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Experimental study and numerical simulation of the impact of under-sleeper pads on the dynamic and static mechanical behavior of heavy-haul railway ballast track

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Railway Engineering Science 2024年第3期32卷 384-400页

作者： yihao chi Hong Xiao Yang Wang Zhihai Zhang Mahantesh M.Nadakatti School of Civil Engineering Beijing Jiaotong UniversityBeijing 100044China Beijing Key Laboratory of Track Engineering Beijing Jiaotong UniversityBeijing 100044China Department of Mechanical Engg KLSGITBelgaumKarnataka 590008India

Laying the under-sleeper pad(USP)is one of the effective measures commonly used to delay ballast degradation and reduce maintenance *** explore the impact of application of the USP on the dynamic and static mechanical behavior of the ballast track in the heavy-haul railway system,numerical simulation models of the ballast bed with USP and without USP are presented in this paper by using the discrete element method(DEM)-multi-flexible body dynamic(MFBD)coupling analysis *** ballast bed support stiffness test and dynamic displacement tests were carried out on the actual operation of a heavy-haul railway line to verify the validity of the *** results show that using the USP results in a 43.01%reduction in the ballast bed support stiffness and achieves a more uniform distribution of track loads on the *** effectively reduces the load borne by the sleeper directly under the wheel load,with a 7.89%reduction in the pressure on the ***,the laying of the USP changes the lateral resistance sharing ratio of the ballast bed,significantly reducing the stress level of the ballast bed under train loads,with an average stress reduction of 42.19 *** also reduces the plastic displacement of ballast particles and lowers the peak value of rotational angular velocity by about 50%to 70%,which is conducive to slowing down ballast bed settlement deformation and reducing maintenance *** summary,laying the USP has a potential value in enhancing the stability and extending the lifespan of the ballast bed in heavy-haul railway systems.

关键词： Heavy-haul railway Under-sleeper pad Discrete element method Multi-flexible body dynamic coupling analysis Mechanical behavior Quality state

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有砟道床人工捣固作业模型建立及力学性能分析

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1241-1251页

作者：钱忠霞肖宏张智海迟义浩方家北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044 中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

为研究人工捣固作业对道床质量状态的作用机理,基于离散元与多体动力学耦合的建模方法,建立人工捣固装置-散体道床仿真模型,有效模拟工人的捣固作业过程,并通过现场试验结果验证模型的正确性,分析人工捣固作业对道床刚度及接触状态的影... 详细信息

为研究人工捣固作业对道床质量状态的作用机理,基于离散元与多体动力学耦合的建模方法,建立人工捣固装置-散体道床仿真模型,有效模拟工人的捣固作业过程,并通过现场试验结果验证模型的正确性,分析人工捣固作业对道床刚度及接触状态的影响。研究结果表明:人工捣固作业会使道床刚度降低,作业后支承刚度为101.85 kN/mm,降低了28.48%,回弹刚度为206.77 kN/mm,降低了9.02%;在捣入及振捣阶段,道砟间接触状态发生改变,同时轨枕下方与道砟颗粒的接触数目增多,有利于枕下空隙的填充;在撤镐阶段,道砟配位数逐渐增大,法向接触力分布趋向均匀,有利于道床的稳定;人工捣固作业有效减小了轨枕周边区域道砟间接触状态的差异。

关键词：有砟道床人工捣固装置离散元耦合算法接触状态

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三枕捣固装置激扰下有砟轨道振动传递及衰减特性试验研究

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铁道学报 2024年第3期46卷 21-31页

作者：张智海肖宏甘天成闫公甫迟义浩石柱北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044 中国铁路北京局集团有限公司大型养路机械运用检修段北京100071 中国铁路北京局集团有限公司提前介入管理办公室北京100038 北京市地铁运营有限公司线路分公司北京100082

大机非稳态捣固作业是新建铁路开通运营前的必备工序,目前尚无研究涉及三枕捣固装置激扰下有砟轨道的振动传递特性。针对此不足,选取某典型新建铁路,开展捣固作业过程中有砟轨道动力响应的现场大型原位试验,并在散体道床内部不同位置埋... 详细信息

