2021年，北京交通大學(xué)（以下簡稱“北交大”）土木建筑工程學(xué)院本科畢業(yè)的遲義浩同學(xué)以全學(xué)院第一的優(yōu)異成績保送本校，直接攻讀道路與鐵道工程專業(yè)博士學(xué)位。求學(xué)路上，他深入鐵路一線，破解工程難題，在實(shí)踐中不斷練就過硬本領(lǐng)。

降服“大機(jī)搗固”

為了提前適應(yīng)研究生學(xué)習(xí)，2021年7月，遲義浩申請加入導(dǎo)師肖宏教授的一個國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。他和師兄一起來到中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，這里主要進(jìn)行車輛的養(yǎng)護(hù)、維修工作。在調(diào)研中，工作人員提到了一個困擾他們多年的工作難題：如何提高大機(jī)搗固作業(yè)的效率？

什么是大機(jī)搗固？為了解決鐵路在長期行駛中出現(xiàn)的鋼軌及軌枕水平高度參差不齊的情況，保證列車日常運(yùn)輸?shù)陌踩\(yùn)行，同時也為了提高旅客的舒適度，在鐵路線路新線施工和既有線大中修清篩作業(yè)后，會通過大型養(yǎng)路機(jī)械（搗固車）定期對線路進(jìn)行一次重要的維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)——大機(jī)搗固。這種做法能提高鐵路道床道砟（用來鋪設(shè)鐵路路基的石子）的密實(shí)度，從而增加軌道的穩(wěn)定性，消除軌道方向和前后高低等偏差，使軌道線路達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和維修規(guī)則的要求。

但在實(shí)際施工中，養(yǎng)護(hù)師傅常感到工作效率低下，雖然每次都嚴(yán)格按搗固車設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行搗固，但質(zhì)量評估員在進(jìn)行質(zhì)量回檢時，總能發(fā)現(xiàn)軌道面仍存在高低不平的起伏現(xiàn)象。為此，養(yǎng)護(hù)師傅又得加班返工，再次對已完成搗固的一整條線路進(jìn)行檢查并處理問題。

為了弄清原因，遲義浩向維修人員請教了“大機(jī)搗固”的工作原理。搗固車主要是利用成對高頻振動的搗鎬（一套有16個）來進(jìn)行自動抄平、起撥道、道碴搗固等作業(yè)。當(dāng)搗鎬同時插入軌枕兩側(cè)后，在規(guī)定的深度位置，通過高頻振動和偏心軸搖擺振動原理，道砟被穩(wěn)定地?fù)v入軌枕的縫隙下。通過道砟的流動、聚集和重組，提高道床道砟的密實(shí)度，從而起到穩(wěn)定起撥道后軌道的位置、提高道床緩沖能力、消除某些線路病害等作用。

搗固可是個技術(shù)活。據(jù)師傅介紹，搗鎬振動頻率通常分為快、中、慢3檔，如果搗得太快，容易把道砟震碎；太慢，道砟的擠壓勁兒小，就會比較松散，可能達(dá)不到搗固要求。有人說：“那干脆折中，采用中檔，麻煩不就全解決了？”事實(shí)并非如此，由于道路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的區(qū)域需要用快檔搗固，有的只要中檔就可以；有的區(qū)域搗固一次就可以了，有的要反復(fù)搗固幾次才能密實(shí)"。所以，搗固設(shè)備不止有3個檔位，還有加速力頻率、駕駛時間等多個控制參數(shù)，一切都要根據(jù)實(shí)際情況選擇。目前，大機(jī)搗固作業(yè)主要靠人的經(jīng)驗(yàn)判斷，即便經(jīng)驗(yàn)豐富的師傅，也難免會有出錯之時。

不光影響工作效率，師傅們更擔(dān)心鋼軌上出現(xiàn)“三角坑”現(xiàn)象。正常情況下，鐵路鋼軌的兩側(cè)應(yīng)是規(guī)整的?？捎械膸煾翟谧鳂I(yè)后發(fā)現(xiàn)，被搗固的一側(cè)軌枕確實(shí)變得更堅實(shí)了，但另一側(cè)的軌枕下卻出現(xiàn)了松動。因此，從鋼軌的縱向平面上看，凹凸不平的軌道面和中間的平面就形成了一個“三角坑”。

