬振動頻率為35 Hz時，搗固對道床垂向剛度的提升效果最好。

綜上，搗鎬振動頻率主要影響道床垂向剛度。對于朔黃鐵路搗固作業，插鎬速度為1.0 m/s，插鎬深度為15 mm時，搗鎬振動頻率宜取35 Hz。

2.2 插鎬速度對道床狀態的影響

依據2.1節分析結果，搗鎬振動頻率取35 Hz。插鎬深度為15 mm，對插鎬速度0.5、1.0、1.5 m/s三種工況進行對比分析。

1）道床密實度

不同插鎬速度下中間軌枕底部道床密實度對比見圖8。

圖8 不同插鎬速度下枕底道床密實度對比

由圖8可知：①不同插鎬速度下枕底道床密實度變化趨勢一致，均隨著搗固作業的進行而逐漸增大。②搗固前枕底道床密實度為50.25%，插鎬速度為0.5、1.0、2.0 m/s時，搗固結束時枕底道床密實度分別為55.95%、56.48%、56.25%，增幅分別為11.34%、12.40%、11.94%，說明插鎬速度改變對道床密實度的影響不大。相對而言，插鎬速度為1.0 m/s時，搗固對道床密實度的提升效果較好。

2）道砟配位數

不同插鎬速度下中間軌枕底部道砟平均配位數對比見圖9。

圖9 不同插鎬速度下枕底道砟平均配位數對比

由圖9可知：①不同插鎬速度下枕底道砟平均配位數的差異主要體現在下插階段，枕底道砟平均配位數隨插鎬速度增大而減小；夾持階段枕底道砟平均配位數有波動，但是各工況相差不大。②搗固前枕底道砟平均配位數為4.15，插鎬速度為0.5、1.0、2.0 m/s時，搗固結束時枕底道砟平均配位數分別為4.24、4.27、4.18，增幅分別為2.17%、2.89%、0.72%，說明插鎬速度改變對道砟平均配位數的影響不大。相對而言，插鎬速度為1.0 m/s時，搗固對道砟平均配位數的提升效果較好。

3）道床垂向剛度

不同插鎬速度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線見圖10。可知：①不同插鎬速度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線變化趨勢一致。②搗固前道床垂向剛度為15.70 kN/mm，插鎬速度為0.5、1.0、2.0 m/s時，搗固后道床垂向剛度分別為19.75、21.09、21.10 kN/mm，增幅分別為25.80%、34.33%、34.39%。插鎬速度為1.0、2.0 m/s兩種工況的道床垂向剛度增幅較大且兩種工況基本一致。

圖10 不同插鎬速度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線

綜上，插鎬速度主要影響道床垂向剛度。綜合考慮道床穩定性和搗固車的能耗，對于朔黃鐵路搗固作業，搗鎬振動頻率為35 Hz，插鎬深度為15 mm時，插鎬速度宜取1.0 m/s。

2.3 插鎬深度對道床狀態的影響

根據2.1節和2.2節的分析結果，搗鎬振動頻率取35 Hz，插鎬速度取1.0 m/s，對插鎬深度5、15、25 mm三種工況進行對比分析。

1）道床密實度

不同插鎬深度下中間軌枕底部道床密實度對比見圖11。插鎬速度相同、插鎬深度不同，導致不同插鎬深度下各階段的起訖時間節點不相同。圖中以綠色空心圓點標示不同插鎬深度下各起訖時間節點，下同。

圖11 不同插鎬深度下枕底道床密實度對比

由圖11可知：①不同插鎬深度下枕底道床密實度變化趨勢一致，且數值上相差不大。②搗固前枕底道床密實度為50.25%，插鎬深度為5、15、25 mm時，搗固結束時枕底道床密實度分別為56.47%、56.48%、56.86%，增幅分別為12.38%、12.40%、13.15%，說明插鎬速度改變對道床密實度的影響不大。

2）道砟配位數

不同插鎬深度下中間軌枕底部道砟平均配位數對比見圖12。可知：①不同插鎬深度下枕底道砟平均配位數變化趨勢接近。②搗固前枕底道砟平均配位數為4.15，插鎬深度為5、15、25 mm時，搗固結束時枕底道砟平均配位數分別為4.33、4.27、4.30，增幅分別為4.34%、2.89%、3.61%，說明插鎬深度改變對道砟平均配位數的影響不大。

圖12 不同插鎬深度下枕底道砟平均配位數對比

3）道床垂向剛度

不同插鎬深度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線見圖13。

圖13 不同插鎬深度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線

由圖13可知：①不同插鎬深度下軌枕垂向荷載-垂向位移曲線變化趨勢一致。②搗固前道床垂向剛度為15.70 kN/mm，插鎬深度為5、15、25 mm時，搗固后道床垂向剛度分別為20.17、21.09、25.79 kN/mm，增幅分別為28.47%、34.33%、64.27%，說明插鎬深度改變對道床垂向剛度的影響大。三種工況中，插鎬深度為25 mm時，搗固對道床垂向剛度的提升效果最好。

綜上，插鎬深度主要影響道床垂向剛度。對于朔黃鐵路搗固作業，合理搗固參數為：搗鎬振動頻率35 Hz，插鎬速度1.0 m/s，插鎬深度25 mm。

3 結論

1） 與搗固前相比，搗固后各項道床狀態參數均有所增大，道床密實度增幅在11.34% ～ 13.21%，道砟配位數增幅在0.72% ～ 4.34%，道床垂向剛度增幅在6.56% ～ 64.27%。這表明在一定范圍內改變搗固參數對道床密實度和道床垂向剛度的影響比較明顯，而對道砟配位數的影響不大。

2） 搗鎬振動頻率、插鎬速度和插鎬深度均主要影響道床垂向剛度。對于朔黃鐵路搗固作業，合理搗固參數為：搗鎬振動頻率35 Hz，插鎬速度1.0 m/s，插鎬深度25 mm。

本文建議的搗固參數已在朔黃鐵路部分站線搗固作業中試用，效果良好。本文是從數值計算角度分析搗固參數對重載鐵路有砟道床狀態的影響，由于模型簡化等問題難免存在不足，所建議的搗固參數還需在長期實踐中不斷優化。