稳定车-轨道耦合作用下轨排响应特性试验研究

稳定车作为一种大型轨道交通运维装备,对保障铁路线路运行安全至关重要,但是其不具备道床横向阻力的在线感知能力,难以实时智能控制作业参数。为探究稳定车作业时在线感知道床横向阻力的方法,在试验线路上开展轨排动力学试验,测量稳定车-轨道耦合作用下的轨排横向载荷和轨排横向位移,并依据现有标准及现场原位试验法,测量标记轨枕处的道床横向阻力。根据实测的试验数据,采用函数模型拟合道床横向阻力与轨排横向载荷以及轨排横向位移的关系式。并进一步构建径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络,采用正交最小二乘学习算法训练网络参数,建立三者之间的非线性模型,对比函数拟合与RBF神经网络模型的准确性。结果表明:道床横向阻力测试中,随着测试轨枕承受横向载荷的增加,轨枕横向位移非线性增大。轨排动力学试验中,轨排横向载荷、轨排横向位移与道床横向阻力之间存在非线性关系。采用函数拟合得到的关系式一定程度上反映了道床横向阻力的非线性变化趋势,但拟合误差较大。采用RBF神经网络建立的模型,在测试集验证中精度更高。道床横向阻力的离线检测方法效率低下,基于RBF神经网络模型的车载感知方法可以提高检测效率。研究成果可为稳定车作业中实时在线感知道床横向阻力及智能控制作业参数提供理论支撑。

道砟嵌入路基土三轴试验及离散元模拟研究

有砟轨道道砟嵌入对路基服役性能具有显著影响。基于此设计上层为道砟、下层为路基土的单元试样,通过室内动三轴试验和离散元法(discrete element method,简称DEM)数值仿真研究了动荷载作用下道砟嵌入路基土的宏观变形行为和局部变形特征。研究结果表明:在动荷载作用下,道砟与路基土之间仅通过接触面上有限数量的离散接触传递应力,随动应力幅值增加,道砟嵌入深度也不断增加,嵌入深度与动应力呈指数函数变化。道砟嵌入路基土变形过程分为局部挤压阶段、剪切带形成阶段及剪切带发展阶段,道砟嵌入会使得道砟−路基土接触界面的土样孔隙率显著增加,同时也会使得接触界面发生显著的侧向变形。孔隙率较高的饱和试样在较低的动应力作用下会发生翻浆冒泥现象,道砟嵌入导致的路基面孔隙率升高是既有路线发生翻浆冒泥的重要原因,防治翻浆冒泥需重点防止道砟嵌入导致的土样局部孔隙率升高。该研究成果可加深对道砟嵌入现象以及由此引发的路基表层变形行为的认识。

循环荷载下重载铁路道砟磨耗破碎及力学特性试验研究

为深入研究重载列车循环动载作用下散粒体道砟的颗粒磨耗破碎和力学行为劣化等特征,开展3种不同动应力幅值下的室内大型动三轴试验。通过对染色道砟颗粒进行激光扫描和三维重构,量化分析不同循环加载应力状态下不同粒径道砟颗粒的磨耗破碎特征,深入分析循环加载下试样的宏观力学特性和力学行为劣化等。研究结果表明,循环加载后道砟颗粒普遍从原始粒径破碎至相邻粒径,偶尔出现破碎至相隔粒径的现象,另有质量占比1%左右的少量道砟颗粒破碎至最小粒径4.75~22.4 mm;在相同的循环加载动应力幅值下,随粒径的增大,道砟颗粒破碎至相邻粒径的质量占比总体呈增大趋势;循环加载过程中颗粒磨耗存在尖角磨损、棱边磨耗与表面纹理改变等3种典型类型,动应力幅值230 kPa下颗粒最大磨耗深度为0.36~5.2 mm,平均磨耗深度为0.03~0.62 mm,颗粒磨耗程度随粒径的增大而逐渐加剧,尖角磨损出现的数量更多且概率更大,其次为棱边磨耗;循环加载三轴试验前后各粒组颗粒含量变化幅度与级配曲线偏移距离随动应力幅值的增大而增大,Bg、Br与BBI 3种颗粒破碎指标均随动应力幅值的增大而增大,Br与BBI两者对动应力幅值的变化反应程度一致,并且更为灵敏;试样轴向累积塑性应变、阻尼比与回弹模量均随动应力幅值的增大而增大。研究结果可为重载铁路散粒体有砟道床长期服役性能劣化评估及其养护维修提供理论依据和技术参考。

