劉 飛,昌月朝,殷 濤
LIU Fei, CHANG Yue-chao, YIN Tao
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100081)
(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)
42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌運(yùn)輸方案研究
劉 飛,昌月朝,殷 濤
LIU Fei, CHANG Yue-chao, YIN Tao
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100081)
(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)
根據(jù) 42 號(hào)道岔的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從裝載方式和加固方式 2 個(gè)方面設(shè)計(jì) 42號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌運(yùn)輸方案。在長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用 42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌側(cè)向剛度小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制訂 4 輛普通平車跨裝運(yùn)輸方案,并且從垂向載荷、橫向加固強(qiáng)度和縱向加固強(qiáng)度 3 個(gè)角度計(jì)算分析 42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌的裝載加固強(qiáng)度,結(jié)果表明該運(yùn)輸方案滿足運(yùn)輸安全要求。
42 號(hào)道岔;鐵路運(yùn)輸;普通平車;裝載方案
隨著我國(guó)鐵路客運(yùn)專線建設(shè)的不斷推進(jìn),高速鐵路道岔的研發(fā)、制造等綜合技術(shù)逐步形成詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范[1]。同時(shí),高速鐵路道岔的鐵路運(yùn)輸裝載加固方案也有相關(guān)研究,劉克虎等[2]對(duì)客運(yùn)專線 30號(hào)道岔采用專用轉(zhuǎn)向架、2 輛 D22A型長(zhǎng)大平車跨裝運(yùn)輸裝載加固方案進(jìn)行研究,張長(zhǎng)青[3]對(duì)高速鐵路 42 號(hào)道岔采用六支點(diǎn)轉(zhuǎn)向架,4 輛普通平車跨裝運(yùn)輸裝載加固方案進(jìn)行研究。目前,無論是采用 D型車的運(yùn)輸方案還是采用普通平車的運(yùn)輸方案,高速鐵路 42 號(hào)道岔都是利用貨物轉(zhuǎn)向架跨裝運(yùn)輸,通過鋼絲繩與槽鋼制作的卡具將 42 號(hào)道岔與貨物轉(zhuǎn)向架加固為一體,在保持直線度的情況下順利通過曲線。但是,D 型車運(yùn)輸方案成本高,車輛來源少,存在車輛不能及時(shí)提供造成運(yùn)輸延誤的情況,普通平車方案存在道岔不能順利回位,車輛偏重等問題。此外,當(dāng)只運(yùn)輸?shù)啦淼霓D(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌配件時(shí),無論是 D 型車方案還是普通平車方案,都存在道岔不能順利回位問題。因此,研究制訂能夠符合高速鐵路道岔超長(zhǎng)、轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌側(cè)向剛度小、轍叉?zhèn)认騽偠却蟮冉Y(jié)構(gòu)特點(diǎn),而且經(jīng)濟(jì)合理的鐵路運(yùn)輸方案勢(shì)在必行。
42 號(hào)道岔是高速鐵路的區(qū)間渡線道岔,直向限速與區(qū)間相同,速度為 250 km/h 或 350 km/h,側(cè)向限速為 160 km/h[4],42 號(hào)道岔由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌下基礎(chǔ) (岔枕和道床)、轉(zhuǎn)換設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、融雪裝置、道岔前后軌道剛度過渡段等部件組成[5],具有較高的制造、組裝和鋪設(shè)精度要求。從運(yùn)輸角度分析,42 號(hào)道岔的扣件系統(tǒng)、軌下基礎(chǔ)、轉(zhuǎn)換設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、融雪裝置、道岔前后軌道剛度過渡段等打包后可以通過鐵路敞車、棚車或公路直接運(yùn)輸?shù)戒佈b現(xiàn)場(chǎng),受運(yùn)輸線路條件限制較小。42 號(hào)道岔鋼軌部件如表1 所示。由表1 可以看出,與普通道岔相比,42 號(hào)道岔的鋼軌部件如可動(dòng)心軌轍叉、轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌等長(zhǎng)度較長(zhǎng),需要采用鐵路跨裝運(yùn)輸。其中,可動(dòng)心轍叉?zhèn)认騽偠却螅椒较驈澢坏贸^其自由長(zhǎng)度的 1/1 000,而轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌側(cè)向剛度小[6],水平方向可彎曲。
