現(xiàn)代道砟清篩機60年發(fā)展歷程

1 研究背景

1.1 有砟軌道的歷史演變

在1830年前后，鐵路建設(shè)開始采用更易使軌距維持穩(wěn)定的平底形鋼軌加木制橫梁的鐵道結(jié)構(gòu)，這也是沿用至今的現(xiàn)代鐵道基本形態(tài)。此后幾年進行的其他類型軌道形態(tài)建設(shè)實驗都未發(fā)現(xiàn)更佳的結(jié)構(gòu)。在1870年以前，木枕的使用壽命通常只有3～5年，在排水不暢的條件下還會縮短。1865年左右，采用雜酚油等物質(zhì)對木枕進行處理后，木枕的使用壽命大幅延長到30年甚至更長；其中，橡木和山毛櫸木時至今日一直都是枕木的理想材料。

鐵路行業(yè)從業(yè)者發(fā)現(xiàn)，將顆粒類的材料填充到線路區(qū)域內(nèi)可以確保線路維持水平狀態(tài)并發(fā)揮其正常的功能；這些材料被鏟入壓實，填充在木梁和地基結(jié)構(gòu)之間。這種做法的有效性表明在軌枕下方放置現(xiàn)成的、價格合理且使用方便的道砟材料，可以方便地制成道床。通常，鐵路建設(shè)所在地的采石場是鐵路道砟的主要來源。

隨著時間的推移和經(jīng)驗的積累，鐵路專家們不斷推動有砟鐵路建設(shè)技術(shù)發(fā)展，研究范圍涵蓋從有砟軌道的材料選擇到與施工方相關(guān)的法規(guī)和規(guī)范各方面。時至今日，道砟的尺寸和形狀受到各種規(guī)范的約束；這些規(guī)范大都不約而同地強調(diào)，道砟的選材應(yīng)為致密且略呈立方體形狀的石頭，而不是扁平的或邊緣鋒利的石頭。此外，規(guī)范的范圍還包括石材密度，以及道砟抗磨損、抗凍融能力的最低要求。

1.2 有砟道床的建設(shè)需求

有砟道床應(yīng)為軌道提供足夠的錨固力和橫向阻尼，以抵抗橫向力。因此，需要使用足夠的道砟填充在道床周圍，鋪滿軌道，直到軌枕兩側(cè)邊緣也被道砟掩埋。

有砟軌道的一個特殊優(yōu)點是安全可靠的排水性能。干燥的道床和逐層建造的軌道結(jié)構(gòu)是確保軌道的幾何形狀具有足夠耐久度的2個重要先決條件，現(xiàn)代多層有砟道床結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。此外，線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)必須設(shè)有一定的坡度，以便水可以流入鐵路的排水渠。道砟的透水性是保證軌道結(jié)構(gòu)干燥的必要條件之一，它可以確保軌道能夠長期可靠地吸收靜態(tài)和動態(tài)載荷沖擊而不會發(fā)生任何形變。

圖1 現(xiàn)代多層有砟道床結(jié)構(gòu)示意

2 有砟軌道相關(guān)基礎(chǔ)研究

2.1 有砟道床狀態(tài)變化規(guī)律

有砟道床是由許多一定尺寸的粗粒材料構(gòu)成的。由于道砟受到道砟層厚度和道砟自體尺度間的比例關(guān)系的影響，不能忽略道砟固體的類型和各自的顆粒度，而簡單將其描述為“均質(zhì)固體”。另外，因為道砟層是位于枕木和線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的相對薄層，所以影響道砟材料的另一個因素是道砟的位置。

計算機技術(shù)的發(fā)展推動對道砟這一中間層的系統(tǒng)研究。多年來進行的基礎(chǔ)研究和經(jīng)驗積累增強了從業(yè)者對有砟道床狀態(tài)變化及其問題本質(zhì)的理解。

