楊 飛,鐘進軍,尤明熙,尹 峰

(1.中國鐵道科學研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所,北京 100081； 2.中國鐵路上海局集團有限公司工務(wù)處,上海 200071)

軌道不平順是輪軌系統(tǒng)的激擾源，是引起車輛振動和輪軌作用力的主要原因，不僅影響乘車舒適度，嚴重時危及行車安全，因此需對軌道不平順不良區(qū)段進行維修。大機搗固作業(yè)是有砟軌道線路施工周期最短、養(yǎng)修里程最長的日常維修工種之一[1]，逐漸成為鐵路有砟線路維修的最主要手段，建立周期修和狀態(tài)修相結(jié)合的大型養(yǎng)路機械線路養(yǎng)修模式，有利于制定合理的維修計劃，穩(wěn)定線路質(zhì)量[2]。為了及時掌握列車反復荷載作用下的軌道幾何形位狀態(tài)，各國鐵路管理部門都采用了現(xiàn)代軌檢車和計算機處理技術(shù)來監(jiān)測其變化情況[3]。 目前我國對大型搗固機械的作業(yè)質(zhì)量的動態(tài)評估僅規(guī)定了時間限制，即大型搗固機械作業(yè)后15 d內(nèi)，利用軌檢車來進行動態(tài)檢查評定，對于搗固作業(yè)周期的預(yù)測與決策已有相應(yīng)研究[4-5]，相應(yīng)的評價指標研究較少。

大型搗固機械對線路的維修質(zhì)量受搗固前的基床狀態(tài)、下?lián)v運動的頻率及振幅、夾持速度以及夾持力等很多因素影響[10，14]，由于大型搗固機械主要對線路的軌道幾何狀態(tài)進行修理，因此可以利用軌道幾何狀態(tài)的變化對大型搗固機械的作業(yè)質(zhì)量進行評價，目前已有研究表明高低、水平、三角坑等幾何參數(shù)受大機搗固影響較大。大機搗固作業(yè)主要用來成段地改善線路的軌道幾何不平順[7-8]，對軌道部件的影響較小，針對目前搗固作業(yè)搗固閾值及驗收評價管理粗放及不統(tǒng)一等現(xiàn)象，主要從軌道幾何狀態(tài)方面對大機搗固作業(yè)閾值、作業(yè)評價標準、評價方法等方面進行研究。

1 大機搗固作業(yè)指數(shù)的提出及變化規(guī)律研究

目前線路搗固計劃制定與搗固質(zhì)量評價主要以TQI為依據(jù)，而TQI是由7項軌道幾何參數(shù)的標準差之和計算得到，因此研究搗固前后軌道不平順各項參數(shù)的變化情況，以及各參數(shù)與TQI之間的關(guān)系，對利用TQI直接評判搗固作業(yè)是否合理有很重要的意義。

圖1～圖4是某區(qū)段搗固前后各單項標準差變化情況，可以看出，高低、三角坑、水平和軌向搗固后質(zhì)量均有改善，其中高低、三角坑、水平改善量較為明顯，在該區(qū)段內(nèi)軌向改善量較小。

圖1 搗固前后高低標準差對比

圖2 搗固前后三角坑標準差對比

圖3 搗固前后水平標準差對比

圖4 搗固前后軌向標準差對比

將軌道幾何各標準差分量與TQI進行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表1，高低、三角坑、水平項目與TQI的相關(guān)性較高，在0.9以上，軌向次之，軌距最低。

表1 TQI與各單項標準差相關(guān)系數(shù)

結(jié)合調(diào)研情況[11]，目前大機搗固作業(yè)特點有以下幾個方面：

(1)現(xiàn)場主要通過TQI指標來制定作業(yè)計劃；

(2)高低、三角坑、水平項目與TQI的相關(guān)性最高，且改善量程度較為明顯；

(3)軌向的改善量具有一定的離散性，有些地段并未做調(diào)整，軌向的改善量一般較?。?/p>

(4)大機搗固作業(yè)包括搗固和撥道，理論上可以既搗又撥，也可以只搗不撥。

基于以上特點，大機搗固的評價可采用搗固指數(shù)來評價垂向的搗固作業(yè)水平，撥道指數(shù)來評價橫向的撥道作業(yè)水平。搗固指數(shù)和撥道指數(shù)定義如下。

