现代道砟清筛机60年发展历程

1 研究背景

1.1 有砟轨道的历史演变

在1830年前后，铁路建设开始采用更易使轨距维持稳定的平底形钢轨加木制横梁的铁道结构，这也是沿用至今的现代铁道基本形态。此后几年进行的其他类型轨道形态建设实验都未发现更佳的结构。在1870年以前，木枕的使用寿命通常只有3～5年，在排水不畅的条件下还会缩短。1865年左右，采用杂酚油等物质对木枕进行处理后，木枕的使用寿命大幅延长到30年甚至更长；其中，橡木和山毛榉木时至今日一直都是枕木的理想材料。

铁路行业从业者发现，将颗粒类的材料填充到线路区域内可以确保线路维持水平状态并发挥其正常的功能；这些材料被铲入压实，填充在木梁和地基结构之间。这种做法的有效性表明在轨枕下方放置现成的、价格合理且使用方便的道砟材料，可以方便地制成道床。通常，铁路建设所在地的采石场是铁路道砟的主要来源。

随着时间的推移和经验的积累，铁路专家们不断推动有砟铁路建设技术发展，研究范围涵盖从有砟轨道的材料选择到与施工方相关的法规和规范各方面。时至今日，道砟的尺寸和形状受到各种规范的约束；这些规范大都不约而同地强调，道砟的选材应为致密且略呈立方体形状的石头，而不是扁平的或边缘锋利的石头。此外，规范的范围还包括石材密度，以及道砟抗磨损、抗冻融能力的最低要求。

1.2 有砟道床的建设需求

有砟道床应为轨道提供足够的锚固力和横向阻尼，以抵抗横向力。因此，需要使用足够的道砟填充在道床周围，铺满轨道，直到轨枕两侧边缘也被道砟掩埋。

有砟轨道的一个特殊优点是安全可靠的排水性能。干燥的道床和逐层建造的轨道结构是确保轨道的几何形状具有足够耐久度的2个重要先决条件，现代多层有砟道床结构示意如图1所示。此外，线下基础结构必须设有一定的坡度，以便水可以流入铁路的排水渠。道砟的透水性是保证轨道结构干燥的必要条件之一，它可以确保轨道能够长期可靠地吸收静态和动态载荷冲击而不会发生任何形变。

图1 现代多层有砟道床结构示意

2 有砟轨道相关基础研究

2.1 有砟道床状态变化规律

有砟道床是由许多一定尺寸的粗粒材料构成的。由于道砟受到道砟层厚度和道砟自体尺度间的比例关系的影响，不能忽略道砟固体的类型和各自的颗粒度，而简单将其描述为“均质固体”。另外，因为道砟层是位于枕木和线下基础结构之间的相对薄层，所以影响道砟材料的另一个因素是道砟的位置。

计算机技术的发展推动对道砟这一中间层的系统研究。多年来进行的基础研究和经验积累增强了从业者对有砟道床状态变化及其问题本质的理解。

克卢加尔（Klugar）是第一位使用现代研究方法分析有砟道床形变的学者。他的研究主要涉及道砟在反复加载时的长期变化，以及“轨道的初期沉降”现象。后者主要描述在初期施加载荷期间轨道立即沉降2～5 mm的现象。研究发现这一现象是在加载载荷后，道砟之间接触面积发生的变化所致。由于道砟间接触点的表面积很小，道砟的边缘处会受到非常高的局部压力，导致快速磨损。当施加的载荷逐渐增加时，由于石块之间的相互作用力进一步发生变化，轨道再次发生沉降，直到反作用力与施加于线路上的力相当，线路状态变化才趋于稳定。这种状态变化规律在很大程度上取决于所用道砟的类型、尺寸和分布位置。因此，根据当地的石材种类设置固定的道砟筛选机制十分重要。克卢加尔和其他学者进行的研究表明，有砟道床颗粒结构的密度取决于混合石材的颗粒大小和对其施加的法向力。但当载荷超过一定限度时，道砟会发生不可逆的塑性变形。