克盧加爾（Klugar）是第一位使用現(xiàn)代研究方法分析有砟道床形變的學(xué)者。他的研究主要涉及道砟在反復(fù)加載時的長期變化，以及“軌道的初期沉降”現(xiàn)象。后者主要描述在初期施加載荷期間軌道立即沉降2～5 mm的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象是在加載載荷后，道砟之間接觸面積發(fā)生的變化所致。由于道砟間接觸點的表面積很小，道砟的邊緣處會受到非常高的局部壓力，導(dǎo)致快速磨損。當(dāng)施加的載荷逐漸增加時，由于石塊之間的相互作用力進一步發(fā)生變化，軌道再次發(fā)生沉降，直到反作用力與施加于線路上的力相當(dāng)，線路狀態(tài)變化才趨于穩(wěn)定。這種狀態(tài)變化規(guī)律在很大程度上取決于所用道砟的類型、尺寸和分布位置。因此，根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖姆N類設(shè)置固定的道砟篩選機制十分重要。克盧加爾和其他學(xué)者進行的研究表明，有砟道床顆粒結(jié)構(gòu)的密度取決于混合石材的顆粒大小和對其施加的法向力。但當(dāng)載荷超過一定限度時，道砟會發(fā)生不可逆的塑性變形。

施耐德（Schneider）研究破碎石材的動態(tài)彈性模量，探索在人工施加高頻振動時道砟的相移反應(yīng)。費舍爾（Fisher）進行的基礎(chǔ)研究表明振動頻率和振幅參數(shù)對搗固耐久性的影響；這套理論成為現(xiàn)代搗固裝置設(shè)計和設(shè)置的基礎(chǔ)，可以確保道砟實現(xiàn)最佳的壓實效果。歐洲鐵路研究院（ERRI）的前身ORE，在1965年?—?1990年間進行廣泛而深入的相關(guān)研究，形成多種“ORE報告”；ERRI 也在同一領(lǐng)域進行研究并發(fā)表過類似的報告。

多年來，專家們假設(shè)，載荷沖擊通過有砟道床以大約45°的擴散角被引導(dǎo)到地基上，并在傳遞過程中逐漸減小。近年來對混凝土軌枕下道砟的分析表明這一長期存在的假設(shè)存在問題。過去5年間，奧地利和其他國家使用現(xiàn)代測量設(shè)備進行的實驗得出結(jié)論：載荷沖擊會以更集中的方式撞擊地基，擴散角僅為17～20°，這意味著地基所承受的壓力比之前預(yù)計的要大得多。

盡管學(xué)術(shù)界在大約40年前就曾討論過使用模擬仿真的方法更好地了解道砟的狀態(tài)變化規(guī)律，但這種研究直到近年來計算機技術(shù)發(fā)展壯大后才成功開展。其中，部分學(xué)者開始研究基于計算機生成有砟道床模型的方法，建立的仿真模型如圖2所示。現(xiàn)在，可以逐個部件地描繪有砟道床并設(shè)定和模擬各種不同的相互接觸條件。建模仿真結(jié)果在很大程度上證實既往所獲得的經(jīng)驗，例如使用不同尺寸的道砟的重要性。

圖2 有砟道床動態(tài)仿真模型

道砟與混凝土軌枕底部的接觸面夾在巖石和堅硬表面之間。隨著軌枕下墊層概念的引入，大約在1990年，這一特殊問題得到成功解決?；炷淋壵砗偷理闹g采用中間彈塑性層可以擴大道砟的接觸面積，從而擴大力從軌枕傳遞到有砟道床的接觸區(qū)域，從而更平緩地傳遞載荷。這可以顯著減少道砟磨損，延長有砟道床清篩間隔。

2.2 有砟軌道線路結(jié)構(gòu)

在過去的幾十年里，高速鐵路的誕生和擴張表明鐵路技術(shù)取得長足的進步。法國國家鐵路公司（SNCF）創(chuàng)下574.8 km/h的“世界速度記錄”。這一速度創(chuàng)造于有砟道床的線路上，表明這種類型的軌道在具有較高成本效益的同時也可以提供很高的精度?；炷淋壵淼膹V泛使用可能是促成因素之一；以目前的技術(shù)形式來看，它們已取代隨時間進展容易劣化的易損部件。此外，它們還具有不會收縮或拉伸的優(yōu)勢。總體來看，軌道建設(shè)和維護從人工到機械化的完全過渡是有砟軌道能夠滿足速度與安全性能最高要求的主要原因。

