陳　利

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

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鐵路較長(zhǎng)緩和曲線對(duì)行車安全性與平穩(wěn)性分析

陳利

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

【摘要】鐵路在設(shè)計(jì)時(shí)為了盡量利用原勘測(cè)勘探資料，對(duì)較長(zhǎng)的緩和曲線未及時(shí)按規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，存在緩和曲線較長(zhǎng)的情況；當(dāng)采用較長(zhǎng)緩和曲線時(shí)，通過對(duì)行車的安全性與平穩(wěn)性計(jì)算，來分析采用較長(zhǎng)緩和曲線能否滿足車輛運(yùn)行相關(guān)要求。

【關(guān)鍵詞】緩和曲線；安全性；平穩(wěn)性

1緩和曲線的定義及作用

根據(jù)GB 50090-2006《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》曲率半徑和外軌超高均逐漸變化的曲線，稱為緩和曲線。為使列車安全、平順、舒適地由直線過渡到圓曲線，滿足超高和加寬遞變的需要，在直線與圓曲線間需設(shè)置一定長(zhǎng)度的緩和曲線。

緩和曲線的作用：在緩和曲線范圍內(nèi)，其半徑由無限大漸變到圓曲線半徑，從而使車輛產(chǎn)生的離心力逐漸增加，有利于行車平穩(wěn)；在緩和曲線范圍內(nèi)，外軌超高由零遞增到圓曲線上的超高量，使向心力逐漸增加，與離心力的增加相配合；當(dāng)曲線半徑小于350 m、軌距需要加寬時(shí)，在緩和曲線范圍內(nèi)，由標(biāo)準(zhǔn)軌距逐步加寬到圓曲線上的加寬量。

緩和曲線長(zhǎng)度是鐵路線路平面設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一。為了保證列車運(yùn)行的安全和旅客乘坐舒適度的要求，緩和曲線應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度。但過長(zhǎng)的緩和曲線將影響平面選線和縱斷面設(shè)計(jì)的靈活性，引起工程投資的增大。

2行車安全性與舒適性對(duì)緩和曲線長(zhǎng)度的要求

為保證列車運(yùn)行的安全和旅客乘坐舒適度的要求，緩和曲線應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度，緩和曲線長(zhǎng)度應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：

由上式可知，對(duì)于緩和曲線普遍較長(zhǎng)的，由脫軌安全要求計(jì)算的緩和曲線長(zhǎng)度顯然不起控制作用。

式中:VG為設(shè)計(jì)速度(或該曲線限制速度)(km/h)；[f]為超高時(shí)變率允許值(mm/s )；h為圓曲線設(shè)計(jì)超高(mm)。

式中:VG為設(shè)計(jì)速度(或該曲線限制速度)(km/h)； [β]為欠超高時(shí)變率允許值(mm/s)； hq為圓曲線設(shè)計(jì)欠超高(mm)。

渝黔線在修改初步設(shè)計(jì)階段時(shí)，采用的緩和曲線長(zhǎng)度普遍較長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算均滿足以上三式的要求。

3車輛運(yùn)行指標(biāo)對(duì)緩和曲線長(zhǎng)度的要求

車輛曲線通過時(shí)，受曲線設(shè)置要素影響的車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)主要有脫軌系數(shù)和輪軌橫向力，平穩(wěn)性指標(biāo)主要有車體橫向加速度、車體傾覆加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)，具體如下：

(1)脫軌系數(shù)。(2)輪軌橫向力。(3)車體橫向加速度。(4)車體傾覆加速度。(5)平穩(wěn)性指標(biāo)。

由于以上指標(biāo)均受緩和曲線長(zhǎng)度影響，因此緩和曲線應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度，來滿足車輛通過曲線時(shí)安全、平穩(wěn)。

當(dāng)采用規(guī)范中規(guī)定的緩和曲線長(zhǎng)度值時(shí)，車輛通過曲線的運(yùn)行指標(biāo)肯定滿足要求。但當(dāng)采用較長(zhǎng)緩和曲線時(shí)，需對(duì)以上幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，來分析是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4改造工程緩和曲線長(zhǎng)度設(shè)置實(shí)例

改建鐵路重慶至貴陽線擴(kuò)能改造工程(以下簡(jiǎn)稱渝黔線)重慶至貴陽段為時(shí)速200 km/h客貨共線鐵路，以有砟軌道為主，僅在長(zhǎng)度大于等于6 km的隧道內(nèi)采用無砟軌道。