施耐德（Schneider）研究破碎石材的动态弹性模量，探索在人工施加高频振动时道砟的相移反应。费舍尔（Fisher）进行的基础研究表明振动频率和振幅参数对捣固耐久性的影响；这套理论成为现代捣固装置设计和设置的基础，可以确保道砟实现最佳的压实效果。欧洲铁路研究院（ERRI）的前身ORE，在1965年 — 1990年间进行广泛而深入的相关研究，形成多种“ORE报告”；ERRI 也在同一领域进行研究并发表过类似的报告。

多年来，专家们假设，载荷冲击通过有砟道床以大约45°的扩散角被引导到地基上，并在传递过程中逐渐减小。近年来对混凝土轨枕下道砟的分析表明这一长期存在的假设存在问题。过去5年间，奥地利和其他国家使用现代测量设备进行的实验得出结论：载荷冲击会以更集中的方式撞击地基，扩散角仅为17～20°，这意味着地基所承受的压力比之前预计的要大得多。

尽管学术界在大约40年前就曾讨论过使用模拟仿真的方法更好地了解道砟的状态变化规律，但这种研究直到近年来计算机技术发展壮大后才成功开展。其中，部分学者开始研究基于计算机生成有砟道床模型的方法，建立的仿真模型如图2所示。现在，可以逐个部件地描绘有砟道床并设定和模拟各种不同的相互接触条件。建模仿真结果在很大程度上证实既往所获得的经验，例如使用不同尺寸的道砟的重要性。

图2 有砟道床动态仿真模型

道砟与混凝土轨枕底部的接触面夹在岩石和坚硬表面之间。随着轨枕下垫层概念的引入，大约在1990年，这一特殊问题得到成功解决。混凝土轨枕和道砟之间采用中间弹塑性层可以扩大道砟的接触面积，从而扩大力从轨枕传递到有砟道床的接触区域，从而更平缓地传递载荷。这可以显著减少道砟磨损，延长有砟道床清筛间隔。

2.2 有砟轨道线路结构

在过去的几十年里，高速铁路的诞生和扩张表明铁路技术取得长足的进步。法国国家铁路公司（SNCF）创下574.8 km/h的“世界速度记录”。这一速度创造于有砟道床的线路上，表明这种类型的轨道在具有较高成本效益的同时也可以提供很高的精度。混凝土轨枕的广泛使用可能是促成因素之一；以目前的技术形式来看，它们已取代随时间进展容易劣化的易损部件。此外，它们还具有不会收缩或拉伸的优势。总体来看，轨道建设和维护从人工到机械化的完全过渡是有砟轨道能够满足速度与安全性能最高要求的主要原因。

3 通过载荷对道砟的影响

3.1 道砟承重与磨损原理

由于容易磨损的特点，现代有砟线路和有砟道床需要经常保养。组合在一起的道砟形成具有各种接触点的结构，这些接触点将火车通过时施加的轮轨间作用力传递到线下结构。除确保火车行驶于轨道上之外，位于车轮和道砟之间的钢轨还负责在纵向方向分配垂向力；它们将各点的接触力纵向分散施加在轨枕上，从而减少施加在单位道砟上的压力。

总地来说，轨道是一个将力分布开来的承重系统。一定的轨道弹性对于安全地分配这些力是必不可少的。经验表明，建议在20 t轴重下配用1.2～1.5 mm的弹性模量。

有砟道床的高度进一步分散垂向力，在理想情况下，作用在下部结构上的力必须低于其特定的承载能力，垂向载荷在线下基础结构上的分布如图3所示。这样其线下结构可以长期承担这些载荷而不会不断增加形变量。

图3 垂向载荷在线下基础结构上的分布

有砟道床的组成成分决定作用力如何穿过道床。如前文所述，道砟的边缘和点的接触表面积非常小，因此会受到非常高的局部压强。反复变化的压力会导致道砟磨损，这会增加接触表面积，进而导致道砟上的局部压强减小。这种机制体现在接触表面区域对局部压力的适应过程中轨道出现的几毫米沉降。

