基于参数优化的电动道砟整形机工作装置改进及其对提高线路维修效率的作用

《Eng》：Improvement of the Working Body of the Electric Ballasting Machine Based on Parametric Optimization to Increase the Efficiency of the Track Repair Akbope Karsakova, Aida Orazalina, Kyrmyzy Balabekova, Bartosz Wieczorec and Moldir Batyrbek

　　

铁路轨道维护与维修的效率在很大程度上取决于轨道机械在载荷持续增大及作业时间窗口受限条件下的工艺生产率与可靠性。在此背景下，道砟整形机械工作装置的改进是提升维修与线路作业效率的重要方向。本文围绕电动道砟整形机工作装置的改进展开研究，采用参数优化方法，以提升线路维修效率为目标。研究人员分析了对道砟再分配质量、能耗以及与道砟棱体相互作用时应力–应变状态影响最大的工作装置几何参数与工艺参数。研究构建了工作装置参数化模型，从而能够开展数值模拟并识别最敏感的设计参数，包括叶片几何形状、安装角度、切入深度以及运行工况。基于优化结果，论文提出了一种设计方案，该方案可实现更均匀的载荷分布、降低峰值应力，并改善道砟棱体成形质量。所得结果表明，电动道砟整形机的运行生产率得到提高。所提出方法与轨道机械机队优化方法学相衔接，因为单机效率的提升有助于减少停机时间、提高作业计划准确性，并增强基于铁路线路状态预测的轨道养护系统运行效率。

该文发表于《Eng》，聚焦于铁路线路维修装备中电动道砟整形机（ELB-4S）工作装置的结构优化问题，核心目标是在既有机型不整体更换的前提下，通过参数化设计与数值优化提高道砟整形质量、降低应力集中并提升线路维修效率。研究背景在于哈萨克斯坦铁路网络规模大、运输强度持续上升、过境运输增长明显，而基础设施老化、轨道病害增多、维修“天窗”时间有限，导致轨道机械的可靠性与作业效率成为制约维修体系运行的关键因素。现有国际研究更多集中于捣固、清筛和控制自动化等方向，对道砟整形设备，尤其是电动道砟整形机工作装置几何层面的参数优化关注不足。文中进一步指出，在哈萨克斯坦轨道机械中，ELB-4S的可利用系数相对偏低，这意味着其停机和失效更容易影响维修流程连续性，因此有必要从工作装置设计层面开展改进研究。

研究人员首先结合哈萨克斯坦铁路运输发展、轨道机械保有量及设备运用现状，说明电动道砟整形机在道砟棱体形成、轨道抬升、整形与稳定作业中的关键作用。随后，围绕ELB-4S在现场运行中的典型问题展开分析，指出其工作和支承滚轮、导向部件易受碎石污染，进而导致摩擦阻力增大、液压驱动负荷上升、定位精度下降以及维护频次增加。研究认为，这一系列问题与工作装置特别是侧铲叶片的结构形式密切相关。叶片的厚度、安装角、几何外形和切削边曲率会直接影响其与道砟介质的相互作用状态，进而影响道砟分布均匀性、能量消耗、磨损水平和结构受力安全。基于这一认识，论文将叶片作为优化对象，通过参数化建模识别控制结构响应的关键设计变量，并在满足强度条件的前提下寻找较优参数组合。

方法上，研究人员在ANSYS Workbench 2023 R2平台上建立ELB-4S叶片参数化几何模型，选取厚度、角度及相关几何变量作为设计变量，并以09G2S钢作为材料。采用有限元方法（FEM，有限元分析方法）评估工作装置在道砟载荷作用下的应力–应变状态，载荷以均布压力形式表征道砟自重阻力，利用von Mises等效应力作为强度评价指标。为提高优化效率，研究引入中心复合设计（CCD，Central Composite Design）与Kriging代理模型构建响应面，以替代大规模全因子有限元扫描。文中给出的比较显示，对于4个变量、每个5个水平的参数组合，直接有限元全因子分析需625次计算，而CCD仅需26个设计点，显著降低了计算成本。研究对象为ELB-4S叶片结构，现场验证在真实碎石道床线路维修作业条件下完成。