大机非稳态捣固作业是新建铁路开通运营前的必备工序,目前尚无研究涉及三枕捣固装置激扰下有砟轨道的振动传递特性。针对此不足,选取某典型新建铁路,开展捣固作业过程中有砟轨道动力响应的现场大型原位试验,并在散体道床内部不同位置埋设自制的双轴振动加速度传感器,实现道床内部振动水平演变的实时监测。采用小波分析和快速傅里叶变换方法,从时域-频域角度探究了捣固作业过程中轨枕和道床的振动传递及衰减特征,对比分析不同捣固作业次数影响下有砟轨道的吸振能力和耗能特性。研究结果表明:捣固作业过程中存在典型的振动逆向传递现象,会降低道床的承载能力及稳定性;夹持阶段轨枕的主要响应频率为68.7 Hz,约为35 Hz捣镐固定振动频率的2倍;捣固作业过程中轨枕对不同方向振动的敏感程度存在显著差异,捣镐的横向振动分量会激发道床内部更加丰富的振动响应;第三次捣固作业过程中道床的振动水平较低,道砟颗粒破碎概率最小。因此建议在不改变捣固作业时间和其他捣固作业参数的条件下现场进行多次连续捣固作业时,作业次数不宜超过3次,以保证最佳捣固效果。

关键词：新建铁路捣固作业振动传递机制振动衰减捣固次数

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聚氨酯发泡道床离散元模型建立及力学特性分析

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铁道学报 2022年第6期44卷 84-91页

作者：肖宏吕亚鑫迟义浩北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

聚氨酯发泡道床是近年来提出的一种新型道床结构,该道床是在道砟空隙内填充聚氨酯柔性材料,与刚性的道砟颗粒相互作用而形成的一种轨道结构。针对其非连续、多种介质并存的结构特征,提出一种多元介质填充结构的离散元建模方法,首次实现... 详细信息

聚氨酯发泡道床是近年来提出的一种新型道床结构,该道床是在道砟空隙内填充聚氨酯柔性材料,与刚性的道砟颗粒相互作用而形成的一种轨道结构。针对其非连续、多种介质并存的结构特征,提出一种多元介质填充结构的离散元建模方法,首次实现离散元模型中刚柔介质的耦合。研究结果表明:与普通碎石道床相比,聚氨酯发泡道床具有良好的弹性,残余变形较小,有利于保持道床断面的几何形状;聚氨酯泡沫材料可有效减小道砟间的法向和切向接触力,从而有效减少道砟颗粒的挤压、摩擦作用;聚氨酯发泡道床道砟间接触力的分散性较小,受力比较均匀;聚氨酯发泡道床的刚度比普通碎石道床刚度减小40.67%~50.93%;聚氨酯发泡道床的最优固化宽度建议为80 cm,此时道床累积沉降最小、接触力最均匀。

关键词：聚氨酯发泡道床离散元模型多元介质刚柔耦合力学特性

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捣固稳定作业次数对新建铁路道床振动传递特性的影响

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振动与冲击 2023年第24期42卷 51-58,100页

作者：张智海肖宏王阳迟义浩北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044

新建铁路在开通运营前道床需进行多次捣固稳定作业以确保线路达到正常运营要求,但目前现场大机捣固稳定组合作业次数多以长期累积的实践经验为主,缺乏科学的理论依据。为研究DWL-48捣稳组合作业车对新建铁路道床动力特性的影响,开展了... 详细信息

新建铁路在开通运营前道床需进行多次捣固稳定作业以确保线路达到正常运营要求,但目前现场大机捣固稳定组合作业次数多以长期累积的实践经验为主,缺乏科学的理论依据。为研究DWL-48捣稳组合作业车对新建铁路道床动力特性的影响,开展了捣固稳定作业现场锤击试验,从时频域角度细致分析不同捣固稳定作业条件下道床的振动传递特性。研究结果表明:随着捣固次数的增大,道床纵向振动衰减率R13(轨枕1传递至轨枕3)逐渐增大,而道床纵向振动衰减率R12(轨枕1传递至轨枕2)呈先减小后增大的变化趋势,且在第二次捣固作业时道床纵向振动衰减率出现最小值30.73%;捣固作业次数主要改变了离激振源最近轨枕的第一共振频率;随着捣固稳定作业次数的增加,离激振源最近轨枕的第一共振频率呈先增大后减小再增大的变化趋势,在第二次捣固稳定作业后,第一共振频率出现极小值118.125 Hz。同一起道量条件下,仅考虑道床振动传递特性,建议新建铁路在进行多次捣固作业时应该将捣固次数控制在两次;综合考虑捣固稳定作业次数对道床纵向振动传递特性的影响,建议新建铁路应该进行两次捣固稳定作业较为合理。