基于BDS法的高速铁路有砟轨道捣固模式作业效果研究

为研究高速铁路有砟轨道数字化捣固作业效果,通过现场大型捣固机械捣固试验,采用基于道床动刚度(Ballast Dynamic Stiffness,BDS)的道床支承状态检测方法(简称BDS法)对道床支承刚度进行测试,并结合轨检数据综合分析了我国高速铁路四种主要捣固模式对道床支承状态以及轨道几何状态的影响规律。结果表明:采用道床支承刚度与轨道质量指数可从不同角度对大机捣固作业效果进行评价;在道床初始状态良好的情况下,高速铁路有砟轨道数字化捣固采用单捣+单捣+稳定、单捣+稳定+单捣两种模式作业后,道床支承状态与轨道几何状态的综合改善效果较好;单捣+稳定模式可较好地改善枕下道床支承均匀性,但会导致捣固作业后道床平均支承刚度与部分200 m单元区段轨道质量指数的劣化;在起道量较小的情况下,单遍双捣+稳定模式可能加剧作业后的道床支承不均匀性。

铁路基床翻浆冒泥路段道砟颗粒运动及力学特性研究

为研究有砟轨道基床翻浆冒泥路段的道床动力学响应规律,自制了一套模型试验装置来模拟铁路基床翻浆冒泥过程,路基模型采用粉质黏土与道砟碎石填筑,在道床层不同位置处埋入三颗智能颗粒传感器实时监测道砟的振动加速度及运动姿态变化,分析洁净状态与不同翻浆冒泥程度对道砟颗粒加速度与运动姿态的影响。试验结果表明:泥浆侵入道床后,道床内道砟颗粒的振动变得更加剧烈,并且泥浆侵入道床程度的加深会提高道砟颗粒的振动水平;在洁净的道床中,道砟颗粒之间会产生较强的约束作用,道砟颗粒不易发生转动;无论在何种道床状态下,道砟颗粒绕横向、纵向转动的程度均大于绕竖向转动;当泥浆侵入道床之后,道砟颗粒会产生绕横向、纵向的较大转动,绕竖向旋转角度没有明显变化。

多层格栅加筋道砟界面联动‒互扰行为

探究多层加筋土体系中筋材‒道砟间合理间距对拉拔抗力的影响。通过改进传统单层格栅‒道砟拉拔数值试验模型,实现了多层格栅等位移幅值下的同步拉拔的离散元模拟。数值模型采用刚性颗粒簇模拟道砟颗粒非球型特征,并运用黏结颗粒串模拟受力均匀的三向土工格栅,同时考虑了道砟颗粒间的嵌固效应和土工格栅的拉伸特性。以平均拉拔力、特定层位处界面强度与筋材应变为指标,科学识别多层格栅加筋道砟界面联动行为,并从颗粒尺度系统揭示了多层加筋体系层间互扰机制。结果表明,多层格栅的拉拔力和增长速率小于单层格栅,尤其在高法向应力下差异更明显,且存在不均匀性。随着加筋层数增加,筋材抗力差异显著,同时摩擦耗能增大。层间颗粒位移存在叠合,导致筋材宏观力学响应减弱,其内在原因是颗粒力链发育不够充分。法向接触力分析结果进一步表明,多层格栅加筋体系下的层间互扰可能导致法向接触力分布的不稳定性。

高速铁路新型轨道结构试验研究

我国对于时速300 km及以上高速铁路的有砟轨道缺少运营经验,聚氨酯弹性道床、弹性轨枕、道砟垫等新型轨道结构的适用性、稳定性和可靠性有待进一步试验论证。高速铁路新型轨道结构试验研究,首次在设计速度250 km/h的某高速铁路上建成装配式聚氨酯弹性道床、弹性轨枕、道砟垫等新型轨道结构综合试验段,开展最高速度300 km/h实车试验。阐述高速铁路新型轨道结构试验的设计方案和试验结果,具体包括新型轨道结构系统试验、振动噪声试验、有砟轨道线下基础设施试验、综合接地系统适应性试验等4项内容。试验结果表明:装配式聚氨酯弹性道床、弹性轨枕、道砟垫等新型轨道结构安全可靠,可为设计速度300 km/h及以上高速铁路线路局部有砟轨道达速及跨越活动断裂带线路轨道选型提供技术方案。

不同含水率下脏污道砟累积塑性变形预测

为预测脏污状态下铁路有砟道床累积塑性变形,采用循环加载三轴试验和修正次加载面模型对循环荷载作用下脏污道砟的累积塑性变形发展规律开展了研究。试验结果表明,细粒含量及含水率协同影响道砟的水力和力学性能,特别是当道砟中细颗粒含量和含水率都增长时,道砟的力学性能显著下降,进而加剧了循环荷载下铁路道砟累积沉降的发展。此外,基于次加载面本构模型并借助有限元软件,二次开发编写了修正次加载面模型子程序,通过对比室内试验结果验证了该模型的适用性。数值模拟结果表明,修正次加载面模型可以较好地预测不同含水率和细粒含量影响下铁路道砟的累积塑性变形。因此,可在未来研究中借助修正次加载面模型建立实尺铁路道床分析模型,预测不同脏污条件下铁路有砟道床的累积沉降。

