英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用于污染铁路道砟的离散元素建模
黄海a，Erol Tutumluer b宾夕法尼亚州立大学，Altoona，PA 16601，美国b伊利诺斯大学，Urbana，IL 61801，美国
文章历史：收到2010年12月29日
收到修订表格2011年2月28日接受2011年3月1日
可在线2011年3月31日
关键词：离散元素建模、铁路道砟、污垢、煤炭粉末、半履带
摘要：
污染是指铁路道砟的状况，这种未结合的聚集层中的空隙通常来自压载物聚集体破裂，外部污染物如煤矿煤尘或路基土壤入侵时，填充相对较细的材料或结垢剂。本文旨在研究污垢对道砟强度和稳定性的影响。首先解释结垢机理，然后对污垢剂的力学性能进行调查。煤粉由于其机械性能差而被选为污垢，据报道与其他污垢剂相比，主要降低了聚集体组装强度。引入了图像辅助离散元素建模（DEM）方法，模拟了煤尘污染轨道场的沉降性能。为此，通过将DEM直接剪切箱模拟结果与两个样品的实验室剪切箱测试结果相匹配，验证了清洁和煤尘污染道砟的DEM模型参数。通过将实验室校准的模型参数分配给在DEM中产生的“半轨道”道砟样本，研究了不同结垢百分比以及不同结垢位置对压载沉降性能的影响。 “半场”DEM模拟的结果显示，结垢可能导致不平凡的轨道困扰，如“挂领带”。此外，肩部结垢场景被证明在轨道维护中至关重要。
1简介
污染物是指当这个未结合的聚集层中的空隙充满相对较细的材料时，铁路道砟的状况。 污垢剂通常来自压载物聚集体破裂 ，外部污染物如煤火车的煤尘或路基土壤侵入。 传统上，道砟中的结垢材料被认为不利于铁路最后的性能[1]。 早期研究报告说，约70％的污垢物质来自道砟击穿[2-4]。 铁路公司内部研究还指出，铁路轨道上几乎所有的罚款通常都是由于总体崩溃[5]。 根据Selig和Waters [6]的说法，道砟分解平均占压载污染的76％，其次是从subballast 13％的渗透，7％的渗流从道砟表面，3％的路基入侵和1％ 穿领。
Huang等人最近的研究 [7]表明，煤尘是影响轨道下结构和路基的最严重的污染物。 大约15％的灰尘重量的煤尘污染具有统计意义，导致相当大的强度降低。 在用灰尘灰尘完全污染的情况下，在35％的最佳含水量下，获得的摩擦角度与煤尘本身的摩擦角一样低。 因此，在本文中，研究了现场条件下煤尘污染轨迹行为。 通过使用称为图像辅助离散电子建模（DEM）的新型数值技术，研究了不同位置（即肩部或中心轨道）和不同深度处的煤尘污染的压载物。 进行实验室剪切箱试验，以验证清洁和煤尘污染的道砟DEM模型参数。 然后进行半轨道DEM模拟，以评估不同污染情况下的轨道沉降性能。
2污染机制
在污垢压载层的稳定性和承载能力方面，可以鉴定填充空隙空间的细小材料的不同条件的三个体积相[7]（见图1）。 阶段I显示了一个清洁或非常轻微污染的道砟样品，其几乎所有聚集体在聚集体表面处彼此建立接触以充分承载载荷（见图1a）。 如图所示。 如图1b所示，II期将在填充足够量的细颗粒的聚集体之间具有空隙，这可以显着降低强度，然而，仍然保持聚集体聚集接触。 而在III期污染的道砟状况下，由于细颗粒过多，
（a）清洁道砟（I期）（b）部分污染的道砟（2期）（c）严重污染的道砟（3期）
图1 重要道砟结垢阶段
图2.清洁和污染道砟的接触性能。
聚集到聚集体的聚合物大部分被消除，聚集的粒子运动仅受到填充基质的微粒或颗粒之间的空隙的限制（见图1c）。由于第三阶段的压载无疑是不可接受的，需要立即采取补救措施，所以第一和第二阶段的压载特别值得研究，因为不同的污染情况会影响压载强度，从而影响轨道的稳定性。
图3中示出了各个聚集粒子之间的接触力[8]。接触力可以分解成正常和剪切力分量。接触力的大小取决于外部负荷。 DEM理论[8]假设在接触的两个聚集体颗粒之间存在剪切接触强度（在图2中表示为“SCS”），这是正常接触力的函数和聚集体表面纹理（即表面摩擦角）。如果两个颗粒之间的接触剪切力（通过外部载荷引入）超过该接触剪切强度，则聚集体将开始彼此滑动，否则它们将保持接触。该表面摩擦角由“h”表示。
如果道砟样品是干净的（如图2左侧所示），表面摩擦角由聚集体本身的表面粗糙度决定。然而，在二期结垢条件下，由于存在污垢剂，表面摩擦角“h”将受到污染物（如右图所示）的影响甚至主导，成为“污垢表面摩擦角（“h”）“。通过组合实验室测试和数字建模技术（如“图像辅助DEM”），需要确定和调查相应的道砟行为，“h”和“h0”。