3 通過載荷對道砟的影響

3.1 道砟承重與磨損原理

由于容易磨損的特點，現(xiàn)代有砟線路和有砟道床需要經(jīng)常保養(yǎng)。組合在一起的道砟形成具有各種接觸點的結(jié)構(gòu)，這些接觸點將火車通過時施加的輪軌間作用力傳遞到線下結(jié)構(gòu)。除確?；疖囆旭傆谲壍郎现猓挥谲囕喓偷理闹g的鋼軌還負責(zé)在縱向方向分配垂向力；它們將各點的接觸力縱向分散施加在軌枕上，從而減少施加在單位道砟上的壓力。

總地來說，軌道是一個將力分布開來的承重系統(tǒng)。一定的軌道彈性對于安全地分配這些力是必不可少的。經(jīng)驗表明，建議在20 t軸重下配用1.2～1.5 mm的彈性模量。

有砟道床的高度進一步分散垂向力，在理想情況下，作用在下部結(jié)構(gòu)上的力必須低于其特定的承載能力，垂向載荷在線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的分布如圖3所示。這樣其線下結(jié)構(gòu)可以長期承擔(dān)這些載荷而不會不斷增加形變量。

圖3 垂向載荷在線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的分布

有砟道床的組成成分決定作用力如何穿過道床。如前文所述，道砟的邊緣和點的接觸表面積非常小，因此會受到非常高的局部壓強。反復(fù)變化的壓力會導(dǎo)致道砟磨損，這會增加接觸表面積，進而導(dǎo)致道砟上的局部壓強減小。這種機制體現(xiàn)在接觸表面區(qū)域?qū)植繅毫Φ倪m應(yīng)過程中軌道出現(xiàn)的幾毫米沉降。

通過透明面板對有砟道床進行觀察的實驗表明，道砟的邊緣斷裂方式與雨水從道砟結(jié)構(gòu)中緩緩流過的路徑有相似性。在充分預(yù)緊且達到平衡的有砟道床上，道砟的邊緣不會以前文所描述的那種方式斷裂，并且?guī)缀醪粫杏晁芜^。對這種狀態(tài)變化的大量測量分析表明，當(dāng)新線路初始承受載荷時，軌道會迅速沉降；經(jīng)過幾個載荷循環(huán)后，軌道的沉降速度會大幅降低。

3.2 道砟粉化

碎裂的材料會通過道砟之間的空腔滑落下來，自下而上依次填充道砟之間的空間，如圖4所示。這些被粉末填滿的空間會在降低道床透水能力的同時減弱道砟之間的摩擦，從而削弱有砟道床的承載能力，損害軌道正常幾何形狀，最終威脅軌道穩(wěn)定性。另外，留在有砟道床中的水會充當(dāng)降低道砟之間摩擦的潤滑劑，使道砟軟化。

圖4 破碎的道砟通過道砟之間的空腔向下滴流至底部（藍線位置）

其他類型的有砟道床粉化板結(jié)也會帶來類似的后果。當(dāng)線下結(jié)構(gòu)不夠堅固時，例如，當(dāng)?shù)来矇簩嵅涣蓟蚱渲写嬖谖磁懦龅姆e水時，細粒材料會與水混合并變成泥漿，出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象，覆蓋住道砟。在火車通過時，軌道交替往復(fù)地被垂直向壓低和再次抬升；這種作用會導(dǎo)致道砟自下而上地粉化板結(jié)。此外，風(fēng)可能會將灰塵和沙子吹入有砟道床內(nèi)，導(dǎo)致植被在有砟道床空隙內(nèi)生長。被運輸?shù)牟牧?，如沙子、石灰石、谷物等也可能從貨車上掉下來，嵌入軌道空隙，?dǎo)致道砟被污染而板結(jié)。這通常發(fā)生在貨車未正確鎖定車廂或超載時，涉及采礦和工業(yè)運輸用途的鐵路經(jīng)常出現(xiàn)這種情況。

