一種防飛砟的鐵路軌枕裝置和道砟顆粒狀態(tài)判斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵路軌道技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種防飛砟的鐵路軌枕裝置和道砟顆粒 狀態(tài)判斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路是國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施，是環(huán)保高效的交通工具。中國(guó)高速鐵路目前營(yíng)運(yùn)里程 居世界第一，已成為國(guó)際鐵路舞臺(tái)的重要角色。有砟軌道是各國(guó)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的主要 形式之一，相比于無(wú)砟軌道，占有重要份額。世界上第一條高速鐵路一一日本東海道新干線 就采用了有砟軌道結(jié)構(gòu)。德國(guó)早期修建的城際鐵路75%約為有砟軌道。法國(guó)高速鐵路幾乎 全部為有砟軌道結(jié)構(gòu)，東部線運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到320km/h，試驗(yàn)速度為574. 8km/h。西班牙、意大 利等國(guó)的高速鐵路絕大部分采用有砟軌道結(jié)構(gòu)。
[0003] 有砟軌道結(jié)構(gòu)具有靈活性，易于養(yǎng)護(hù)維修、適用范圍廣、建造成本低等特點(diǎn)，具有 巨大的發(fā)展價(jià)值，受到世界各國(guó)的重視。同時(shí)，從發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)水平來(lái)看，有砟軌道完全 可以用于高速鐵路，也將成為未來(lái)高速鐵路的主要結(jié)構(gòu)形式之一。但必須引起重視的是，高 速鐵路有砟軌道飛砟（迀移）防治問(wèn)題。
[0004] 飛砟現(xiàn)象是指高速鐵路列車(chē)動(dòng)力和空氣動(dòng)力作用下，道床表面道砟顆粒迀移、跳 躍、飛離道床，改變道床結(jié)構(gòu)，并擊打列車(chē)轉(zhuǎn)向架部分車(chē)軸、制動(dòng)缸、鋼軌踏面的現(xiàn)象，一般 發(fā)生在速度超過(guò)300km/h以上。飛砟現(xiàn)象具有危害大、分布廣的特點(diǎn)，且嚴(yán)重影響有砟高速 鐵路發(fā)展以及無(wú)砟鐵路有砟地段（過(guò)渡段）的安全性。飛砟現(xiàn)象對(duì)列車(chē)、線路具有巨大破 壞作用，主要表現(xiàn)在以下方面：
[0005] 第一，飛砟顆粒散落鋼軌踏面改變輪軌受力，甚至引發(fā)脫軌等事故；第二，飛砟擊 打列車(chē)車(chē)軸、制動(dòng)引起損傷；第三，飛砟濺落在鋼軌踏面上，車(chē)輪動(dòng)力作用下造成鋼軌損傷， 加速鋼軌與車(chē)輪損傷，如鋼軌上散落道砟顆粒在輪軌動(dòng)力作用下，造成道砟顆粒引起的鋼 軌核傷，加速軌道惡化與車(chē)輪扁疤的形成。另一方面，高速鐵路有砟道床表層道砟顆粒在列 車(chē)風(fēng)載和動(dòng)力作用下松散、移動(dòng)、聚集，從而導(dǎo)致風(fēng)壓波動(dòng)、渦流，以至于道床幾何斷面尺寸 難于保持、承載力不足。這種道砟迀移現(xiàn)象，不僅是高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修中遇到的新問(wèn)題，更 增大了飛砟發(fā)生幾率。
[0006] 高速鐵路設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)理念在過(guò)去40年中不斷發(fā)展。從過(guò)去道床強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念逐 漸過(guò)渡到道床橫向阻力穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并逐漸發(fā)展到道床結(jié)構(gòu)引發(fā)的安全性設(shè)計(jì)。以飛砟問(wèn) 題為代表的高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)已成為高速鐵路有砟道床的控制因素。
[0007] 結(jié)合國(guó)際上各國(guó)高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，特別是法國(guó)高速有砟鐵路建 設(shè)的成果和經(jīng)驗(yàn)，目前如何有效治理和防治飛砟已然成為我國(guó)高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展 亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
[0008] 目前，以法國(guó)為代表的高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)通過(guò)采取道床結(jié)構(gòu)優(yōu)化、道床質(zhì)量 密實(shí)、軌枕上道砟清掃以及該測(cè)試列車(chē)線性優(yōu)化等措施來(lái)防治飛砟，但這一系列綜合技術(shù) 在國(guó)內(nèi)還處在探索期，遠(yuǎn)未成熟。從有砟軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言，目前國(guó)內(nèi)的 防治飛砟問(wèn)題的手段和方式多數(shù)關(guān)注于道床結(jié)構(gòu)、道床質(zhì)量的優(yōu)化，對(duì)有砟軌道軌枕影響 飛砟問(wèn)題的研究并不充分。
[0009] 從軌枕的角度分析，傳統(tǒng)高速鐵路混凝土軌枕沒(méi)有考慮列車(chē)動(dòng)力和風(fēng)壓共同作用 下飛砟現(xiàn)象，存在以下缺點(diǎn)：
[0010] 1.既有高速鐵路混凝土軌枕沒(méi)有考慮飛砟現(xiàn)象，軌枕幾何形狀變化突兀，容易引 起風(fēng)壓渦旋及波動(dòng)，易于飛砟現(xiàn)象的形成；
[0011] 2.既有高速鐵路混凝土軌枕表面為一平面結(jié)構(gòu)，搗固、維修、補(bǔ)充道砟等作業(yè)容易 引起道砟散落并停留在軌枕上表面，由于軌枕加速度比較大，更加易于在列車(chē)動(dòng)力和風(fēng)壓 作用下飛砟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種防飛砟的鐵路軌枕裝置和道砟顆粒狀態(tài)判斷方法，以 實(shí)現(xiàn)有效地防治高速鐵路飛砟。