关键词：新建铁路捣固作业次数捣固稳定作业次数振动传递频率响应

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基于DEM-MFBD-CFD方法的冰雪飞溅击打应答器力学研究

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振动与冲击 2023年第24期42卷 290-297页

作者：迟义浩肖宏郄录朝张智海路锟北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081 中国铁路兰州局集团有限公司兰州车辆段兰州730050

严寒地区冰雪飞溅问题对高速铁路运营安全性有直接影响,现场调研发现多处冰块脱落击打应答器的现象,而国内外对此研究尚未见文献报道。采用基于离散元-多柔性体动力学-计算流体力学(discrete element method-multi flexible body dynami... 详细信息

严寒地区冰雪飞溅问题对高速铁路运营安全性有直接影响,现场调研发现多处冰块脱落击打应答器的现象,而国内外对此研究尚未见文献报道。采用基于离散元-多柔性体动力学-计算流体力学(discrete element method-multi flexible body dynamics-computational fluid dynamics, DEM-MFBD-CFD)耦合分析法,建立车厢底板结冰脱落击打应答器模型,并借助风洞和现场试验结果,验证了模型的可靠性;基于建立的分析模型研究不同列车速度、风压变化、冰块质量等因素对应答器击打的受力影响。结果表明:应答器受到的最大应力随列车运行速度呈现幂函数增长关系,当行车速度增大到350 km/h时,最大应力达15.591 MPa,约为150 km/h时的3.5倍;且随冰块质量增加应答器最大应力呈现先迅速增加后缓慢增长趋势;当横风风速为5~20 m/s作用时,应答器表面所受到的最大应力相差不大,表明横风对冰雪击打应答器作用可忽略不计;为减小冰雪飞溅击打应答器危害,可采取除融雪手段、列车降速等措施。

关键词：冰雪飞溅离散单元法离散元-多柔性体动力学-计算流体力学(DEM-MFBD-CFD)耦合分析法应答器力学响应

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重载铁路道岔区钢轨冻结接头的现场试验与数值分析

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铁道科学与工程学报 2023年第6期20卷 2046-2056页

作者：刘光鹏肖宏张智海王阳迟义浩北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

重载铁路道岔与正线钢轨连接处需要一个位移限制作用强的接头,冻结接头恰好能够满足要求,但接头的存在破坏了钢轨的连续性,造成轮轨之间产生较大的动载冲击作用,长期作用下轨道结构易产生伤损病害。鉴于此,首先通过对运营现场服役过程... 详细信息

重载铁路道岔与正线钢轨连接处需要一个位移限制作用强的接头,冻结接头恰好能够满足要求,但接头的存在破坏了钢轨的连续性,造成轮轨之间产生较大的动载冲击作用,长期作用下轨道结构易产生伤损病害。鉴于此,首先通过对运营现场服役过程中的冻结接头进行大量的静态测试,分析接头平顺性的波形特点。其次,选取典型的病害接头进行列车动态试验,对其动态冲击特性进行现场实测。最后,通过有限元建立列车-钢轨接头三维耦合模型,对接头的维修标准进行研究。研究结果表明:长期服役过程中的冻结接头在轨缝附近易形成局部的低塌下凹不平顺;对这种凹接头进行动态行车测试后,接头轨缝左右两侧钢轨动位移在垂向空间存在一个明显的错台分布,迎轮侧钢轨的动位移要大于顺轮侧钢轨的动位移,当车轮驶过这种凹接头时易产生逆轮错牙冲击模式;从接头夹板的动弯应力来看,车轮在经过接头轨缝左右侧时分别产生了2次较大的冲击作用,驶过轨缝后产生的冲击作用更大;对重载车轮驶过接头的动态作用力进行分析得,运营现场冻结接头最大低塌深度应控制在0.5 mm以内。研究结果可为揭示冻结接头现场服役状态及维修加固措施提供一定的借鉴。

关键词：重载列车冻结接头现场试验数值模拟

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80 km/h速度条件下地铁隧道内轮轨及车内振动噪声关联性研究

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铁道标准设计 2022年第12期66卷 32-37页

作者：迟义浩肖宏时光明张智海北京交通大学土木工程国家级实验教学示范中心北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044 北京市地铁运营有限公司线路分公司北京100082

