一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒状态判断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铁路轨道技术领域，尤其涉及一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒 状态判断方法。
【背景技术】
[0002] 铁路是国家重要基础设施，是环保高效的交通工具。中国高速铁路目前营运里程 居世界第一，已成为国际铁路舞台的重要角色。有砟轨道是各国高速铁路轨道结构的主要 形式之一，相比于无砟轨道，占有重要份额。世界上第一条高速铁路一一日本东海道新干线 就采用了有砟轨道结构。德国早期修建的城际铁路75%约为有砟轨道。法国高速铁路几乎 全部为有砟轨道结构，东部线运营速度达到320km/h，试验速度为574. 8km/h。西班牙、意大 利等国的高速铁路绝大部分采用有砟轨道结构。
[0003] 有砟轨道结构具有灵活性，易于养护维修、适用范围广、建造成本低等特点，具有 巨大的发展价值，受到世界各国的重视。同时，从发展趋势和技术水平来看，有砟轨道完全 可以用于高速铁路，也将成为未来高速铁路的主要结构形式之一。但必须引起重视的是，高 速铁路有砟轨道飞砟（迀移）防治问题。
[0004] 飞砟现象是指高速铁路列车动力和空气动力作用下，道床表面道砟颗粒迀移、跳 跃、飞离道床，改变道床结构，并击打列车转向架部分车轴、制动缸、钢轨踏面的现象，一般 发生在速度超过300km/h以上。飞砟现象具有危害大、分布广的特点，且严重影响有砟高速 铁路发展以及无砟铁路有砟地段（过渡段）的安全性。飞砟现象对列车、线路具有巨大破 坏作用，主要表现在以下方面：
[0005] 第一，飞砟颗粒散落钢轨踏面改变轮轨受力，甚至引发脱轨等事故；第二，飞砟击 打列车车轴、制动引起损伤；第三，飞砟溅落在钢轨踏面上，车轮动力作用下造成钢轨损伤， 加速钢轨与车轮损伤，如钢轨上散落道砟颗粒在轮轨动力作用下，造成道砟颗粒引起的钢 轨核伤，加速轨道恶化与车轮扁疤的形成。另一方面，高速铁路有砟道床表层道砟颗粒在列 车风载和动力作用下松散、移动、聚集，从而导致风压波动、涡流，以至于道床几何断面尺寸 难于保持、承载力不足。这种道砟迀移现象，不仅是高速铁路养护维修中遇到的新问题，更 增大了飞砟发生几率。
[0006] 高速铁路设计与运营理念在过去40年中不断发展。从过去道床强度设计理念逐 渐过渡到道床横向阻力稳定性设计，并逐渐发展到道床结构引发的安全性设计。以飞砟问 题为代表的高速铁路有砟轨道结构安全性设计已成为高速铁路有砟道床的控制因素。
[0007] 结合国际上各国高速铁路有砟轨道结构的发展趋势，特别是法国高速有砟铁路建 设的成果和经验，目前如何有效治理和防治飞砟已然成为我国高速铁路有砟轨道结构发展 亟待解决的关键技术问题。
[0008] 目前，以法国为代表的高速铁路有砟轨道结构通过采取道床结构优化、道床质量 密实、轨枕上道砟清扫以及该测试列车线性优化等措施来防治飞砟，但这一系列综合技术 在国内还处在探索期，远未成熟。从有砟轨道结构各组成部分的结构特点而言，目前国内的 防治飞砟问题的手段和方式多数关注于道床结构、道床质量的优化，对有砟轨道轨枕影响 飞砟问题的研究并不充分。
[0009] 从轨枕的角度分析，传统高速铁路混凝土轨枕没有考虑列车动力和风压共同作用 下飞砟现象，存在以下缺点：
[0010] 1.既有高速铁路混凝土轨枕没有考虑飞砟现象，轨枕几何形状变化突兀，容易引 起风压涡旋及波动，易于飞砟现象的形成；
[0011] 2.既有高速铁路混凝土轨枕表面为一平面结构，捣固、维修、补充道砟等作业容易 引起道砟散落并停留在轨枕上表面，由于轨枕加速度比较大，更加易于在列车动力和风压 作用下飞砟。
【发明内容】
[0012] 本发明的实施例提供了一种防飞砟的铁路轨枕装置和道砟颗粒状态判断方法，以 实现有效地防治高速铁路飞砟。
[0013] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0014] 根据本发明的一个方面，提供了一种防飞砟的铁路轨枕装置，所述铁路轨枕的上 表面上除了两个承轨槽之外的其它部分采用流线型形状。
[0015] 优选地，所述铁路轨枕的两个侧面采用流线型形状。
[0016] 优选地，所述铁路轨枕的上表面上的左右两个承轨槽到中心点之间的流线型形状 互相对称。