4 道砟狀況評估

當(dāng)線路無法保持良好的幾何形態(tài)時，及時檢查軌道的道砟和線下結(jié)構(gòu)的狀態(tài)是解決問題的方向。作為粉化板結(jié)的一種形式，舊道砟中有害的細顆粒所占的份額決定整個道砟床的實際質(zhì)量。當(dāng)?shù)理闹械募氼w粒過多時，它就可能弱化路基的排水機能，導(dǎo)致線路中的水不能及時排出，繼續(xù)加劇道砟粉化進程。在這種情況下，細碎粉化的道砟所占的百分比（以占總樣本重量的百分比表示）超過交付驗收技術(shù)條款中約定的限值時，可用22.4 mm正方形篩網(wǎng)篩分細粒，以確保細粉化道砟占比低于規(guī)定標準。

學(xué)者們嘗試通過實驗的方法量化并確定這些細小顆粒的大小和數(shù)量的閾值限制。ERRI 最終確定一個經(jīng)過驗證的判別基準：即當(dāng)細顆粒的份額大于或等于 30%時，需要及時進行有砟道床的清篩。檢查軌道道砟和線下結(jié)構(gòu)的主要方法有3種。

4.1 目視檢查

目視檢查是確定何時需要進行道砟清篩的最常用方法。第一步是使用道砟鏟或道砟耙等工具撥開頂部大約10 cm厚的道砟層。如果道砟檢查人員在道砟之間的孔隙中看到細小的或有粘性的材料，就可以進一步向下挖掘，提取出延伸到線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以上的道砟，以大致了解道砟粉化的程度及其空間分布。

道床中夯實區(qū)域的粉化指標是需要明確注意的，因為它們承擔(dān)大部分的通過載荷，并且這部分道砟通常有較高比例的粉化。其原因可歸咎于載荷引起的應(yīng)力及其在有砟道床中的分散傳遞模式。具有最大剪力的有砟道床部分位于軌枕底部的正下方。

長期以來，專家們一直在努力研究通過標準車輛軌跡記錄數(shù)據(jù)來評估是否需要清潔道床的方法。大部分研究集中于對反復(fù)出現(xiàn)的軌道幾何形態(tài)超差的時間間隔的評估以及縱向軌道水平性變化的周期性。永久道床變形的表現(xiàn)形式是不對稱的軌道幾何形狀。有砟道床（和線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)薄弱的狀態(tài)可能表現(xiàn)為軌道縱向長波長范圍的水平性超差。但是，依靠目視檢查的方法評估道砟狀態(tài)需要大量的實際經(jīng)驗和專業(yè)知識支撐，并且在精確度上不完全可靠。

4.2 分形分析

分形分析的出現(xiàn)為評估軌道幾何形態(tài)質(zhì)量提供了一種革命性的方法。它讓科學(xué)家將軌道垂向不平

順變位定位到特定的波長范圍內(nèi)，并將特定的故障特征與相應(yīng)的圖像相關(guān)聯(lián)，如圖5所示。中波長范圍 （3～25 m） 的不平順變位往往可提供有關(guān)道砟狀況的信息，而長波長范圍 （大于25 m） 的不平順則提供有關(guān)道床和線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間過渡區(qū)域的狀況信息。通過分析這些信息可以判斷線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀況和承載能力。因此，在無需依賴額外測量工具的前提下，分形分析可以通過對記錄的軌道幾何數(shù)據(jù)進行詳細分析，從而評估軌道的道砟和下部結(jié)構(gòu)狀況。它已經(jīng)在歐洲的幾個國家得到采用，并已取得豐碩的成果。

圖5 分形分析識別測量信號的主要波長范圍

4.3 地質(zhì)雷達

大約30年前，地質(zhì)雷達的檢測方法開始應(yīng)用到道砟檢測中。這種非破壞性的診斷方法可以分析厚度達4 m的道床。地質(zhì)雷達可通過獲取道砟層粉化程度的清晰圖像來直接判定是否需要進行線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)修復(fù)或進行有砟道床的清篩。