表1 42 號(hào)道岔鋼軌部件
42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器由基本軌與尖軌組成,基本軌為 60 kg/m 鋼軌,尖軌一般采用 60D40 鋼軌,材質(zhì)與基本軌相同[7],或者采用德國(guó)進(jìn)口 60E1A1 鋼軌,材質(zhì)為 R350HT 硬頭軌。長(zhǎng)導(dǎo)軌與基本軌結(jié)構(gòu)形式相同,當(dāng)線路設(shè)計(jì)速度為 250 km/h 時(shí),滿足《250 km/h 客運(yùn)專線 60 kg/m 鋼軌暫行技術(shù)條件》;當(dāng)線路設(shè)計(jì)速度為 350 km/h 時(shí),滿足《350 km/h 客運(yùn)專線 60 kg/m 鋼軌暫行技術(shù)條件》。利用轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌側(cè)向剛度小,在運(yùn)輸中可彎曲的特點(diǎn),設(shè)計(jì)運(yùn)用性能滿足安全要求的運(yùn)輸方案。
2.1裝載方式
(1)滑臺(tái)布置位置。轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度范圍為 44 240—49 192 mm,采用 6 個(gè)滑臺(tái),4 輛換長(zhǎng)為1.3 的普通平車進(jìn)行跨裝運(yùn)輸。第 1、第 4 車每車放置 1 個(gè)滑臺(tái),位于車輛橫中心處;第 2、第 3 車每車放置 2 個(gè)滑臺(tái),2 個(gè)滑臺(tái)分別位于從車輛兩端數(shù)第 3個(gè)支柱槽處,具體滑臺(tái)布置位置如圖1 所示。
圖1 滑臺(tái)布置位置
(2)轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌裝載方式。轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌單層裝載在滑臺(tái)上,為滿足不偏載的技術(shù)要求,以車組縱中心線為基準(zhǔn)對(duì)稱裝載 1 組轉(zhuǎn)轍器 (2 根基本軌和 2 根尖軌),其中基本軌長(zhǎng)度中心線與車組橫中心線重合,再在其兩側(cè)各裝載 3 根導(dǎo)軌,導(dǎo)軌一端與轉(zhuǎn)轍器大頭端對(duì)齊?;_(tái)在加焊鋼擋時(shí),以車輛縱中心線為基準(zhǔn)對(duì)稱焊接,2 個(gè)鋼擋的間距為轉(zhuǎn)轍器與導(dǎo)軌裝載寬度。轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)軌、滑臺(tái)和鋼擋的布置位置如圖2 所示。
圖2 轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)軌、滑臺(tái)和鋼擋的布置位置
2.2加固方式
用鋼絲繩雙股在滑臺(tái)兩側(cè)各拉牽 1 個(gè)八字形捆綁在車輛支柱槽上,根據(jù)力值的大小選擇不同直徑的鋼絲繩即可,轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌在運(yùn)輸時(shí)采用緊固裝置將其加固為一體,緊固裝置加固示意圖如圖3所示。緊固裝置由夾板、墊塊、螺栓、緊固螺母和防松螺母組成,用 6 根螺栓將轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌緊固為一體,考慮尖軌加工長(zhǎng)度,將夾板卡槽與第 2車外端滑臺(tái)固定,以限制轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌的縱向位移,同時(shí)可防止鋼軌側(cè)向翻轉(zhuǎn)、鋼軌間橫向位移。車組在通過曲線時(shí),轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌在滑臺(tái)鋼擋橫向約束下發(fā)生彎曲,限制其橫向位移,產(chǎn)生的橫向力作用在滑臺(tái)鋼擋上。
3.1垂向載荷計(jì)算
由裝載方式可知,轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌共支承在 6個(gè)支點(diǎn)上,屬于多跨度連續(xù)超靜定梁,需要建立位移協(xié)調(diào)方程,形成 6 維線性方程組,通過 Matlab 編程求解。由于鐵路平車車體的彈性遠(yuǎn)小于車輛轉(zhuǎn)向架懸掛彈簧的彈性,計(jì)算時(shí)僅考慮轉(zhuǎn)向架懸掛彈簧彈性。轉(zhuǎn)轍器基本軌與導(dǎo)軌線密度為 60 kg/m,60D40 尖軌線密度為 70 kg/m。因此,假設(shè)裝載鋼軌全部為 60D40 軌、長(zhǎng)度為 49 192 mm 時(shí),車輛承重、轉(zhuǎn)向架承重及轉(zhuǎn)向架承重差最大,計(jì)算 4 車等高時(shí)各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重?cái)?shù)據(jù)如表2 所示,第 1 車高 20 mm 時(shí)各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重?cái)?shù)據(jù)如表3 所示,第 2 車高 20 mm 時(shí)各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重?cái)?shù)據(jù)如表4 所示。
