更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0053] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术 术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应 该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的 意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0054] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步 的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0055] 本发明所要解决的技术问题是，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。
[0056] 故而本发明提出一种新型的轨枕结构形式，并基于空气动力学和计算流体力学的 手段进行分析，降低高速铁路列车运行条件下飞砟现象的产生。
[0057] 本发明实施例提供的一种高速铁路飞砟防治轨枕装置的主视图如图1所示，俯视 图如图2所示，剖面图如图3所示。在轨枕几何尺寸基本不变的基础上，轨枕的上表面上除 了两个承轨槽部分之外的其它部分采用流线型形状，该流线型形状可以为圆弧化形状。
[0058] 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，所述轨 枕的上表面上的中心点位于流线型形状的最低点。承轨槽的下表面为轨枕的承轨面，承轨 面与道砟层表面之间的高度差大于设定的阈值。
[0059] 示例性的，轨枕整体长度设计区间可为2. 6m~3. 0m，底部宽约320mm，有挡肩，承 轨槽长约320mm，宽205mm。铺设时轨枕间距为600mm，承轨面与道床表面高差增加至40mm。 除承轨槽，其余部分的外表面轮廓采用流线型设计，能有效防止道砟颗粒在轨枕表面停留。 使用本轨枕时，需根据列车运营轴重、速度、运量及单复线、地质等情况进行综合分析。
[0060] 一、飞昨机理
[0061] 对复杂条件下高速铁路飞砟（迀移）机理及风险评估，目前国内外研究方法主要 有两种：基于动力学的精确数值仿真方法和基于随机理论的可靠度分析方法。基于动力学 的精确数值仿真方法是通过对高速列车运营条件下，列车动力学、空气动力学、散体力学等 复杂非线性环节分别或者综合研究，建立飞砟作用力学模型，进而研究道砟飞砟（迀移）有 害现象及其影响规律。力学特性方法包括列车空气动力学仿真分析，风洞试验及现场测试， 研究高速列车空气动力分布规律、散体道床风压特性、单体道砟颗粒力学特性等以及其影 响规律。
[0062] 以上研究揭示列车空气动力特性是飞砟关键因素之一。由于列车空气动力特性与 列车速度密切相关，因此列车速度直接影响飞砟的发生。一般认为列车速度超过300km/h 时才会发生飞砟现象。同时列车线形以及长度对飞砟也有影响，因此列车车头空气动力学 优化能降低飞砟几率。以上研究方法，主要通过风洞试验、现场试验进行空气动力学、道床 振动测试，并通过相关离散单元法（DEM)、流体计算力学（CFD)、列车动力学等从力学特性 上进行研究与分析，相对来讲较为复杂。为了简单明了研究飞砟力学机理，现从道砟颗粒受 力建立飞砟临界状态判别方程，从道砟颗粒受力本身提供评判标准。
[0063] 本发明实施例提供的一种道砟颗粒受力图如图4所示，位于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。 [0064] 根据达朗贝尔原理，得出公式：
[0065]Fw+Fa=mg-ma合+Fi (1)
[0066] 设颗粒间咬合力Fl=。，则公式（1)就可整理为如下公式：
[0067] ma合=Fw_mg+Fa
[0068] (2)
[0069] ma合=Fw_mg+ma=Fw-m(g_a)
[0070] 式中a是由于列车动力而引起道床中道砟振动竖向加速度值。由空气动理论，道 砟所受风载Fw可通过式求得：
[0072] 式中A是风载作用于道砟的有效面积，^、^是研究时段开始时刻和结束时刻道砟 受到的风速。由于风速与风载关系的不规律性，在实际应用中我们通常使用风压系数来表 示风速与风载间的关系，引入风压系数a后式（3)整理为式