搗固指數(shù)

σ搗固=σ左高低+σ右高低+σ水平+σ三角坑

撥道指數(shù)

σ撥道=σ左軌向+σ右軌向

式中，σ左高低、σ右高低、σ水平、σ三角坑分別為左高低、右高低、水平、三角坑的200 m區(qū)段標準差；σ左軌向、σ右軌向分別為左軌向、右軌向的200 m區(qū)段標準差。

搗固指數(shù)和撥道指數(shù)分別為軌道質(zhì)量指數(shù)(為左高低、右高低、水平、三角坑、左軌向、右軌向、軌距的200 m區(qū)段標準差之和)的一部分，但其排除了軌距干擾項(大機搗固對軌距無改善)，且分別評判大機的垂向搗固和橫向撥道質(zhì)量，互不交叉，對作業(yè)控制、問題查找、人工補救等，都有更強的針對性。

但需要注意的是，當兩次檢測里程有所偏差時，直接利用軌檢車導出的TQI及單項標準差的計算會有一定的誤差，這個誤差主要是由于里程偏差帶來的區(qū)段不對應(yīng)造成的，因此當進行搗固指數(shù)和撥道指數(shù)計算時，需要先進行里程校準。如某既有線10月份軌檢車檢測里程與9月份相差75 m左右，檢測里程偏差造成的標準差最大誤差達到0.5 mm，如圖5所示，嚴重影響作業(yè)評價結(jié)果。因此，在進行評價之前，應(yīng)對里程進行修正，通過試算可知，當里程誤差修正到20 m誤差之內(nèi)，計算結(jié)果較為可信。

圖5 9月份和10月份結(jié)果對比

利用以上方法對某既有線2010年～2016年檢測數(shù)據(jù)進行跟蹤分析，部分區(qū)段的搗固指數(shù)時程如圖6所示。

圖6 某既有線K1332區(qū)段搗固指數(shù)時程

圖7 某既有線搗固指數(shù)劣化擬合曲線

從圖6可以看出，該線K1332區(qū)段在距離2010年8月第304、743、1158、1493天即2011年6月、2012年9月、2013年10月、2014年9月進行了搗固作業(yè)，搗固后搗固指數(shù)都有所下降，但下降量不盡相同，說明搗固確實能改善軌道垂向不平順質(zhì)量，但搗固質(zhì)量有所差異。每次搗固后，在無外界干擾的情況下(如換砟、清篩、路基整修等)，搗固指數(shù)隨時間會逐漸增大，劣化的趨勢較為接近，如圖7所示。搗固后搗固指數(shù)以相近的速率惡化，可以近似的用直線進行擬合，因此，在管理值一定的情況下，搗固的質(zhì)量決定了線路垂向不平順的保持時間，如果搗固質(zhì)量較高，搗固后的搗固指數(shù)處于較低的值，則線路需要維修的時間就會延長，經(jīng)濟效益就會提高。

采用同樣的方式對該線2010年～2016年部分區(qū)段撥道指數(shù)進行跟蹤分析，如圖8、圖9所示，發(fā)現(xiàn)并不是所有的搗固區(qū)段撥道指數(shù)都有明顯的下降，下降量也不盡相同，說明撥道水平有所差異。撥道之后，撥道指數(shù)隨時間會逐漸穩(wěn)定或緩慢增大，較搗固指數(shù)而言，撥道指數(shù)劣化趨勢較為平緩。因此，在管理值一定的情況下，撥道的質(zhì)量決定了線路橫向不平順的保持時間，如果撥道質(zhì)量較高，撥道后的撥道指數(shù)處于穩(wěn)定或降低到較低的值，則線路需要維修的時間就會延長，經(jīng)濟效益就會提高。

圖8 某既有線K1332、K1333、K1334區(qū)段撥道指數(shù)時程

圖9 某既有線K1334.4撥道指數(shù)劣化擬合曲線

2 大機搗固作業(yè)閾值研究

2.1 國外標準

歐洲國家也用軌道幾何標準差來指導大機搗固維修，并且很多國家僅僅采用高低標準差來指導大機搗固維修。UIC-518標準和歐洲標準EN13848-5[13]分別設(shè)置了高低和軌向三個軌道幾何形位標準差的等級，雖然名稱不同(UIC規(guī)定為QN1、QN2、QN3；EN規(guī)定為AL、IL、IAL)，但含義接近，其高低和軌向的檢測波長通常為3～25 m。規(guī)定如下。