表2 4 車等高時(shí)各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重?cái)?shù)據(jù)
表3 第 1 車高 20 mm 時(shí)各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重?cái)?shù)據(jù)
表4 第 2 車高 20 mm 時(shí)各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重?cái)?shù)據(jù)
圖3 緊固裝置加固示意圖
比較表2—表4 數(shù)據(jù)可知,車輛承重最大為10.92 t,轉(zhuǎn)向架承重最大為 6.27 t,轉(zhuǎn)向架承重差最大為 1.71 t,均滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》要求。
3.2橫向加固強(qiáng)度分析
(1)橫向載荷計(jì)算。轉(zhuǎn)轍器由基本軌和尖軌 2 部分構(gòu)成,基本軌對(duì)垂直軸線的慣性矩為 524.0 cm4,尖軌對(duì)垂直軸線的慣性矩為 765.3 cm4[7],由截面特性可知,當(dāng)轉(zhuǎn)轍器受橫向約束彎曲時(shí),尖軌彎曲產(chǎn)生的橫向力大于基本軌彎曲產(chǎn)生的橫向力,因而假設(shè) 1 組轉(zhuǎn)轍器、6 根長(zhǎng)導(dǎo)軌全部為 60D40 鋼軌時(shí),彎曲產(chǎn)生的橫向力最大。車組允許通過最小曲線半徑為 150 m,以 4 輛車均進(jìn)入曲線內(nèi)為例進(jìn)行計(jì)算,轉(zhuǎn)轍器彎曲產(chǎn)生的橫向載荷如表5 所示。由表5 可以看出,第 2 車外端滑臺(tái)處橫向鋼擋 2、第 3 車外端滑臺(tái)橫向鋼擋 5 承受的橫向力最大,為20.02 kN。
表5 轉(zhuǎn)轍器彎曲產(chǎn)生的橫向載荷
(2)橫向加固強(qiáng)度計(jì)算。轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌橫向位移利用鋼擋約束,鋼擋與滑臺(tái)焊接固定,假設(shè)焊縫高度為 0.6 cm,焊縫許用剪切應(yīng)力為 70 MPa,所需焊縫長(zhǎng)度[8]為
式中:L橫為焊縫長(zhǎng)度;ΔN 為橫向載荷;K 為焊縫高度;[τ] 為焊縫許用剪切應(yīng)力。
由此可知,鋼擋每側(cè)焊縫長(zhǎng)度不小于 6.81 cm,即可滿足橫向加固強(qiáng)度要求。
3.3縱向加固強(qiáng)度分析
由 42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌裝載方案可知,轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌重 30.6 t,跨裝車組總重為 123.6 t,縱向慣性力為 264 kN,縱向摩擦力大小為 153 kN,緊固裝置承受的縱向加固力不小于 111 kN 即可。緊固裝置加固力計(jì)算如下。
(1)緊固螺栓許用應(yīng)力計(jì)算。緊固裝置螺栓直徑 d 為 24 mm,截面積 s 為 353 mm2。選用螺栓材質(zhì)為 45# 鋼,性能等級(jí)為 6.8,屈服應(yīng)力 σs取值為480 MPa,則許用應(yīng)力
(2)緊固裝置預(yù)緊力計(jì)算。預(yù)緊系數(shù) k 為 1.2,單根螺栓預(yù)緊力 N0= 282.3×353/1.2=83 043.25 N,即螺栓可達(dá)到的最大預(yù)緊力為 83 043.25 N。當(dāng)預(yù)緊力矩 T = 320 N · m、擰緊力矩系數(shù) K = 0.28時(shí),單根螺栓可達(dá)到的預(yù)緊力(0.28×0.024) = 47 619 N,則緊固裝置總預(yù)緊力 N=6×47 619 = 285 714 N。
(3)緊固裝置縱向加固力計(jì)算。42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌與緊固裝置摩擦系數(shù)為 0.3,則緊固裝置縱向加固力 F = 285 714×0.3×2 = 171.43 kN。由此可知,緊固裝置縱向加固力大于所需的最小加固力 111 kN,轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌的縱向加固強(qiáng)度滿足要求。
綜上所述,通過一系列的計(jì)算可知,車輛不超載、不偏載、不偏重,對(duì)鋼擋施焊長(zhǎng)度不小于6.81 cm、緊固螺栓預(yù)緊力矩不小于 320 N · m 時(shí),42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌的裝載加固性能完全滿足運(yùn)輸要求。