冻结道砟单轴压缩试验的离散元细观参数优化

为高效准确确定离散元细观参数,针对冻结道砟单轴压缩试验的离散元模拟,基于Plackett-Burman试验设计和BoxBehnken响应面法进行模型参数优化。以线性接触弹性模量、摩擦系数、粘结弹性模量、抗拉强度和黏聚力为试验因素,以冻结试样的宏观弹性模量和抗压强度为试验指标,采用Plackett-Burman试验筛选出对试验指标影响显著的试验因素,采用BoxBehnken响应面试验进行离散元细观参数优化并验证。优化结果表明,线性接触弹性模量、摩擦系数和粘结弹性模量是影响显著的试验因素,对应的最优参数分别为62.461 GPa、0.281和8.109 GPa。采用优化后参数计算得到的宏观弹性模量和抗压强度结果与对应物理试验结果的相对误差分别为0.97%和0.19%。该优化方法对离散元参数确定具有一定参考意义。

碳纤维耐压舱在深海潜水器中的应用研究

在国家大举发展大潜深、高承载潜水器的背景下,为了解决深海潜水器对耐压结构关键部件轻量化、高强度、高疲劳强度的需求,本文通过对碳纤维复合材料进行优化选材,使得结构设计满足设计要求。采用ANSYS建立有限元模型,对耐压舱进行结构设计及强度、稳定性计算。并通过静压试验舱装置对耐压舱开展静水压力试验,验证其结构稳定性。在90 MPa外压作用下,耐压舱复合材料筒各应力分量最大值小于T700级碳纤维/环氧树脂材料设计值,端盖端环Mises应力小于TC4钛合金材料抗拉强度,耐压舱整体一阶屈曲系数1.81,均满足设计要求。研制碳纤维复合材料耐压结构,并通过静压试验舱装置对碳纤维耐压舱进行外压试验,在76.5 MPa压力环境下,耐压舱具有深海耐压生存能力。本文研制的碳纤维耐压舱满足深海使用技术要求,为深海潜水器重要组成部件提供了一种有效的解决途径。

地铁钢轨表面短波不平顺对钢弹簧浮置板道床减振效果的影响测试研究

随着地铁线路运营时间的延长,部分区段钢轨表面出现不均匀磨耗,形成波长迥异的钢轨不平顺。钢弹簧浮置板道床具有良好的减振效果,被应用于各地铁线路。为研究钢轨表面短波不平顺对钢弹簧浮置板道床减振效果的影响,分别在直线段与曲线段选取钢弹簧浮置板道床测试断面和普通整体道床测试断面进行钢轨表面短波不平顺测试及振动测试。结果表明:直线段钢轨表面状态良好及钢轨表面短波不平顺地段钢弹簧浮置板道床的减振效果分别为24.3 dB及24.4 dB,曲线段钢轨表面状态良好及钢轨表面短波不平顺地段钢弹簧浮置板道床的减振效果分别为20.5 dB及20.3 dB,钢轨表面短波不平顺对钢弹簧浮置板道床的减振效果影响较小。

往复荷载下铁路道砟沉降特性的扩展多面体离散元分析

基于Minkowski Sum方法,采用扩展多面体单元构造非规则的道砟颗粒,对道砟材料在往复荷载作用下的动力特性进行离散元分析,研究其沉降量和形变刚度的演变过程。结果表明,在往复荷载作用下道砟材料的累计沉降量在变形初期增加显著,随着往复荷载次数的增加趋于稳定,其有效刚度在累计变形过程中不断增大并最终趋于平稳。本文研究表明,扩展多面体单元可有效模拟道砟材料的力学行为,研究其在列车往复荷载下的动力特性。

轨道框架对散粒体道床非线性纵向阻力影响的试验研究

为深入探索轨道框架对道床非线性纵向阻力的影响,通过建立足尺模型,采用轨道框架法测试道床纵向阻力-位移关系曲线,从轨枕数量、屈服位移、屈服阻力等角度研究轨道框架纵向变形机理,获得轨道框架下道床纵向阻力非线性力学特征。在此基础上,建立轨排结构道床纵向阻力均值计算方法。结果表明:轨道框架道床纵向阻力值明显小于各轨枕阻力之和,且随着轨枕数量与屈服位移取值的增加,差异逐渐增大;当轨道框架沿纵向移动时,道砟颗粒呈现出不规则的运动规律,轨道框架中间位置处颗粒运动的不规则性相对两端较弱,且颗粒位移扩散角较小;轨排结构道床阻力均值计算方法可以较为合理的预估出阻力值的大小,且随着轨枕数量的增加,道床阻力均值趋于稳定。