通过透明面板对有砟道床进行观察的实验表明，道砟的边缘断裂方式与雨水从道砟结构中缓缓流过的路径有相似性。在充分预紧且达到平衡的有砟道床上，道砟的边缘不会以前文所描述的那种方式断裂，并且几乎不会有雨水滴过。对这种状态变化的大量测量分析表明，当新线路初始承受载荷时，轨道会迅速沉降；经过几个载荷循环后，轨道的沉降速度会大幅降低。

3.2 道砟粉化

碎裂的材料会通过道砟之间的空腔滑落下来，自下而上依次填充道砟之间的空间，如图4所示。这些被粉末填满的空间会在降低道床透水能力的同时减弱道砟之间的摩擦，从而削弱有砟道床的承载能力，损害轨道正常几何形状，最终威胁轨道稳定性。另外，留在有砟道床中的水会充当降低道砟之间摩擦的润滑剂，使道砟软化。

图4 破碎的道砟通过道砟之间的空腔向下滴流至底部（蓝线位置）

其他类型的有砟道床粉化板结也会带来类似的后果。当线下结构不够坚固时，例如，当道床压实不良或其中存在未排出的积水时，细粒材料会与水混合并变成泥浆，出现翻浆冒泥现象，覆盖住道砟。在火车通过时，轨道交替往复地被垂直向压低和再次抬升；这种作用会导致道砟自下而上地粉化板结。此外，风可能会将灰尘和沙子吹入有砟道床内，导致植被在有砟道床空隙内生长。被运输的材料，如沙子、石灰石、谷物等也可能从货车上掉下来，嵌入轨道空隙，导致道砟被污染而板结。这通常发生在货车未正确锁定车厢或超载时，涉及采矿和工业运输用途的铁路经常出现这种情况。

4 道砟状况评估

当线路无法保持良好的几何形态时，及时检查轨道的道砟和线下结构的状态是解决问题的方向。作为粉化板结的一种形式，旧道砟中有害的细颗粒所占的份额决定整个道砟床的实际质量。当道砟中的细颗粒过多时，它就可能弱化路基的排水机能，导致线路中的水不能及时排出，继续加剧道砟粉化进程。在这种情况下，细碎粉化的道砟所占的百分比（以占总样本重量的百分比表示）超过交付验收技术条款中约定的限值时，可用22.4 mm正方形筛网筛分细粒，以确保细粉化道砟占比低于规定标准。

学者们尝试通过实验的方法量化并确定这些细小颗粒的大小和数量的阈值限制。ERRI 最终确定一个经过验证的判别基准：即当细颗粒的份额大于或等于 30%时，需要及时进行有砟道床的清筛。检查轨道道砟和线下结构的主要方法有3种。

4.1 目视检查

目视检查是确定何时需要进行道砟清筛的最常用方法。第一步是使用道砟铲或道砟耙等工具拨开顶部大约10 cm厚的道砟层。如果道砟检查人员在道砟之间的孔隙中看到细小的或有粘性的材料，就可以进一步向下挖掘，提取出延伸到线下基础结构以上的道砟，以大致了解道砟粉化的程度及其空间分布。

道床中夯实区域的粉化指标是需要明确注意的，因为它们承担大部分的通过载荷，并且这部分道砟通常有较高比例的粉化。其原因可归咎于载荷引起的应力及其在有砟道床中的分散传递模式。具有最大剪力的有砟道床部分位于轨枕底部的正下方。

长期以来，专家们一直在努力研究通过标准车辆轨迹记录数据来评估是否需要清洁道床的方法。大部分研究集中于对反复出现的轨道几何形态超差的时间间隔的评估以及纵向轨道水平性变化的周期性。永久道床变形的表现形式是不对称的轨道几何形状。有砟道床（和线下基础结构）出现薄弱的状态可能表现为轨道纵向长波长范围的水平性超差。但是，依靠目视检查的方法评估道砟状态需要大量的实际经验和专业知识支撑，并且在精确度上不完全可靠。