由于渝黔線原初步設(shè)計(jì)階段速度目標(biāo)值較高(時(shí)速≥250 km/h)，區(qū)間正線采用了TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中相對(duì)應(yīng)的緩和曲線長(zhǎng)度；在修改初步設(shè)計(jì)階段，為了充分利用原有勘測(cè)勘探資料，未及時(shí)對(duì)緩和曲線長(zhǎng)度做相應(yīng)調(diào)整；因此在設(shè)計(jì)時(shí)存在緩和曲線較長(zhǎng)的情況，不符合《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函﹝2005﹞285號(hào))中緩和曲線長(zhǎng)度相關(guān)規(guī)定。

本文正是在此背景下，對(duì)渝黔線采用較長(zhǎng)緩和曲線時(shí)，行車的安全性和平穩(wěn)性進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算分析。

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》與《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中緩和曲線長(zhǎng)度比較(表1)。

表1　兩種規(guī)范緩和曲線長(zhǎng)度比較　m

注：本表只列出部分常用半徑

5采用較長(zhǎng)緩和曲線時(shí)，行車安全性與平穩(wěn)性

5.1計(jì)算條件

選取了渝黔線設(shè)計(jì)中使用較多的曲線半徑及緩和曲線進(jìn)行計(jì)算，具體工況如下：

(1)最大通過速度： 200 km/h；

(2)半徑：R-7000 m;

(3)緩和曲線長(zhǎng)度：L-590 m;

(4)實(shí)設(shè)超高：h-45 mm;

(5)計(jì)算均不考慮軌道不平順的影響。

5.2計(jì)算說明

緩和曲線是一條曲率和超高均逐漸變化的空間曲線，緩和曲線的線型應(yīng)滿足以下條件：

(1)保持線型的幾何連續(xù)性；

(2)列車進(jìn)入緩和曲線，為保持列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，車體受到的離心力不突然產(chǎn)生和消失；

(3)在緩和曲線上任何一點(diǎn)的曲率應(yīng)與外軌超高相配合。

因此在軌道相關(guān)規(guī)范中均明確軌道超高應(yīng)在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)過渡設(shè)置。由于在設(shè)計(jì)中按較高速度設(shè)計(jì)，若運(yùn)行普速列車，緩和曲線要滿足過欠超高平衡要求，普遍存在超高順坡率不滿足要求的情況。

超高順坡率過大，會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性造成影響，超高順坡率過低，施工、養(yǎng)護(hù)維修困難，工作量增大。在渝黔線修改初步設(shè)計(jì)階段，以緩和曲線最小超高順坡率原則上可以不作為曲線超高設(shè)置控制條件來考慮，故本計(jì)算不對(duì)超高順坡率問題進(jìn)行分析。

5.3評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

參照GB 5599-1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》；TB/T 3188-2007《鐵道客車行車安全監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)技術(shù)條件》；UIC 518-2005《軌道車輛動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)及驗(yàn)收-運(yùn)行安全性-軌道疲勞-乘坐舒適性》進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定主要指標(biāo)如下：

(1)脫軌系數(shù)：≤0.8；

(2)輪軌橫向力：Q≤0.4(Pst1+Pst2)=0.4×135=54 kN(Pst1，Pst2為車輪靜載荷)；

(3)車體振動(dòng)水平加速度： aL≤0.10 g (半峰值)；

(4)運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)采用Sperling指標(biāo)，評(píng)定等級(jí)如表2。

表2　平穩(wěn)性評(píng)定等級(jí)

5.4計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　計(jì)算結(jié)果

6結(jié)論

(1)由計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)采用較長(zhǎng)緩和曲線時(shí)車輛運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)均遠(yuǎn)低于其容許限值。

(2)當(dāng)采用較長(zhǎng)緩和曲線時(shí)，車體振動(dòng)水平加速度和車輛Sperling指標(biāo)均較小，車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性較好。

(3)當(dāng)采用較長(zhǎng)緩和曲線時(shí)，車輛脫軌系數(shù)和輪軌橫向力對(duì)列車運(yùn)行安全性影響較小。

以上分析結(jié)果均是在不考慮軌道不平順等激勵(lì)的影響時(shí)得出的，同時(shí)也未考慮超高順坡率等問題，因此，緩和曲線的長(zhǎng)度對(duì)行車的安全性、平穩(wěn)性還需綜合考慮各種影響因素，開展深入系統(tǒng)的研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)在工程設(shè)計(jì)時(shí)緩和曲線長(zhǎng)度的選擇應(yīng)因地制宜、從長(zhǎng)到短、合理選用。

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[6]中鐵二院工程集團(tuán)有限公司.改建鐵路重慶至貴陽線擴(kuò)能改造工程修改初步設(shè)計(jì)[R].2012.

[作者簡(jiǎn)介]陳利(1984～)，男，本科，助理工程師，從事鐵路線路設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類號(hào)】U212.33+2.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-30