與汽車不同，鐵路機(jī)車的轉(zhuǎn)向是在轉(zhuǎn)向架上完成的，因而車輪應(yīng)始終保持在同一平面上。當(dāng)軌道出現(xiàn)“三角坑”后，機(jī)車在轉(zhuǎn)向時，就可能會出現(xiàn)受力不均勻的情況，只有3個車輪支撐機(jī)車，有1個車輪碰不到鋼軌。時間長了，機(jī)車就會出現(xiàn)金屬疲勞，導(dǎo)致儀器精度受損。輕則在車輛行駛中出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象，極少數(shù)嚴(yán)重情況下，甚至?xí)l(fā)生翻車。

當(dāng)聽完工人反映的情況后，遲義浩和師兄想，可以通過建立離散元——多柔性體耦合（指兩個或兩個以上的體系或兩種運(yùn)動形式通過相互作用而彼此影響的現(xiàn)象）動力學(xué)的方式，實(shí)現(xiàn)大機(jī)搗固作業(yè)的精細(xì)化模擬，通過仿真分析搗固作業(yè)主要參數(shù)，探究搗鎬在不同頻率、時間、次數(shù)下的作業(yè)情況，評估道床質(zhì)量狀態(tài)變化過程，進(jìn)而優(yōu)化搗固參數(shù)。

要想較為全面地了解搗固后道床的質(zhì)量狀態(tài)，必須收集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對。遲義浩了解到，利用現(xiàn)有的測試設(shè)備和手段，檢測到一組搗固數(shù)據(jù)通常需要兩三個小時，而且還要四五個人協(xié)作完成。為了提高效率，他和師兄采用非接觸測量的方法，通過專門的相機(jī)設(shè)備攝錄整個大機(jī)搗固的過程，再將數(shù)據(jù)傳回電腦，進(jìn)行精細(xì)的分析比對，進(jìn)而對各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

2021年10月和2022年7月，遲義浩和項(xiàng)目組的同學(xué)在導(dǎo)師的幫助與指導(dǎo)下，多次前往大機(jī)搗固作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，來驗(yàn)證模擬仿真方案的可行性。他們在搗固車上安裝了一個振動加速度的傳感器，通過讀取振動數(shù)據(jù)來推斷道床狀態(tài)，再根據(jù)不同的道床狀況，選擇適合的搗固參數(shù)。

白天，在轟鳴如雷、灰塵四起的施工現(xiàn)場，遲義浩不間斷進(jìn)行著仿真模擬計算。晚上，等工人干完活休息時，他又馬不停蹄地檢測、評估這種方法的效果。最忙碌時，他3天只睡了5個小時。作業(yè)中，幾乎每天都會出現(xiàn)新問題，遲義浩不急不躁，見招拆招。一天下大雨，原本采集順暢的儀器突然就不靈了，一通檢查后發(fā)現(xiàn)是傳感器壞了。這搗固車不像高鐵是全封閉的，下雨時，雨水順著車頂棚斜滲下來，導(dǎo)致傳感器進(jìn)水。有了這次的教訓(xùn)，遲義浩將傳感器安裝到車底的轉(zhuǎn)向架上。這回雨是淋不著了，可又有新情況：火車車底板上都有一個圓型的塑料件，被稱為沖擊吸收器，它主要是起減振作用的。當(dāng)傳感器移過去后，原本設(shè)置好的參數(shù)受到影響，又得重新調(diào)整。

經(jīng)過1年多的測試與仿真實(shí)驗(yàn)，遲義浩和項(xiàng)目組的同學(xué)們不斷深化大機(jī)搗固研究，為有砟軌道的安全運(yùn)營及養(yǎng)護(hù)維修提供了有力的技術(shù)指導(dǎo)。目前，相關(guān)參數(shù)仍在繼續(xù)優(yōu)化中。