道碴动三轴试验研究

动三轴试验是当今世界研究道床特性的最重要方法之一。通过动三轴试验 ,可研究荷载状态、道碴材质与级配以及道床状态对道床累积变形和道床弹性的作用 ,道床累积变形和道床弹性分别是道床由计划维修向状态维修过渡和轨道结构仿真参量的依据。基于动三轴试验 ,本文研究了试验前后道碴级配变化、道床累积变形和变形率以及道床弹性随荷载作用次数的变化规律 ,探索了道碴磨耗特性随重复荷载和材质的变化规律 ,得到了道床累积变形及变形率在试验开始时较大 ,随着荷载作用次数增大而减小 ,最后达到稳定的规律 ;道床弹性随荷载作用次数的变化规律也是如此 ,估算了道床最终稳定时的弹性模量 ,且有道床弹性仅是道碴材质的固有特性 ,受荷载作用次数和道床状态影响较小的结论。基于动三轴试验结果 ,对国外现有的道床累积变形模型进行了对比分析 ,并研究了各自的特点。

有砟梯式轨枕轨道减振性能的理论分析与试验研究

为实验室铺设有砟、无砟两种梯式轨枕轨道,用自由落锤激励装置对两种梯轨减振性能进行对比研究。建立有砟梯轨、有砟普通轨道的数值模型,利用试验测试结果对模型进行验证。通过在模型中施加货运列车荷载对比两种有砟轨道减振性能。结果表明,有砟梯轨减振性能不及浮置式梯轨,在低频段有一定减振能力,20 Hz以下振动经道砟平均衰减25 d B,对控制重载货运列车环境振动具备潜在优势;梯式轨枕对分散列车冲击振动、降低时域内峰值有明显优势。

异噻唑啉酮的灭藻效应及其生物毒性试验

研究了异噻唑啉酮在海水中的灭藻效应,确定了其对于代表性藻类的浓度-反应关系,并且对其进行了生物毒性试验。根据试验结果采用概率单位法进行数据处理,得出异噻唑啉酮对卤虫无节幼体96 h的半致死浓度(LC50)为10.4 mg／L,并对剂量反应方程进行x2检验,结果表明符合精度要求,计算出的96h-LC50真实可靠。该杀生剂在低浓度下对海洋单细胞藻类有较高的杀灭效应,而且生物毒性较小,是比较适合化学法处理船舶压载水的杀生剂。

聚氨酯固化道床的力学性能试验研究

聚氨酯固化道床是介于传统碎石道床和无砟轨道整体道床之间的一种新型结构。本文介绍了聚氨酯固化道床的国内外现状;通过聚氨酯固化道床围压试件的疲劳荷载、冻融试验、实尺模型疲劳试验和现场加载车测试试验,研究聚氨酯固化道床的弹性、抗累积变形、荷载传递规律及轨排阻力等力学性能。试验结果表明:聚氨酯固化道床具有良好弹性保持能力和抗累积变形能力,和普通碎石道床相比,具有更好的抵抗横向荷载能力,同时验证了聚氨酯固化道床结构设计断面的合理性。

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.

道砟尖角折断的三轴压缩试验与离散元数值分析

为研究道砟尖角折断对道床变形和力学性能的影响,开展了一系列多围压(10、30和60 k Pa)下三轴单调压缩试验,并对道砟样本轴向应变、体积应变、偏应力和道砟试验前后粒径变化进行了统计与分析.在此基础上,利用离散单元法建立了可破裂道砟细观分析模型,统计数值试验中不同围压下断裂尖角数量及位置等.试验仿真表明:道砟试样偏应力随轴向应变的增大而增加,最终达到一个相对稳定值;极限偏应力随围压的增大而增大,且两者之间接近线性关系,当围压由10 k Pa增加到60 k Pa时,极限偏应力由93 MPa增加到387 MPa;道砟样本的剪缩应变随围压提高而增大,围压为10 k Pa时,道砟样本未发生剪缩变形,围压为60 k Pa时,道砟样本的剪缩应变为0.21%;尖角折断数目随样本轴向应变增加而相应增长,且主要发生在上下加载面附近.

基于洛杉矶磨耗试验和图像分析道砟劣化研究

通过洛杉矶磨耗试验研究道砟劣化,基于激光三维扫描及图形分析法,分析道砟洛杉矶试验前后三维图形信息,研究道砟体积、形状、尖角和表面粗糙度等几何特性变化,同时和磨耗试验结果进行比较,揭示道砟劣化机理及劣化表现形式。研究结果表明：道砟劣化形式主要为尖角折断,最大磨耗值范围在4.0-9.0 mm,平均磨耗值在1.0 mm以内;单个道砟磨耗率随着道砟粒径增大而增加。研究结果对道砟标准控制、劣化评估及养护维修具有参考意义。