QN1等級(AL-警告值)，該等級下按照常規(guī)制定的維護計劃對軌道幾何狀況去檢測和維修。

QN2等級(IL-干預(yù)值)，該等級下需要短期內(nèi)進行維護工作，以確保在下次檢測之前不至于達到限速值。

QN3等級(IAL-立即限速值)，該等級下不再可以維持既定的運行速度。

國外高低標準差、軌向標準差值對比和不同QN等級的分布標準見表2～表4。

表2 國外高低標準差值對比

表3 國外軌向標準差值對比

國外的研究認為軌道幾何質(zhì)量超過IL值到達到IAL值是不經(jīng)濟的，主要是因為超過IL值后，往往需要更多次的搗固作業(yè)，才能使線路恢復到初始的軌道幾何狀態(tài)，并且還會使得線路的惡化速率增大。

2.2 我國線路軌道不平順質(zhì)量分布情況

結(jié)合軌檢車數(shù)據(jù)，對我國的普速線路各速度區(qū)段軌道幾何標準差進行統(tǒng)計，其各速度區(qū)段累計分布率如表5所示，可以看出，我國普速線路的90%累計分布率值都未超過標準值。

表5 各速度級累計分布

2.3 大機搗固作業(yè)閾值的確定

經(jīng)過調(diào)研，我國3個鐵路局的大機搗固能力如表6所示。

表6 路局大機搗固維修能力調(diào)查

參考國外的搗固維修標準(歐洲國家線路質(zhì)量小于QN2的約占90%)，根據(jù)我國線路軌道不平順質(zhì)量分布情況以及路局的大機搗固能力(大約每年能夠維修20%的有砟線路)，建議我國目前既有普速線路的大機搗固作業(yè)閾值如表7所示。

表7 既有普速鐵路大機搗固作業(yè)閾值建議值 mm

3 大機搗固作業(yè)效果評價研究

3.1 搗固前線路狀態(tài)與搗固質(zhì)量的關(guān)系

(1)搗固指數(shù)

對2017年3條既有線路大機搗固區(qū)段作業(yè)前線路搗固指數(shù)與搗固作業(yè)后搗固指數(shù)的改善量進行統(tǒng)計分析，以其中某線為例，其分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 某既有線的搗固前線路搗固指數(shù)與改善量關(guān)系

由圖10可知，大機搗固垂向改善量的分布具有離散性，但絕大多數(shù)遵循搗固前線路搗固指數(shù)越高垂向軌道狀態(tài)改善量越大的趨勢。大機搗固作業(yè)并不能使所有的區(qū)段軌道狀態(tài)都向好的方向發(fā)展，仍有不少區(qū)段經(jīng)過大機搗固作業(yè)后軌道狀態(tài)會呈現(xiàn)變差的現(xiàn)象。對以上線路共計4 937個區(qū)段進行分析，共有1 149個區(qū)段經(jīng)過大機搗固作業(yè)軌道狀態(tài)未呈現(xiàn)改善情況，占總區(qū)段個數(shù)的23%，未改善區(qū)段、改善區(qū)段的統(tǒng)計結(jié)果和未改善區(qū)段所占百分比如圖11～圖13所示。

圖11 未改善區(qū)段的統(tǒng)計結(jié)果

圖12 改善區(qū)段統(tǒng)計結(jié)果

圖13 未改善區(qū)段所占百分比

從圖11計算可知，未改善區(qū)段主要集中在搗固前搗固指數(shù)小于4 mm和5 mm的區(qū)段里，占比分別達到91.2%和98.4%。從圖13可以看出，搗固前搗固指數(shù)小于2的區(qū)段，80%以上都未得到改善，對于搗固指數(shù)較小軌道狀態(tài)良好的區(qū)段，需要更加準確的測量和線形優(yōu)化技術(shù)來改善軌道狀態(tài)，因此，建議目前軌道狀態(tài)較好，搗固指數(shù)小于2的區(qū)段不進行大機搗固作業(yè)；搗固指數(shù)大于2的區(qū)段應(yīng)盡量保證作業(yè)質(zhì)量，提高改善率。