4.2 分形分析

分形分析的出现为评估轨道几何形态质量提供了一种革命性的方法。它让科学家将轨道垂向不平

顺变位定位到特定的波长范围内，并将特定的故障特征与相应的图像相关联，如图5所示。中波长范围 （3～25 m） 的不平顺变位往往可提供有关道砟状况的信息，而长波长范围 （大于25 m） 的不平顺则提供有关道床和线下基础结构之间过渡区域的状况信息。通过分析这些信息可以判断线下基础结构的状况和承载能力。因此，在无需依赖额外测量工具的前提下，分形分析可以通过对记录的轨道几何数据进行详细分析，从而评估轨道的道砟和下部结构状况。它已经在欧洲的几个国家得到采用，并已取得丰硕的成果。

图5 分形分析识别测量信号的主要波长范围

4.3 地质雷达

大约30年前，地质雷达的检测方法开始应用到道砟检测中。这种非破坏性的诊断方法可以分析厚度达4 m的道床。地质雷达可通过获取道砟层粉化程度的清晰图像来直接判定是否需要进行线下基础结构修复或进行有砟道床的清筛。

5 有砟道床清筛专用机械

5.1 早期的道砟清筛机

有砟道床清筛是指对道砟进行挖掘、筛分，将尺寸小于20 mm的道砟丢弃的过程。最初，道砟的清筛是人工进行的，但很快实现了机械化；大约100年前，为道砟清筛而制造的首台专用机械出现。

20世纪20年代，第一台用于清筛道砟的机器，被称为“路肩清洁器”的专用设备出现在美国。当时的基本假设认为路基不需对整个轨道区域进行排水，只需具备从侧面排水的功能；这项技术基于此而开发应用。另外，对路肩的道砟进行清筛在当时是公认的作法，收集路肩道砟并去除粉化变质的细颗粒即可保证有砟道床发挥正常功能。然而，对于粉化严重的有砟道床，这种机器所使用的清筛方法只能提供短期的改善。

在20世纪30年代，能够清筛整个有砟道床，包括轨道中心区域的机器被开发出来。这些机械可以借助履带、导轨或直接使用作业区域的轨道线路行驶。

从1945 年起，瑞士的马蒂沙公司（MATISA）进一步开发道砟清筛技术。当时，使用伸入轨枕下方的道砟挖掘链来进行道砟传送是最先进的技术。相关机械用道砟铲将收集的道砟运送到位于机器顶部附近的筛选单元；去除细小颗粒后，将干净的道砟重新插入机器后部的轨枕下方；添加新道砟后，再对轨道进行夯实和找平，以恢复轨道几何形态。在大多数情况下，废弃的细道砟材料在轨道旁边堆放并平整，或用于农业等较低等级的道路建设。在可以根据石头大小自动分离道砟材料的现代机械技术出现后，任何废弃的道砟材料都可被转移到堆放场，后续用于其他目的或废弃填埋。

5.2 首台全液压道砟清筛机

首台道砟清筛机配备工作用机电驱动装置，但是没有自己的走行驱动装置。因此，需要将用于推进的轨道车与机械连挂，由绞盘机构提供所需的进给速度。然而，当时的电力驱动系统并不可靠，使得这些机器的输出功率都不大。

1961年，奥地利的普拉塞·陶依尔公司（Plasser& Theurer）开发出第一台现代道砟清筛机的原型机RM 61，如图6所示，它装备有自己的走行驱动装置。

图6 具有技术里程碑意义的首台全液压式道床清筛机

RM 61是首台全液压道砟清筛机。它最大的优势是可以通过液压系统更好地连续调整作用在道砟挖掘链上的力以适应阻力，因而具备更高的操作可靠性。这种特性大幅提升工作速度，减少因机器压力过大而中止作业的问题。以RM 61为开端，普拉塞.陶依尔公司开始长达60年的持续的专用机械技术开发和积累，最终构筑出今天高度复杂的专业机器系统。

6 结语

从铁路诞生之日起，有砟轨道就是一种值得信赖的轨道结构。随着轨道道床服役时间的增加，有砟道床清筛变得越来越重要。现代道砟清筛机基于现实需求而诞生并发展，在有砟轨道的维护和对道砟的处理中发挥着重要作用。着眼于现代道砟清洁技术及相关机械的发展历程，研究者将继续推动道砟清筛机技术的发展，通过科学部署与技术革新实现更高质量的清筛工作。