等一場雪

隨著我國“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的扎實(shí)推進(jìn)，高速鐵路在東北、新疆北部等寒冷地區(qū)也逐漸建設(shè)發(fā)展。2020年12月26日，銀川至西安的銀西高鐵開通，寧夏自此接入全國高鐵網(wǎng)絡(luò)。2021年，國鐵集團(tuán)立項(xiàng)重點(diǎn)課題，研究嚴(yán)重影響嚴(yán)寒地區(qū)高速有砟鐵路運(yùn)營安全的冰雪飛濺問題，探究冰雪飛濺的機(jī)理、影響因素及防治措施等。由中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司牽頭，聯(lián)合中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司和北京交通大學(xué)共同開展研究。高寒地區(qū)的冬季經(jīng)常會出現(xiàn)低溫冰雪天氣，在雪天運(yùn)行的列車，其車體及車底的轉(zhuǎn)向架上常常裹滿了積雪、積冰。但當(dāng)列車行進(jìn)到相對溫暖的地區(qū)時，積冰便開始融化并逐漸掉落。當(dāng)高鐵的速度達(dá)到350"km/h時，就意味著融冰將以100"m/s左右的速度砸向道床。如此巨大的沖擊力會使道床上的道砟四處飛濺，有的道砟會砸到信號機(jī)、應(yīng)答器，有的能彈到沿鐵路線上空為列車輸送電力而架設(shè)的接觸網(wǎng)上，有的甚至能飛到高鐵外防護(hù)網(wǎng)上，對行人造成威脅這嚴(yán)重影響了高鐵的運(yùn)行效率及行車安全。

2022年1月，項(xiàng)目一開題，遲義浩就和鐵科院的工作人員前往蘭州鐵路局進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研。當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T向他們介紹情況時，提到最多的就是其管轄范圍內(nèi)的銀西等高鐵線路已出現(xiàn)了多處冰塊脫落致使道砟擊打應(yīng)答器，嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備的現(xiàn)象。作為監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)的信號設(shè)備，應(yīng)答器被安裝在鋼軌中間的軌枕上。當(dāng)有列車經(jīng)過時，它能實(shí)時捕捉列車信號，并把數(shù)據(jù)傳送到控制室。一旦應(yīng)答器出現(xiàn)故障，動車組司機(jī)不能及時接收線路信息，就可能出現(xiàn)“斷網(wǎng)”，造成列車晚點(diǎn)甚至停運(yùn)。

針對冰雪飛濺的問題，目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在對軌道結(jié)構(gòu)和車體的影響上，對應(yīng)答器產(chǎn)生影響的文獻(xiàn)報道較少，缺乏對列車高速運(yùn)行下冰塊脫落致使道砟擊打應(yīng)答器的量化認(rèn)識，更無法科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修。所以只要下雪，一般就采取降速運(yùn)營的辦法。實(shí)際上，在保證列車安全性和運(yùn)營效率的前提下，列車速度是否必須降低，還是能夠維持到200"km/h甚至更高？

遲義浩請工作人員提供了在銀西高鐵線上運(yùn)營的主要車型、列車時速及軌道結(jié)構(gòu)的參數(shù)。最終，他選定以銀西高鐵上主要運(yùn)行的CRH380B型動車組列車為例，構(gòu)建了高速列車——有砟軌道冰雪飛濺精細(xì)化仿真模型。

2022年1月的一天，時刻關(guān)注銀川天氣的遲義浩等來了一場期盼已久的大雪。但不湊巧的是，此時遲義浩正在北京進(jìn)行另一項(xiàng)有關(guān)地鐵振動噪聲的研究課題，因?yàn)闄z測任務(wù)不能間斷，他無法脫身，只能委托家在甘肅的師兄趕到位于銀川市郊的銀川動車所。

每天0點(diǎn)至4點(diǎn)是動車檢修時段，在車庫里，師兄拍攝了許多珍貴的現(xiàn)場照片，許多車輛的底部確實(shí)結(jié)了厚厚的冰，車輛底部、側(cè)面都有被道砟擊打的痕跡，就連保護(hù)車輪的塑料裙帶也被砸得坑坑洼洼。有了冰雪天氣下行車速度、橫風(fēng)條件、冰塊質(zhì)量等的真實(shí)數(shù)據(jù)，遲義浩建立的車廂底板結(jié)冰脫落致使道砟擊打應(yīng)答器的仿真模型越來越精確。

經(jīng)過1年半的努力，遲義浩建立了基于離散元——多柔性體動力學(xué)——流體力學(xué)耦合的冰雪飛濺仿真模型，實(shí)現(xiàn)了冰雪飛濺全過程的精細(xì)化模擬，探究出列車運(yùn)行速度是誘發(fā)冰雪條件下道砟飛濺的主要影響因素之一。他指出，隨著列車運(yùn)行速度提高，飛濺道砟數(shù)量顯著增加。道砟飛濺擊打列車底板的臨界速度為250"km/h。當(dāng)行車速度從150"km/h提升至350"km/h"時，飛濺道砟數(shù)量從1個最多增至16個。而當(dāng)行車速度為150"km/h和200"km/h時，未發(fā)生因道砟飛濺造成列車底板受擊打現(xiàn)象。基于此，遲義浩建議在冰雪天氣嚴(yán)重的高鐵線上，為減少道砟飛濺擊打車體底部，在不采取任何防治融冰脫落措施的條件下，運(yùn)營速度應(yīng)低于200"km/h。這份建議稿和解決方案獲得了相關(guān)單位的認(rèn)可，并在列車實(shí)際運(yùn)營中加以采納。