(2)撥道指數(shù)

同樣對大機搗固區(qū)段作業(yè)前線路撥道指數(shù)與作業(yè)后撥道指數(shù)的改善量進行分析，其分析結(jié)果見圖14。

圖14 某既有線撥道前線路撥道指數(shù)與改善量關(guān)系

從圖14可以看出，大機搗固橫向改善量的離散性更強，但也基本遵循搗固前線路撥道指數(shù)越高，橫向軌道狀態(tài)改善量越大的趨勢。并且，大機搗固作業(yè)并不能使所有的區(qū)段橫向軌道狀態(tài)都向好的方向發(fā)展，仍有不少區(qū)段經(jīng)過大機搗固作業(yè)后橫向軌道狀態(tài)會呈現(xiàn)變差的現(xiàn)象。通過分析，37%區(qū)段經(jīng)過大機搗固作業(yè)后軌道狀態(tài)未改善，未改善區(qū)段、改善區(qū)段的統(tǒng)計結(jié)果和未改善區(qū)段所占百分比如圖15～圖17所示。

圖15 未改善區(qū)段的統(tǒng)計結(jié)果

圖16 改善區(qū)段的統(tǒng)計結(jié)果

圖17 未改善區(qū)段的統(tǒng)計結(jié)果

從圖17可以看出，搗固前撥道指數(shù)小于1的區(qū)段，50%以上都未得到改善，說明對于撥道指數(shù)較小軌道狀態(tài)良好的區(qū)段，目前的大機搗固作業(yè)技術(shù)可能并不能滿足要求，需要更加準確的測量和線形優(yōu)化技術(shù)，因此建議目前軌道狀態(tài)較好，撥道指數(shù)小于1的區(qū)段最好不要進行大機搗固作業(yè)。撥道指數(shù)大于1的區(qū)段應(yīng)盡量保證作業(yè)的水平，提高改善率。

3.2 大機搗固模式與搗固質(zhì)量的關(guān)系

某鐵路局嘗試利用兩種模式對線路進行大機搗固作業(yè)，分別是舊模式兩次插鎬一遍的方式，和新模式2臺搗固并聯(lián)一次插鎬兩遍的方式，通過對兩種模式的搗固質(zhì)量進行分析，統(tǒng)計區(qū)段個數(shù)分別為舊模式107個和新模式120個，如圖18所示。

圖18 新舊搗固模式下?lián)v固前后改善量變化情況

可以看出，新模式2臺搗固并聯(lián)一次插鎬兩遍的方式的搗固質(zhì)量優(yōu)于舊模式，特別是在搗固前線路狀態(tài)特別不良的情況下，新模式的優(yōu)勢更加明顯，但是由于新模式需要2臺搗固車并聯(lián)，因此搗固效率低于舊模式。此外，搗固作業(yè)質(zhì)量還與搗固車的狀態(tài)、線路測量的準確性、道砟的狀態(tài)等有關(guān)。

3.3 評價方法的提出

大機搗固改善量的分布具有離散性，但絕大多數(shù)遵循搗固前線路搗固或撥道指數(shù)越高，軌道狀態(tài)改善量越大的趨勢，且搗固前后線路的搗固指數(shù)或撥道指數(shù)近似于線性關(guān)系，如圖19、圖20所示。

圖19 某既有線一搗固前后搗固指數(shù)擬合曲線

圖20 某既有線二搗固前后搗固指數(shù)擬合曲線

從圖19、圖20可以看出，雖然搗固前后線路的搗固或撥道指數(shù)近似于線性關(guān)系，但擬合線兩側(cè)仍有較寬的區(qū)間范圍，加上一些離散點的影響，導致擬合的相關(guān)性不高，用于線路搗固質(zhì)量的評判還需要進行處理，處理方法如下：