3图像辅助DEM方法
离散元素法是一种数值模拟方法，用于解决显示出严重不连续行为的问题。这些方法能够分析经历大动态运动的多个相互作用体。通过对各个部分进行建模并计算其运动，可以隐含地模拟粒子装配的整体行为，其可能包括不可恢复的变形，扩张，后峰行为和各向异性。颗粒材料或岩体的相互作用可以通过这种方式进行准确和实际的建模，因为分析中可以包含任何不连续的细节。 DEM被认为是模拟道砟行为的最有前途的工具之一。
利用在伊利诺伊大学开发的DEM程序BLOKS3D [9]的图像辅助DEM方法已被重新引入，以调查多尺度聚集形态特性对铁路道砟性能的影响[10， 11]。成像技术提供了聚集体形状，纹理和角度特性的详细测量，并且在过去二十年中成功地用于量化聚集体形态。在各种粒子形态指标中，使用Illi-nois聚合图像分析仪（UIAIA）开发的平坦和细长（F＆E）比，角度指数（AI）和表面纹理（ST）指数是关键指标[12,13]。 UIAIA系统具有从三个正交视图拍摄单个聚集粒子的图像，以量化基于成像的F＆E比，AI和ST形态指标。图像辅助DEM方法然后基于UIAIA处理的顶视图，前视图和侧视图重新创建作为独立DEM元素的三维聚集形状。图。图3示出了实际聚集粒子与相应的DEM代表元素之间的比较。
图4示出了接触的两个离散元件。可以看出，BLOKS3D中的主要模型参数包括形状和尺寸分布，正常和剪切接触刚度以及表面摩擦角（h）。在本文的其余部分，清洁和煤尘污染的道砟样品的模型参数将通过实验室测试进行校准和验证。
4图像辅助DEM方法的验证
验证的目的是找到正确的参数集，使DEM仿真结果与相应的实验室测试结果相匹配。 对重建的清洁和煤尘污垢花岗岩骨料样品进行直接剪切强度试验。 图中的左图 图5显示了用于伊利诺伊大学测试的大剪切箱。
图3.将实际聚合粒子与BLOKS3D DEM程序生成的离散元素表示进行比较。
测试装置是侧面尺寸为12英寸（305mm），样品高度为203mm（8in。）的方形盒。 它的底部152毫米（6英寸）高的部件总共有102毫米（4英寸）的行程，足够大的压载测试用于记录峰值剪切应力。 垂直（法线方向）和水平称重传感器可应用和记录多达50 kN的负载量。 设备控制和数据采集由操作员控制的自动数据采集系统进行管理
通过内置显示屏将测试数据保存到个人计算机上。 在实验室测试中使用三个正应（172,241和310kPa）和0.2mm / s（0.48in./min）的恒定剪切速率。 道砟样品制备工艺介绍如下：
1.通过升降机（通常为两个76 mm升降机）将下料箱放置在下方。
2.对于每个电梯，在平坦的有机玻璃压实平台的顶部使用振动压实机，并且紧凑，直到没有观察到明显的颗粒移动。
3.记录使用的骨料的重量。
测试的压载材料是典型的AREMA第24号分级花岗岩骨料，比重为2.62，由吉列，WY获得，常用于粉河流域（PRB）联合线。 通过UIAIA处理聚集体，以形状表征和再生BLOKS3D中的代表性粒子形状。 图。 图5显示了实验室直接剪切箱试验装置和DEM模型。
4.1 校准清洁道砟型号
DEM模型的校准包括通过调整模型参数将模拟结果与实验室结果相匹配的过程。 由于元件形状和尺寸分布已经确定，可调模型参数为：正常接触刚度，剪切接触刚度和表面摩擦角。 图。 图6显示了对于两个实验室测试和对干净的道砟样品的DEM模拟，在不同的法向应力下的剪切位移绘制的剪切应力应力。
图4.主要BLOKS3D型号参数
图5.直接剪切箱测试实验室设置和DEM模型
图来自DEM直接剪切模拟的剪切反作用力，表面摩擦角为31L，由实验室清洁样品得到。
DEM仿真结果绘制在图1的虚线中。 6.对于DEM模拟，试错后，正常接触刚度调整为20 MN / m;剪切接触刚度值调整为10 MN / m;表面摩擦角最终达到31L。从图。 6，可以得出结论，基于这组参数的DEM仿真结果可以很好地匹配实验室测试结果。因此，在本文的其余部分，决定使用这组参数来表示干净的花岗岩道砟样品。
图7示出了在直接剪切DEM模拟中在聚集体颗粒之间产生的接触力。可以看出，接触力形成连接左上方和右下方的带，这表明道砟样品的剪切强度主要由该力带提供。此外，也可能存在于沿着剪切力带的任何位置存在的结垢剂将影响剪切强度。
4.2校准完全污染的道砟型号
通过在清洁的道砟样品中加入煤尘来制备污垢灰尘样品。不同的污垢严重程度可以通过添加不同百分比的煤尘以清洁骨料的重量来表示。换句话说，在直接剪切箱试验中，煤尘的充填深度决定了污垢的严重程度。全煤尘污染了道砟样品（即煤尘填充一直到剪切箱的顶部）准备和测试用于校准目的。