研究结果部分具有较清晰的层次。
在“Results”部分中，首先通过响应面分析表明，叶片参数变化会显著影响最大等效应力。图示分析显示，厚度微小变化即可引起应力明显变化，而叶片角度变化对应力也具有重要影响。进一步的定量敏感性分析给出了各参数对最大等效应力的归一化敏感度排序，结果表明α与β两个倾角参数的影响最为突出，厚度参数则主要体现为对结构刚度的稳定化作用。由此可见，工作装置叶片的安装与倾斜角是决定应力–应变状态的主导因素。

在“Selecting and adjustment of optimization criteria”对应结果中，研究人员以强度约束为优化准则，在DesignXplorer模块中得到3组候选参数组合（Candidate Points）。其中，Candidate Point 1对应的参数为t₁ = 7.16 mm，t₂ = 14.80 mm，α = 29.60°，β = 7.990°，其最大Mises等效应力为195.47 MPa，为三组方案中最低。Candidate Point 2与Candidate Point 3的最大应力分别提高2.09%与1.61%。据此，论文确定Candidate Point 1为最优方案，并在工程取整后建议采用t₁ = 7 mm，t₂ = 14 mm，α = 30°，β = 8°的优化几何参数。该结果说明，在不改变材料种类与基本制造工艺的情况下，仅通过几何参数优化即可实现工作装置受力状态改善。

在“Blade finite element mesh”与相关建模结果中，论文还说明了有限元网格、载荷建模及模型有效性。研究采用适应几何和受力特征的有限元网格，并进行了收敛性检查，细化网格前后最大von Mises应力差异不超过5%，说明数值结果具有较好的稳定性。应力分布呈现典型悬臂板弯曲主导特征，最大等效应力低于09G2S钢屈服强度，表明优化方案在工作载荷下能够保持弹性工作状态。总变形与位移场分析亦支持该结论。

在“Field validation”相关结果中，研究人员制作了基于最优参数组合的09G2S钢试制叶片，并将其安装在ELB-4S电动道砟整形机上，在线路既有维修作业条件下开展现场验证。监测内容包括叶片几何稳定性、切削刃磨损形态、裂纹或局部损伤情况以及作业过程中的整体运行表现。结果表明，在试验周期内未观察到结构失效或异常磨损，叶片几何形状保持稳定，现场运行表现与有限元预测一致。虽然文中说明未进行直接应力实测，但运行观察支持优化设计具备实际可用性，并能够改善道砟整形过程。

从论文讨论内容看，研究结果与既有国际轨道机械现代化研究并不矛盾，而是在研究对象和方法路径上有所拓展。既往文献证明，通过结构改造、控制自动化和客观检测技术，可提升捣固机、清筛机等装备的可靠性与工艺稳定性；而本文则将关注点转向道砟整形设备工作装置，强调叶片几何优化是提高ELB-4S运行效率、降低能耗和减轻磨损的有效途径。论文指出，该方案的工程经济可行性较好，因为其不需要改变材料牌号，也不要求引入新的制造技术，实施成本主要体现在尺寸调整层面，同时有望通过延长使用寿命、降低维护频次和提高设备可利用率带来全寿命周期收益。讨论部分同时承认，当前载荷模型将真实离散道砟介质简化为均布压力，属于工程一阶近似，适用于参数比较与优化，不等同于颗粒尺度模拟；后续研究可进一步发展DEM–FEM耦合或瞬态动力学模型，以纳入颗粒离散性、冲击与振动效应。

就研究意义而言，该文从轨道维修装备现代化的现实需求出发，针对电动道砟整形机工作装置这一长期研究不足但工程影响显著的部件，提出了“参数化建模—有限元分析—响应面优化—现场验证”的完整技术路线。该路线既可用于单机工作装置的结构改进，也可服务于更高层级的轨道机械机队规划，因为单机可利用率和作业稳定性的提升将直接改善维修“天窗”组织、减少非计划停机并提升线路状态维护效率。研究结论对于老旧轨道机械的低成本升级改造具有现实参考价值。

作者在结论部分指出：本研究对elb-4s电动道砟整形机工作装置开展了基于参数化有限元方法（FEM）的优化。结果证实，叶片倾角是控制其应力–应变状态的最关键参数。优化后的设计降低了等效应力，并保证结构在工作载荷下处于弹性运行状态。所提出的方法可用于道砟整形机械的进一步现代化改进，并可通过提升设备可利用率而整合进机队层面的规划与管理之中。