5 有砟道床清篩專用機械

5.1 早期的道砟清篩機

有砟道床清篩是指對道砟進行挖掘、篩分，將尺寸小于20 mm的道砟丟棄的過程。最初，道砟的清篩是人工進行的，但很快實現(xiàn)了機械化；大約100年前，為道砟清篩而制造的首臺專用機械出現(xiàn)。

20世紀20年代，第一臺用于清篩道砟的機器，被稱為“路肩清潔器”的專用設(shè)備出現(xiàn)在美國。當(dāng)時的基本假設(shè)認為路基不需對整個軌道區(qū)域進行排水，只需具備從側(cè)面排水的功能；這項技術(shù)基于此而開發(fā)應(yīng)用。另外，對路肩的道砟進行清篩在當(dāng)時是公認的作法，收集路肩道砟并去除粉化變質(zhì)的細顆粒即可保證有砟道床發(fā)揮正常功能。然而，對于粉化嚴重的有砟道床，這種機器所使用的清篩方法只能提供短期的改善。

在20世紀30年代，能夠清篩整個有砟道床，包括軌道中心區(qū)域的機器被開發(fā)出來。這些機械可以借助履帶、導(dǎo)軌或直接使用作業(yè)區(qū)域的軌道線路行駛。

從1945 年起，瑞士的馬蒂沙公司（MATISA）進一步開發(fā)道砟清篩技術(shù)。當(dāng)時，使用伸入軌枕下方的道砟挖掘鏈來進行道砟傳送是最先進的技術(shù)。相關(guān)機械用道砟鏟將收集的道砟運送到位于機器頂部附近的篩選單元；去除細小顆粒后，將干凈的道砟重新插入機器后部的軌枕下方；添加新道砟后，再對軌道進行夯實和找平，以恢復(fù)軌道幾何形態(tài)。在大多數(shù)情況下，廢棄的細道砟材料在軌道旁邊堆放并平整，或用于農(nóng)業(yè)等較低等級的道路建設(shè)。在可以根據(jù)石頭大小自動分離道砟材料的現(xiàn)代機械技術(shù)出現(xiàn)后，任何廢棄的道砟材料都可被轉(zhuǎn)移到堆放場，后續(xù)用于其他目的或廢棄填埋。

5.2 首臺全液壓道砟清篩機

首臺道砟清篩機配備工作用機電驅(qū)動裝置，但是沒有自己的走行驅(qū)動裝置。因此，需要將用于推進的軌道車與機械連掛，由絞盤機構(gòu)提供所需的進給速度。然而，當(dāng)時的電力驅(qū)動系統(tǒng)并不可靠，使得這些機器的輸出功率都不大。

1961年，奧地利的普拉塞·陶依爾公司（Plasser& Theurer）開發(fā)出第一臺現(xiàn)代道砟清篩機的原型機RM 61，如圖6所示，它裝備有自己的走行驅(qū)動裝置。

圖6 具有技術(shù)里程碑意義的首臺全液壓式道床清篩機

RM 61是首臺全液壓道砟清篩機。它最大的優(yōu)勢是可以通過液壓系統(tǒng)更好地連續(xù)調(diào)整作用在道砟挖掘鏈上的力以適應(yīng)阻力，因而具備更高的操作可靠性。這種特性大幅提升工作速度，減少因機器壓力過大而中止作業(yè)的問題。以RM 61為開端，普拉塞.陶依爾公司開始長達60年的持續(xù)的專用機械技術(shù)開發(fā)和積累，最終構(gòu)筑出今天高度復(fù)雜的專業(yè)機器系統(tǒng)。

6 結(jié)語

從鐵路誕生之日起，有砟軌道就是一種值得信賴的軌道結(jié)構(gòu)。隨著軌道道床服役時間的增加，有砟道床清篩變得越來越重要?，F(xiàn)代道砟清篩機基于現(xiàn)實需求而誕生并發(fā)展，在有砟軌道的維護和對道砟的處理中發(fā)揮著重要作用。著眼于現(xiàn)代道砟清潔技術(shù)及相關(guān)機械的發(fā)展歷程，研究者將繼續(xù)推動道砟清篩機技術(shù)的發(fā)展，通過科學(xué)部署與技術(shù)革新實現(xiàn)更高質(zhì)量的清篩工作。