[0017] 优选地，所述铁路轨枕的上表面上的中心点位于流线型形状的最低点。
[0018] 优选地，所述铁路轨枕的上表面上的承轨槽与道床表面之间的高度差大于设定的 阈值。
[0019] 根据本发明的另一个方面，提供了 一种铁路轨枕中的道砟颗粒状态判断方法，包 括：
[0020] 根据铁路轨枕道床上的道砟颗粒受到的重力mg、风载Fw和列车通过时因振动加速 度导致的力Fa，计算出道砟颗粒的状态参数值a合；
[0021] 将所述道砟颗粒的状态参数值a合与设定的状态阈值进行比较，根据比较结果确 定所述道砟颗粒的状态。
[0022] 优选地，所述方法包括：
[0023] 设位于铁路轨枕道床上的道砟在竖直方向上主要受重力mg、颗粒间咬合力F1、风 载Fw以及列车通过时因振动加速度导致的力Fa;
[0024] 根据达朗贝尔原理，得出公式：
[0025] Fw+Fa=mg-ma合+Fi (1)
[0026] 设道砟颗粒间咬合力F1=O,m为道砟颗粒的质量，则公式（1)整理为如下公式：
[0027] ma合=Fw_mg+Fa
[0028] (2)
[0029] ma合=Fw_mg+ma=Fw-m(g-a)
[0030] 道砟所受风载Fw可通过式求得：
[0032] 式中A是风载作用于道砟颗粒的有效面积，Vl、V2是开始时刻和结束时刻道砟颗粒 受到的风速。
[0033] 优选地，所述方法包括：
[0034] 使用风压系数来表示风速与风载间的关系，引入风压系数a后式（3)整理为式
[0036] 将式（4)代入式（2)联立可以得到公式
[0037]
[0038] 经过进一步整理得到式
[0039]
[0040] 优选地，所述的将所述道砟颗粒的状态参数值a合与设定的状态阈值进行比较， 根据比较结果确定所述道砟颗粒的状态，包括：
[0041] 若< 0则表明道砟处于稳定状态；若4 = 0则表明道砟处于临界状态，此时对 应列车速度为临界速度；若￡%> 0则表明道砟处于飞砟状态。
[0042] 由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过基于飞砟现 象的作用机理，从飞砟平衡原理出发，优化由轨枕表面形状引起的道砟表层空气场对道砟 飞起的动力作用，优化轨枕的几何形状，避免由于轨枕上表面平面结构造成的散落道砟堆 积现象，从多角度防治飞砟现象的产生，避免其对列车运行安全造成危害。
[0043] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0045] 图1为本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕主视图；
[0046] 图2为本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕俯视图；
[0047] 图3为本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕剖面图；
[0048] 图4为本发明实施例提供的一种道砟颗粒受力图；
[0049] 图5为本发明实施例提供的一种实体建模得到三维空气动力学优化轨枕形状和 道床模型示意图；
[0050] 图6为本发明实施例提供的一种实体建模法经过布尔减操作后得到四周为壁面 的计算域示意图。
【具体实施方式】
[0051] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0052] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式"一"、"一 个"、"所述"和"该"也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措 辞"包括"是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加 一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元 件被"连接"或"耦接"到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在 中间元件。此外，这里使用的"连接"或"耦接"可以包括无线连接或耦接。这里使用的措 辞"和/或"包括一个或