(1)首先計算數(shù)據(jù)的中位數(shù)；

(2)再計算數(shù)據(jù)的上四分位數(shù)(Q3)，中位數(shù)，下四分位數(shù)(Q1)；

(3) 計算四分位數(shù)差I(lǐng)QR，即上四分位數(shù)和下四分位數(shù)之間的差值(Q3-Q1)；

(4)計算數(shù)據(jù)的外限，即Q3+3IQR和Q1-3IQR，位于外限以外的數(shù)據(jù)被認為異常值，全部剔除；

(5)取Q3、Q1進行擬合，作為優(yōu)秀和良好、良好與合格的分界線。

利用以上方法，建立大機搗固作業(yè)前后搗固指數(shù)的評價圖，如圖21所示，共分為4個區(qū)間，分別為優(yōu)秀、良好、合格和不合格，借鑒目前的管理經(jīng)驗，對于搗固作業(yè)的區(qū)段，優(yōu)秀和良好的區(qū)段數(shù)應(yīng)占所有區(qū)段數(shù)的80%及以上，不合格區(qū)段數(shù)比重應(yīng)小于10%，認為本次搗固垂向作業(yè)質(zhì)量合格。

圖21 大機搗固作業(yè)前后搗固指數(shù)的評價

圖21中

A:y=x

B:y=0.791 5x+0.311 6，R2=0.931 3

C:y=0.569 9x+0.479 1，R2=0.841 4

同理建立大機搗固作業(yè)前后撥道指數(shù)的評價圖，如圖22所示，對于撥道作業(yè)的區(qū)段，優(yōu)秀和良好的區(qū)段數(shù)應(yīng)占所有區(qū)段數(shù)的80%及以上，不合格區(qū)段數(shù)比重應(yīng)小于10%，認為本次搗固橫向作業(yè)質(zhì)量合格。

圖22 大機搗固作業(yè)前后撥道指數(shù)的評價

圖22中

A:y=x

B:y=0.793 9x+0.193 5，R2=0.892 8

C:y=0.519 1x+0.347 9，R2=0.819 5

3.4 評價方法的應(yīng)用

利用某線路2017年大機搗固區(qū)段作業(yè)前后檢測數(shù)據(jù)進行計算，對搗固垂向作業(yè)質(zhì)量進行評價，大機搗固作業(yè)前后搗固指數(shù)評價如圖23所示。

圖23 某線路1大機搗固作業(yè)區(qū)段前后搗固指數(shù)評價

通過上述標準進行評價，對于搗固作業(yè)的區(qū)段，線路優(yōu)秀和良好的區(qū)段數(shù)占所有區(qū)段數(shù)的91%，不合格區(qū)段數(shù)占所有區(qū)段數(shù)的3%，本次搗固垂向作業(yè)質(zhì)量合格。

再利用另外一條線路下行2017年大機搗固作業(yè)前后檢測數(shù)據(jù)進行計算，對搗固垂向作業(yè)質(zhì)量進行評價，搗固前后搗固指數(shù)分布如圖24所示。

圖24 某線路2大機搗固作業(yè)前后搗固指數(shù)評價

通過評判標準可知，對于搗固作業(yè)的區(qū)段，此線路優(yōu)秀和良好的區(qū)段數(shù)占所有區(qū)段數(shù)的67%，不合格區(qū)段數(shù)占所有區(qū)段數(shù)的12%，此線路本次搗固垂向作業(yè)質(zhì)量不合格，建議紅色以上區(qū)段再次搗固以保證搗固作業(yè)質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)分析我國現(xiàn)行普速線路大機搗固計劃的制定依據(jù)與評價方法，研究軌道不平順各參數(shù)搗固前后的變化情況，以及與軌道質(zhì)量指數(shù)之間關(guān)系，提出包含搗固指數(shù)和撥道指數(shù)的大機搗固作業(yè)指數(shù)，并對搗固指數(shù)和撥道指數(shù)的變化規(guī)律進行研究。

(2)借鑒國外搗固維修標準，結(jié)合我國線路軌道不平順質(zhì)量分布情況和軌道不平順質(zhì)量指數(shù)管理標準，提出大機搗固作業(yè)閾值。

(3)通過搗固前線路狀態(tài)與搗固質(zhì)量的關(guān)系以及大機搗固模式與搗固質(zhì)量的關(guān)系等的研究，提出大機搗固評價方法，并進行現(xiàn)場應(yīng)用分析，可為評價現(xiàn)場大機作業(yè)效果提供依據(jù)。