基于軌道平順性的既有線路軌道維修養護研究

摘要：為研究基于軌道平順性的鐵路軌道精搗作業的優化方法以及優化后效果，提出基于中長波平順性的精搗起撥量優化算法。以塞拉利昂慶華鐵路港口公司鐵路線路恢復工程為例，選取兩段需要進行精搗作業改善有砟軌道平順性的線路區間，分別采用傳統精搗作業方法和精搗起撥量優化算法，從高低不平順和軌向不平順兩個角度，驗證精搗起撥量優化算法對軌道高低不平順的控制效果。研究結果顯示，對于應用精搗起撥量優化算法的精搗作業工點，高低不平順和軌向不平順的改善效果，都明顯優于傳統精搗作業方法。

關鍵詞：軌道維修；精搗作業；優化算法；軌道平順性

0" "引言

隨著我國鐵路事業的快速發展，大規模的貨運和客運對鐵路線路基礎設施提出了了越來越高的要求。通過線路養護使既有鐵路保持良好的工作狀態，是保證鐵路正常運營的關鍵。作為鐵路的最基礎的結構之一，軌道是與列車之間發生直接接觸的結構物。列車荷載具有很強的復雜性與很大隨機性，軌道在長期承受列車荷載的工作的過程中，往往會產生殘余變形的積累，由此造成其逐漸偏離初始位置，導致軌道不平順發生。

軌道不平順則會導致在列車經過時發生較為嚴重的振動，影響列車的安全性以及旅客的舒適性。同時，軌道不平順的情況下，列車與軌道的作用將進一步加劇軌道的劣化。線路安全運行對軌道的平順性要求很高，為此對發生軌道不平順的軌道進行維修，以控制軌道幾何狀態非常重要。近年來，通過大型機械對軌道進行精確維修，成為控制軌道幾何形態、降低軌道不平順性的重要手段[1]。本文對鐵路線路工程維護中的精搗作業進行了介紹，提出基于中長波平順性的精搗起撥量優化算法。

1" "精搗起撥量優化模型

1.1" " 精搗作業體系分析

搗固是改善有砟軌道平順性的關鍵環節，為保證該工作的高效性，常需要多機械多部門進行配合作業。精搗綜合作業的工作流程，依次為軌道線路測量、精搗方案優化、搗固車搗固、動態穩定、配砟車補砟、收尾與驗收。具體流程如下：首先，通過軌道快速測量車對有砟軌道進行精確測量，全方位測量軌道的幾何數據，生成準確的軌道位置數據，將其與最初的設計數據進行比較，得到軌道目前產生的位置偏差，以便確定搗固方案。其次，基于上一環節中得到的數據，參考規范制定搗固方案。再次，依據搗固方案，嚴格按照標準化程序進行作業，確保搗固完成后的搗固效果達到預期。然后，配砟車在搗固完成后跟進作業，保證配砟均勻、石砟充足。最后，在完成作業后要進行收尾與驗收工作，對線路進行動靜態平順性檢測工作，再次進行線路測量，確保線路滿足要求。

1.2" " 波長對行車性能的影響

列車荷載具有很強的復雜性與很大隨機性，軌道在承受列車荷載產生的隨機波波長分布也較為廣泛，隨著列車速度的提高，中長波不平順對列車的影響逐漸加大。根據已有的研究成果以及鐵路養護維修習慣，確定高速鐵路軌向、高低不平順檢測弦長為10m、30m、300m，普通鐵路軌向、高低不平順檢測弦長為10m、30m、60m。

通過計算，得到10m弦有效控制的波長范圍為6.65～20m，30m弦有效控制的波長范圍為0～60m，60m弦有效控制的波長范圍為40～120m，300m弦有效控制的波長范圍為200～600m。

根據張雨瀟[2]的研究可知，不同行車速度下軌道不平順波長與行車性能之間的關系如圖1所示。從圖1可以看出，當列車行駛速度為80km/h時，軌道不平順的敏感波長約為30m。當列車行駛速度為120km/h時，軌道不平順的敏感波長約為40m。當列車行駛速度為160km/h時，軌道不平順的敏感波長約為50m。因此可以確定，列車行駛速度為160km/h的情況下，對應的軌道不平順的敏感波長處于60m弦有效控制的波長范圍之內，普通鐵路的長波軌向、高低不平順檢測弦長為60m。