42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌運(yùn)輸方案在借鑒長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,充分利用轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌側(cè)向剛度小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),解決現(xiàn)有的普通平車運(yùn)輸方案道岔不能回位、車輛偏重問題。同時(shí),與D 型車方案相比,普通平車車輛來源較廣、運(yùn)輸成本相對(duì)較低,為 42 號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍器及長(zhǎng)導(dǎo)軌運(yùn)輸提供新的思路。
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責(zé)任編輯:馮姍姍
高鐵與長(zhǎng)江黃金水道“并駕齊驅(qū)”
2015年12月6日9 : 33,D5602 次動(dòng)車組從千年古城安慶平穩(wěn)開出,經(jīng)池州、銅陵、蕪湖等地駛向南京。南京至安慶高鐵開通運(yùn)營(yíng),高鐵與長(zhǎng)江黃金水道“并駕齊驅(qū)”。
寧安高鐵初期安排開行安慶至合肥、南京、上海等方向動(dòng)車組 15 對(duì)。南京至安慶列車運(yùn)行時(shí)間由原來的 5 h 53 min 縮短至 1 h 54 min,安慶至合肥、上海列車最短運(yùn)行時(shí)間分別為 1 h 32 min 和 3 h 58 min,均較既有普速列車運(yùn)行時(shí)間壓縮一半以上。
寧安高鐵起于江蘇省南京市,經(jīng)安徽省馬鞍山、蕪湖、銅陵、池州市,終到安慶市,全長(zhǎng)257 km。2009 年4月,寧安高鐵開工建設(shè)。全長(zhǎng)6 858 m 的安慶鐵路長(zhǎng)江大橋,是寧安高鐵的重點(diǎn)控制性工程,具有“深水、大跨、高速、重載”等特點(diǎn),全橋斜拉索達(dá) 216 根。2015 年5月,寧安高鐵鋪軌全部完成;8月,全線開始聯(lián)調(diào)聯(lián)試。
寧安高鐵與京滬高鐵、合福高鐵及長(zhǎng)三角城際鐵路網(wǎng)相連,將大大縮短沿線城市與長(zhǎng)三角各中心城市間的時(shí)空距離,進(jìn)一步完善區(qū)域交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu),密切各城市間的聯(lián)系與交流合作,對(duì)更好地發(fā)揮長(zhǎng)三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和輻射作用,加快區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程,促進(jìn)蘇皖地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。
(摘自《人民鐵道》報(bào))
Study on Transport Program of Switch Machine and Long Guide Rail of 42# Turnout
According to the composition and structural characteristics of 42# turnout, from the 2 aspects of loading mode and reinforcement mode, the transport program of switch machine and long guide rail of 42# turnout was designed. Based on transport technology of long rail, by referring the structural characteristics of their small lateral rigidity, the program of straddle transportation by 4 common flat cars was established, and the loading & reinforcement intensity of the switch and the rail were calculated and analyzed from 3 angles like vertical loading, lateral reinforcement intensity and longitudinal reinforcement intensity, the result shows the transport program could satisfy the demand of transport safety.
42# Turnout; Railway Transportation; Common Flat Car; Loading Program
1003-1421(2015)12-0083-05
U294.6;U294.25
B
10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2015.12.17
2015-11-16
中國(guó)鐵路總公司科研試驗(yàn)任務(wù)(Z2013-037);中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2014YJ097)