[0076] 经过进一步整理得到式
[0077]
[0078] 其中公式左边的a合反映道砟所处的状态，在一定列车速度下，产生一定的道砟 道床振动加速度a，若< 0则表明道砟处于稳定状态；若= 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（风载速度为临界风载速度）；若ae>0则表明道砟处 于飞砟状态。公式最左边（g_a)通常为定值，与高速列车作用下道床振动特性相关，该值可 以进行测量和统计，即通过道床表层道砟颗粒振动加速度测量，简单计算后取得；而另一部
则反映影响道砟状态的因素，包括风载作用有效面积A、道砟质量m以及道 砟间的咬合力F1，这些因素与道砟颗粒形状、质量和道床密实状态、道床几何线性与断面、 道床振动特性有一定联系。
在风压系数a-定条件下，其比值对飞砟具 有影响，该值可以定义为飞砟形状质量比系数。
[0079] 如通过引用格林公式或者其它公式，让推导更为严谨，即体积分和表面积分的转 换。
[0080] m= / / /pdxdydz(7)
[0081] 将（7)代入（6)经过进一步整理得到式
[0082]
[0083] (g-a) (9)
[0084] 其中（g-a) (9)在列车速度和道床振动加速度一定情况下，取决于道砟颗粒位置。 从（8)更加容易的看出，飞砟颗粒运动与道砟密度、道砟颗粒道床垂向厚度以及道砟颗粒 位置相关。
[0085] 若轨枕采用平面形式，道砟则易停留在轨枕表面上 可以看出，道砟停留在轨枕表面，在列车经过时，会受到由轨枕传递的振动加 速度a，则道砟所受到的合加速度将大于道床上的道砟受到的合加速度。即
更易飞砟。采用流线型表面设计防止了道砟在轨枕表 面上的停留，从而避免飞砟现象的发生。
[0086] 轨枕的流线型表面设计优化了轨枕空气动力学特性，可有效降低飞砟发生几率。 优化轨枕一方面减小了轨枕上表面的宽度，使道砟颗粒不足以在轨枕上表面停留，减小了 道砟颗粒受到的向上的合加速度；另一方面从流体力学的角度讲，整个轨枕上部设计圆 顺，减小了承轨槽几何结构对流体的绕流阻碍作用，降低了道床表层空气流湍流强度和激 扰性，促进了道床表面气动荷载的均勾分布，可一定程度上有效降低道床负压气动荷载。
[0087] 二、优化轨枕结构分析
[0088] 高速铁路有砟轨道新建线路时速达300km/h的列车在行驶时列车周围会产生6-8 级风力，强大的列车风力对列车底部道床表面产生负压风载效应，加上道床表面道砟颗粒 因列车轨道动力作用产生振动加速度而出现"失重"状态，容易引起道砟颗粒上跳进而造成 飞砟现象，冬季严寒地区铁路还会造成冰雪飞溅，严重影响列车行车安全。减小流体中障碍 物表面边界层的分离可有效降低物体周围绕流压差阻力进而减小流体的瑞流漩润作用，而 缩小边界层分离的有效途径之一就是改变流体中障碍物的形状以控制障碍物表面压力梯 度。
[0089] 所以通过这一理论并结合国外高速铁路轨枕结构空气动力学优化的研究经验，本 发明提出对我国轨枕结构进行优化设计理念：即在保证高速铁路有砟道床轨枕动力稳定性 的同时也要追求轨枕较好的空气动力学性能，进而减弱列车底部列车风的湍流效应，降低 飞砟发生几率。
[0090] 目前，我国高速铁路有砟道床主要应用III型挡肩式混凝土轨枕，III型轨枕轨枕长 度增长，底部宽度加宽，增大了枕下支撑面积和端侧面积，可有效提高道床的纵、横向阻力， 强化了轨道结构，提高线路的稳定性；采用无螺栓弹条扣件，强大的扣压力有利于保持轨道 的几何形位，降低了轨道框架的纵横向位移，减少养护维修工作量。但III型混凝土表面由于 设计时没有考虑飞砟现象，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。同时，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。
[0091] 本发明中提出了新型高速铁路防飞砟轨枕设计方案，既保证轨枕的动力特性及满 足道床的纵、横向阻力要求，保证线路稳定性，更通过ANSYS软件进行建模，对新型防飞砟 轨枕的空气动力特性进行分析。
[0092](一）新型高速铁路防飞砟轨枕模型建立
[0093] 在本发明中，首先根据流体边界层分离理论，实体建模得到本发明中新型轨枕与III型轨枕三维空气动力学形状和道床模型如图5所示。对这两个模型进行计算分析，从结 果进行比较分析可以得出本发明中新型