“京城守夜人”

這天23點(diǎn)32分，北京地鐵6號線結(jié)束了一天的運(yùn)營。半小時后，遲義浩和幾名項(xiàng)目組的同學(xué)出現(xiàn)在“青年路”站站臺上。只見大家熟練地?fù)Q上厚厚的絕緣鞋，套上反光馬甲，扛著足有20公斤重的檢測儀器，走進(jìn)了幽深的地鐵隧道

一行人的目的地是分布在地鐵6號線軌道上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，他們要完成一項(xiàng)有關(guān)地鐵減振降噪治理項(xiàng)目的檢查測試服務(wù)。來到實(shí)驗(yàn)點(diǎn)后，同學(xué)們快速安裝設(shè)備，測試接收信號，確保設(shè)備能夠正常工作。這樣一來，當(dāng)白天有列車經(jīng)過時，傳感器就能采集到軌道上的變化數(shù)據(jù)。第二天晚上，同學(xué)會將傳感器拆下來，取回里面的數(shù)據(jù)拿到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析、研究。

北京地鐵6號線，被認(rèn)為是在行駛過程中產(chǎn)生噪音和振動最嚴(yán)重的線路之一。與轟鳴聲成正比的是車內(nèi)的顛簸，每當(dāng)噪音嚴(yán)重時，車內(nèi)顛簸也比較嚴(yán)重，這極大影響了乘客的舒適感。不僅如此，生活在6號線沿線的居民，尤其是一些上了年紀(jì)的老人，也反映地鐵的振動噪音影響了他們的日常作息。

地鐵的振動噪音到底是怎么形成的？遲義浩解釋，地鐵車輪和鋼軌接觸的踏面上哪怕有微米級的表面不平順，都會通過輪軌接觸使兩者產(chǎn)生振動。在密閉的隧道中，噪音無法快速向外傳播或衰減，就會向車廂內(nèi)傳播。在地鐵運(yùn)行期間，列車每隔幾分鐘就會經(jīng)過軌道一次。沉重的壓力經(jīng)年累月作用在軌道上，使得輪軌粗糙度變大，隨之產(chǎn)生的振動噪音也變得越來越大。

當(dāng)?shù)罔F列車的車輪和鋼軌匹配程度不好，比如不同品牌的列車輪軌其踏面不同，不同生產(chǎn)廠商的軌道標(biāo)準(zhǔn)也不同，車輛與線路存在非常復(fù)雜的耦合作用關(guān)系，就會造成異常波磨（“波浪型磨損”的簡稱，主要指鋼軌頂面出現(xiàn)的波浪狀不均勻磨耗，是鋼軌磨耗的主要形式之一）。異常波磨不僅會加劇輪軌之間的振動，也會加劇噪聲的產(chǎn)生。

此外，地鐵噪音也有線路設(shè)計的原因。地鐵在城市中穿梭，設(shè)計了很多曲線路段，這容易產(chǎn)生鋼軌波磨。而當(dāng)列車通過曲線路段時，很容易激發(fā)車輪跟鋼軌橫向方向的振動模態(tài)，這時就像喇叭一樣，形成了顯著的聲輻射。當(dāng)?shù)罔F通過道岔（列車從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備）時，因?yàn)榈啦韰^(qū)的線路不連續(xù)性，也容易產(chǎn)生車輛橫向運(yùn)動和輪軌沖擊噪音。波磨還會導(dǎo)致車輛螺栓松動、扣件彈條斷裂和道床傷損等，甚至損傷列車構(gòu)架和車體。

傳統(tǒng)的檢修方式是當(dāng)?shù)罔F結(jié)束運(yùn)行后，由維護(hù)人員進(jìn)行拉網(wǎng)式排查，再對鋼軌和車輪的粗糙處進(jìn)行打磨或削平。這種檢修方式不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且屬于事后檢修，往往在軌道結(jié)構(gòu)件發(fā)生明顯改變時才能發(fā)現(xiàn)問題。如果能把事后檢修變成事前預(yù)防，就能降低對人力的依賴程度。