[0013] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種防飛砟的鐵路軌枕裝置，所述鐵路軌枕的上 表面上除了兩個(gè)承軌槽之外的其它部分采用流線型形狀。
[0015] 優(yōu)選地，所述鐵路軌枕的兩個(gè)側(cè)面采用流線型形狀。
[0016] 優(yōu)選地，所述鐵路軌枕的上表面上的左右兩個(gè)承軌槽到中心點(diǎn)之間的流線型形狀 互相對(duì)稱。
[0017] 優(yōu)選地，所述鐵路軌枕的上表面上的中心點(diǎn)位于流線型形狀的最低點(diǎn)。
[0018] 優(yōu)選地，所述鐵路軌枕的上表面上的承軌槽與道床表面之間的高度差大于設(shè)定的 閾值。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了 一種鐵路軌枕中的道砟顆粒狀態(tài)判斷方法，包 括：
[0020] 根據(jù)鐵路軌枕道床上的道砟顆粒受到的重力mg、風(fēng)載Fw和列車(chē)通過(guò)時(shí)因振動(dòng)加速 度導(dǎo)致的力Fa，計(jì)算出道砟顆粒的狀態(tài)參數(shù)值a合；
[0021] 將所述道砟顆粒的狀態(tài)參數(shù)值a合與設(shè)定的狀態(tài)閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果確 定所述道砟顆粒的狀態(tài)。
[0022] 優(yōu)選地，所述方法包括：
[0023] 設(shè)位于鐵路軌枕道床上的道砟在豎直方向上主要受重力mg、顆粒間咬合力F1、風(fēng) 載Fw以及列車(chē)通過(guò)時(shí)因振動(dòng)加速度導(dǎo)致的力Fa;
[0024] 根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，得出公式：
[0025] Fw+Fa=mg-ma合+Fi (1)
[0026] 設(shè)道砟顆粒間咬合力F1=O,m為道砟顆粒的質(zhì)量，則公式（1)整理為如下公式：
[0027] ma合=Fw_mg+Fa
[0028] (2)
[0029] ma合=Fw_mg+ma=Fw-m(g-a)
[0030] 道砟所受風(fēng)載Fw可通過(guò)式求得：
[0032] 式中A是風(fēng)載作用于道砟顆粒的有效面積，Vl、V2是開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻道砟顆粒 受到的風(fēng)速。
[0033] 優(yōu)選地，所述方法包括：
[0034] 使用風(fēng)壓系數(shù)來(lái)表示風(fēng)速與風(fēng)載間的關(guān)系，引入風(fēng)壓系數(shù)a后式（3)整理為式
[0036] 將式（4)代入式（2)聯(lián)立可以得到公式
[0037]
[0038] 經(jīng)過(guò)進(jìn)一步整理得到式
[0039]
[0040] 優(yōu)選地，所述的將所述道砟顆粒的狀態(tài)參數(shù)值a合與設(shè)定的狀態(tài)閾值進(jìn)行比較， 根據(jù)比較結(jié)果確定所述道砟顆粒的狀態(tài)，包括：
[0041] 若< 0則表明道砟處于穩(wěn)定狀態(tài)；若4 = 0則表明道砟處于臨界狀態(tài)，此時(shí)對(duì) 應(yīng)列車(chē)速度為臨界速度；若￡%> 0則表明道砟處于飛砟狀態(tài)。
[0042] 由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)基于飛砟現(xiàn) 象的作用機(jī)理，從飛砟平衡原理出發(fā)，優(yōu)化由軌枕表面形狀引起的道砟表層空氣場(chǎng)對(duì)道砟 飛起的動(dòng)力作用，優(yōu)化軌枕的幾何形狀，避免由于軌枕上表面平面結(jié)構(gòu)造成的散落道砟堆 積現(xiàn)象，從多角度防治飛砟現(xiàn)象的產(chǎn)生，避免其對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全造成危害。
[0043] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變 得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0045] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高速鐵路飛砟防治軌枕主視圖；
[0046] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高速鐵路飛砟防治軌枕俯視圖；
[0047] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高速鐵路飛砟防治軌枕剖面圖；
[0048] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種道砟顆粒受力圖；
[0049] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種實(shí)體建模得到三維空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化軌枕形狀和 道床模型示意圖；
[0050] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種實(shí)體建模法經(jīng)過(guò)布爾減操作后得到四周為壁面 的計(jì)算域示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0052] 本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式"一"、"一 個(gè)"、"所述"和"該"也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中使用的措 辭"包括"是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加 一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元 件被"連接"或"耦接"到另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在 中間元件。此外，這里使用的"連接"或"耦接"可以包括無(wú)線連接或耦接。這里使用的措 辭"和/或"包括一個(gè)或