为探究地铁列车以80 km/h速度运营下,隧道内轮轨振动噪声与车内振动噪声的关联性,针对北京某地铁线路,利用压电式加速度计、噪声传感器、数据采集分析仪等设备开展系统的振动、噪声测试。从振动加速度时域、频域以及振动加速度级、铅垂... 详细信息

为探究地铁列车以80 km/h速度运营下,隧道内轮轨振动噪声与车内振动噪声的关联性,针对北京某地铁线路,利用压电式加速度计、噪声传感器、数据采集分析仪等设备开展系统的振动、噪声测试。从振动加速度时域、频域以及振动加速度级、铅垂向Z振级、累计百分之十Z振级、最大Z振级、等效连续A声级等角度对测试数据进行评估与分析,根据测试结果建立轮轨振动噪声与车内振动噪声的关联性。结果表明:车内振动加速度最大值约为道床的1/5;道床与车内的振动响应大致相同,两者的卓越频率均主要集中在300~350 Hz、500~700 Hz,1/3倍频程中心频率均集中在512 Hz附近;轨旁噪声比车内噪声高28~30 dB。

关键词：城市轨道交通轮轨振动噪声车内振动噪声关联性现场试验评价方法

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城乡融合发展背景下县域村庄分类方法探讨——以山东省招远市为例

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城市发展研究 2022年第8期29卷 28-37页

作者：陈有川段文婷迟义浩李鹏刘含山东建筑大学建筑城规学院山东省招远市国土资源储备利用中心

村庄分类是实施乡村振兴战略的基础性工作，也是推动城乡融合发展的重要抓手。在分析村庄分类实践面临问题的基础上，基于城乡融合发展背景细化完善《乡村振兴战略规划(2018-2022年)》中提出的村庄分类，建构由类型易判定村识别、剩余... 详细信息

村庄分类是实施乡村振兴战略的基础性工作，也是推动城乡融合发展的重要抓手。在分析村庄分类实践面临问题的基础上，基于城乡融合发展背景细化完善《乡村振兴战略规划(2018-2022年)》中提出的村庄分类，建构由类型易判定村识别、剩余村庄发展评价、村庄分类草案制定、分类草案空间合理性校核、村民意愿征求与村庄分类完善环节组成的村庄五步筛选分类法，提出了包含乡村振兴能力、建设投入积累、城镇化能力、闲置用地潜力等4个维度的村庄发展评价指标体系，并对山东省招远市乡村地区616个行政村进行了分类。实证研究表明，细化后的村庄类型及其分类方法对县域村庄分类实践具有指导价值。

关键词：村庄分类方法城乡融合发展村庄发展能力评价空间合理性校核招远市

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CDC-16道岔捣固车对有砟道床作业的宏细观力学行为的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第6期54卷 2338-2348页

作者：迟义浩肖宏张智海姜子清北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学轨道工程北京市重点实验室北京100044 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

道岔是实现列车转线的关键设备,是铁路轨道的三大薄弱环节之一,定期进行捣固养护作业是保障列车安全运营的重要手段。但目前针对道岔捣固作业主要依赖实践经验,缺乏理论依据。为研究捣固作业对道岔区有砟道床力学特性的影响,首先,基于DE... 详细信息

道岔是实现列车转线的关键设备,是铁路轨道的三大薄弱环节之一,定期进行捣固养护作业是保障列车安全运营的重要手段。但目前针对道岔捣固作业主要依赖实践经验,缺乏理论依据。为研究捣固作业对道岔区有砟道床力学特性的影响,首先,基于DEM-MBD耦合算法,建立CDC-16捣固车捣固装置-钢轨-轨枕-有砟道床仿真模型,实现道岔区捣固作业的有效模拟;其次,开展现场横向阻力试验,验证模型的正确性;最后,分析捣固作业前后道床阻力特性、轨枕竖向位移及道床支承刚度的变化规律,探讨捣固作业次数对有砟道床质量状态的影响。研究结果表明:捣固作业后道床横向阻力降低32.40%,纵向阻力降低28.13%,支承刚度降低86.23%;捣固作业不会改变枕侧、枕底和枕端3部分对纵横向阻力的贡献排序,但对枕侧区域的分担比影响最大;随着捣固次数增加,在一定范围内道床纵横向阻力和支承刚度提升较明显。综合考虑有砟道床质量状态、力学特性以及大机作业效率,建议对道岔区尖轨位置捣固作业以2~3次为宜。

关键词：道岔区有砟道床 DEM-MBD耦合算法宏细观力学特性捣固次数

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