1.3" " 基于平順性的精搗調整量優化算法

搗固車是消除有砟軌道不平順的關鍵設備，在進行鐵路養護作業時，可根據是否提前輸入人為制定的搗固方案，將其作業模式分為“盲搗作業”和“精搗作業”。

在“精搗作業”的作業模式下，人為輸入的起撥道方案就顯得至關重要，直接影響搗固效果。在實際施工中，有時會直接將有砟軌道的測量數據與設計位置的差值作為起撥量，由此導致調整量過大。精搗作業時，通常會采取軟件自動計算與人工調整結合的方法，依靠人工的修正避免軟件算法的失誤，但這種方法會大大降低工作效率。由此看來，對精搗作業的算法進行優化研究有著重要的實際意義[3]。

本文提出的優化算法，以中長波不平順控制理論為基礎，結合不平順檢測模型及基礎單元分組調整策略，實現了線路精搗調整量的計算。具體的步驟（見圖2）如下：通過中點弦矢距法構建不平順檢測模型，得到對應的基準弦長。采用最長基準弦逐點移動的方式，選取基礎單元逐一優化調整。各基礎單元優化組內可根據中長波平順性需求，采用不同弦長及不同檢測模型，對軌向不平順和高低不平順進行優化，實現對不同波段的軌道不平順控制。將方案輸入搗固車的控制系統中，完成精搗作業，討論搗后的線路平順性參數的改善效果。

2" "工程實例驗證

2.1" " 工程概況

本文以塞拉利昂慶華鐵路港口公司鐵路線路恢復工程為例進行論述。塞拉利昂慶華鐵路港口公司鐵路，全長約230km，正線全長為192km。本工程主要的工作內容包括道岔維護、道口恢復、線路測量與幾何尺寸調整、配砟整形、焊縫探傷、道砟補充、道砟清篩、換軌及更換軌枕、應力放散及鎖定、補充和更換扣配件等工作。

選取兩段需要進行精搗作業，以改善有砟軌道平順性的線路區間。一段采用精搗起撥量優化算法，另一段采用傳統方法，分別進行精搗作業，從高低和軌向不平順兩個角度，驗證精搗起撥量優化算法在精搗作業中對軌道高低不平順的控制效果。

2.2" " 高低不平順

采用精搗起撥量優化算法進行精搗作業的線路區間，采用300m的弦中點矢距進行計算。軌道縱斷面偏差對比結果如圖3所示，線路矢高變化如圖4所示。

從圖3a和圖4a可以看出，未采用優化算法進行作業時，進行精搗作業后，在高程上有一定改善的效果，但效果有限，未能達到預期目標，高程波動的程度和幅值仍較高。同時，搗固后線路矢高也未出現明顯下降，幅值與搗固前基本一致。

從圖3b和圖4b可以看出，采用優化算法進行作業時，進行精搗作業后，在高程上有明顯的改善效果，高程波動的幅值明顯降低，軌道的高低平順性得到了顯著提高，線路的起伏情況與未采用優化算法進行作業相比有明顯優勢。同時，搗固后線路矢高也出現明顯下降，幅值降低了40%，與未采用優化算法進行作業相比，幅值的降低值明顯增大。

2.3" " 軌向不平順

采用精搗起撥量優化算法進行精搗作業的線路區間，采用300m的弦中點矢距進行計算。線路軌向變化情況如圖5所示，線路軌向矢高變化如圖6所示。

從圖5a和圖6a可以看出，未采用優化算法進行作業時，進行精搗作業后，軌道平面狀態一定改善的效果，但效果有限，平面偏差的波動依然較大，甚至有位置出現與偏差方向相反的趨勢，未能達到預期目標。同時，搗固后線路矢高也未出現明顯下降，幅值與搗固前基本一致。

從5b和圖6b可以看出，采用優化算法進行作業時，進行精搗作業后，線路波動的幅值明顯降低，軌道的軌向平順性得到了顯著提高，線路的軌向平順性與未采用優化算法進行作業相比有明顯改善。同時，搗固后矢高也出現明顯下降，幅值降低了62.5%，趨于向偏小值分布。

3" "結語

本文以塞拉利昂慶華鐵路港口公司鐵路線路恢復工程為例，選取兩段需要進行精搗作業改善有砟軌道平順性的線路區間，分別使用傳統精搗作業方法和精搗起撥量優化算法，從高低不平順和軌向不平順兩個角度，驗證精搗起撥量優化算法在精搗作業中對軌道高低不平順的控制效果。研究結果顯示，對于應用精搗起撥量優化算法的精搗作業工點，高低不平順和軌向不平順的改善效果，都明顯優于傳統精搗作業方法。

參考文獻

[1] 王鵬. 既有鐵路軌道線形及搗固方案優化方法研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[2] 張雨瀟. 基于平順性的有砟軌道精搗方案優化及效果評價[D].北京：北京交通大學，2021.

[3] 陳海軍. 既有線有砟軌道優化線形算法研究及其軟件研制[D].成都：西南交通大學，2013.