在DEM中模拟污染道砟的直接方法是将小尺寸元件（代表污垢物质，如煤尘）添加到大尺寸元件（代表干净的压载物聚集体）中。然而，在计算时间方面不是经济的，因为最小的结垢材料颗粒大约为0.075mm，并且在大剪切箱测试模拟中可能需要数百和数千个这样的颗粒。本文提出了模拟道砟污垢的另一种方法。
基于以前的实验室测试结果[7]，可以看出，煤粉作为润滑剂，换句话说，类似于在DEM模型中减少元件表面摩擦角的情况。代替添加更小的元件，减少的表面摩擦角被用于污染的触点，这需要从与清洁平衡样品相似的校准过程获得。
图8示出了对于完全污染的道砟样品的实验室测试和DEM模拟的剪切反作用力对剪切位移作图。对于DEM模拟，试错后，表面摩擦角降低到27L，以符合实验室结果。基于煤灰不会严重影响接触刚度的假设，正常和剪切接触刚度值保持相同。根据我们之前描述的第二阶段污染的定义，这是合理的。在阶段I和阶段II中，聚集体没有分离，即接触刚度仍然可以保持不变。但是，一旦聚集体彼此开始滑动，它们在煤尘膜润滑表面上滑动，即较低的“表面摩擦角”。 值得注意的是，“表面摩擦角”不同于“内摩擦角”。 “表面摩擦角”是局部接触表面性质; 而“内摩擦角”则是整体强度参数。 从图。 8，可以得出结论，基于这组参数的DEM仿真结果可以很好地匹配实验室测试结果。 因此，在本文的其余部分，决定使用这组参数来代表煤灰污染的花岗岩压载物样品。
图8.从DEM直接剪切模拟剪切反应力，表面摩擦角为27L，由实验室完全污染的样品产生。
图7.直接剪切箱试验中骨料之间的接触力带。
图9.对15％煤尘污染的DEM模拟和实验室测试的结果进行比较
4.3验证模型
校准清洁和完全煤灰污染平衡模型的目的是预测任何部分污染的道砟样品的强度。例如，在只有灰尘的下半部深度被煤尘污染的情况下，我们可以在3深的颗粒内分配污垢表面摩擦角（27L），并分配清洁的表面摩擦角（ 31L）到剩余的聚集体颗粒。为了测试该声明的有效性和DEM模型参数，对部分污染的道砟样品进行干净和污染的道砟直接剪切箱测试。
图中的实线。
图9是在实验室中对15％煤尘污染的道砟样品的三个正应力下的剪切位移绘制的剪切应力。在这种情况下，15％的结垢体积相当于煤粉填充下部剪切箱下半部分内的空隙的情况。在DEM预测期间，该区域内的压载物颗粒将是表面摩擦角为27L;而剪切箱其他部分的颗粒参数则赋予31L的表面摩擦角。图中的虚线。 9是在由DEM预测的三个正应力下绘制的剪切应力剪切应力。可以看出，DEM污染模型可以相当准确地预测实验室结果。
图10.半轨道DEM模拟剖面图。
图11在单个领带上重复加载配置文件。
图12.具有不同部件的半轨道DEM模型被煤尘污染
图13.对于不同的污染情景，DEM跟踪结算预测。
分配了27°的表面摩擦角，15％的肩部结垢模拟场景。数字“15％”来自上一个15％煤灰的校准条件直到中间下箱的深度在直接剪切箱试验中。同样，充分可以通过分配污垢来实肩部结垢的情况表面摩擦角与轨道的两个“0”和“2”部分成27°。图。图12是半轨道DEM模型的快照。样品制备后，将负载施加在扎带的顶部。图。图13显示了DEM之后的道砟沉降预测不同污染情况的120个循环。定居点预测120个循环后，所有样品也列在表1中。对于第一百个流量循环，表1清楚地表明干净的道砟产生最小的沉降量。这个意味着污染将增加轨道沉降潜力相对 - 热闹快换句话说，污染的轨道部分将积聚更多的结算比干净的轨道在相对较短的数量的时间可能导致这种情况常常被称为“挂起”领带“，如图所示。没有横向阻力接头和道砟的接口，轨道更容易跟踪扣。在所有结垢的情况下，肩膀污垢显示出来对轨道沉降的影响更大。在部分严重的和完全的犯罪案件，肩膀结垢产生更多的定居点，比中心轨道污染。这在下面解释段。
在半轨道模型中，道砟被安置在三个方向，列车移动方向和中心平面。因此，道砟沉降主要由垂直移动引起，在领带和横向下的总体权利骨料在肩部的移动。垂直移动通常是由于合并的结果聚合反复加载。横向运动大多数由颗粒流引起的波纹方向，DER。由于道砟的中心部分被安装在所有方向上，它将积累较少的结算。而且，多数的剪切破坏滑动表面位于肩部特别是肩底部
全文共7095字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[144139]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