從2016年起，北交大土建工程學(xué)院承接了北京地鐵關(guān)于城市軌道交通安全監(jiān)測技術(shù)研究與示范的項(xiàng)目。遲義浩大四保研后，也順理成章加入到項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中。針對地鐵噪音的問題，他們想利用傳感器盡可能多地收集鐵軌波形變化的數(shù)據(jù)，再通過人工智能的深度學(xué)習(xí)，計算鋼軌波磨的演變過程，做地鐵鋼軌的全壽命檢測，對鋼軌未來的磨損情況進(jìn)行預(yù)測。

直到深入地鐵軌道后，遲義浩才發(fā)現(xiàn)，其軌道結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，同一段區(qū)間內(nèi)可能就有四五種不同型號的軌道結(jié)構(gòu)。不同類型的軌道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)各不相同，他只能根據(jù)具體情況逐個分析。

“工作時間挺緊張的。”遲義浩說。北京地鐵末班車一般在23點(diǎn)30分左右結(jié)束運(yùn)營。如今隨著人流量的增大，為應(yīng)對不同客流需求和特殊情況，經(jīng)常會采取延長運(yùn)營時間的措施。有一次因?yàn)榈罔F凌晨1點(diǎn)多才停運(yùn)，遲義浩他們等到1：30才被允許下隧道工作。北京地鐵首班車約在凌晨5點(diǎn)左右發(fā)出，為確保運(yùn)行安全，地鐵公司會提前1個小時先運(yùn)行一趟實(shí)驗(yàn)列車，這意味著同學(xué)們必須要在4點(diǎn)前結(jié)束工作。

在不到4小時的時間里，小組要完成一整個區(qū)間（地鐵一站）的檢測任務(wù)。地鐵一站地約為1公里，想測得精準(zhǔn)，設(shè)備的移動速度最好別超過1米/秒。拉著儀器好不容易走上一個來回后，才只檢測了一側(cè)鋼軌的數(shù)據(jù)。他們還要繼續(xù)完成另一側(cè)鋼軌的檢測。如此算下來，一晚上至少得走4公里路?！敖^緣鞋很硬，走久了，腳后跟能疼一天?！边t義浩說。夜間地鐵停運(yùn)后，空調(diào)關(guān)閉了，隧道里溫度普遍比外面高5-10℃，拖著幾十斤重的儀器暴走幾小時，全身濕透是常有的事。有天晚上，因?yàn)榫€路中有一站暫緩開通，他們足足在黑黢黢的隧道里檢測了兩個區(qū)間，走了8公里。

從2021年進(jìn)入地鐵減振項(xiàng)目，遲義浩平均每個月都要下地鐵10次左右。因?yàn)楸O(jiān)測連貫性的需要，他們的工作不能間斷。日常辛苦自不在話下，就連寒暑假，項(xiàng)目組的同學(xué)也只能輪流休假。遲義浩已經(jīng)連續(xù)3年沒在家過元宵節(jié)了，“暑假長一點(diǎn)兒，能陪爸媽待上兩周?！边t義浩說，大家笑稱自己是“京城守夜人”。

2017年，剛讀大一的遲義浩曾對自己的專業(yè)感到彷徨。按照學(xué)校的政策，如果成績能達(dá)到全院前5%，就可以不用參加考試直接轉(zhuǎn)專業(yè)。他為此拼命學(xué)習(xí)，一舉拿下全院專業(yè)第一。明明可以選擇心儀的計算機(jī)專業(yè)了，遲義浩卻猶豫了。2016年，國務(wù)院印發(fā)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016-2025年），提出中國鐵路2035年、2050年發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)，描繪了新時代中國鐵路發(fā)展的美好藍(lán)圖。經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通先行。在日常的學(xué)習(xí)、生活中，遲義浩深刻感受到國家加快建設(shè)交通強(qiáng)國的決心和力度。自己所在的北交大鐵道工程專業(yè)不僅是國家級重點(diǎn)學(xué)科，也在“軟科世界一流學(xué)科排名”中多次排名世界第一?！拔抑幌肜^續(xù)站在世界第一的肩膀上，延伸祖國的鐵路線?！被貞浧甬?dāng)時的轉(zhuǎn)變，遲義浩的臉上仍難掩自豪之情。

2024年3月，第十八屆“大學(xué)生年度人物”推選展示活動結(jié)果進(jìn)行公示，遲義浩入選“大學(xué)生年度人物”提名候選人名單。

責(zé)任編輯：刁雅琴