張珊珊

摘 要：鐵路交通在交通運(yùn)輸業(yè)中作為至關(guān)重要的部分，對(duì)我國(guó)貨運(yùn)具有重要的影響，當(dāng)前，我國(guó)大部分貨物運(yùn)輸都是依靠鐵路進(jìn)行，因此，保障鐵路線路設(shè)計(jì)的合理性具有積極的意義。本文首先從鐵路線路平縱斷面設(shè)計(jì)的原則說(shuō)起，詳細(xì)闡述了平縱斷面設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)評(píng)估方法以及相關(guān)的參數(shù)研究，最后針對(duì)鐵路線路中平縱斷面設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，旨在于提高我國(guó)關(guān)于鐵路線路平縱斷面設(shè)計(jì)的水平。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)原則；動(dòng)力學(xué)研究；參數(shù)設(shè)定

1 前言

鐵路線路的設(shè)計(jì)是涉及到多個(gè)領(lǐng)域的綜合性工程，其涉及到多種學(xué)科的應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)者的水平要求較高。我國(guó)是人口大國(guó)，無(wú)論是滿足客運(yùn)需要還是貨運(yùn)需要，都需要提高現(xiàn)有的鐵路線路建設(shè)水平。為了滿足日益提高的社會(huì)需求，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始了高速鐵路運(yùn)輸線路的建設(shè)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)時(shí)速高達(dá)200km/h的會(huì)超過(guò)2.2萬(wàn)千米。盡管成績(jī)喜人，但是由于我國(guó)的高速鐵路建設(shè)起步較晚，仍舊存在一些技術(shù)難題，其中就包括做好鐵路線路平縱斷面的設(shè)計(jì)工作。因此，加大關(guān)于鐵路線路平縱斷面的研究具有實(shí)際意義。

2 鐵路線路平縱斷面設(shè)計(jì)的概述

2.1 鐵路線路平縱斷面設(shè)計(jì)的研究背景

運(yùn)輸已經(jīng)成為關(guān)系社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問(wèn)題，未來(lái)鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向也將朝著重載運(yùn)輸發(fā)展。在一些幅員遼闊礦產(chǎn)發(fā)達(dá)的國(guó)家例如美國(guó)、加拿大、巴西等，都已經(jīng)開(kāi)始在鐵路線路上開(kāi)展重載運(yùn)輸。山西省是我國(guó)煤炭大省，近幾年來(lái)，已經(jīng)運(yùn)行了在鐵路線路上運(yùn)行重載列車。由此可見(jiàn)，在我國(guó)內(nèi)開(kāi)展鐵路線路的設(shè)計(jì)研究，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 鐵路線路平縱斷面的設(shè)計(jì)原則分析

鐵路線路的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合型設(shè)計(jì)工程，其中多項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)涉及到多種學(xué)科內(nèi)容，這也對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了較高的要求。根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主要總結(jié)出了以下設(shè)計(jì)原則。首先是曲線的設(shè)置。在進(jìn)行鐵路線路設(shè)計(jì)時(shí)，盡量考慮順直線路，避免在設(shè)計(jì)圖中增加曲線設(shè)計(jì)，盡量避免加大曲線的偏角，少用反向的曲線設(shè)計(jì)。當(dāng)遇到地勢(shì)影響、地質(zhì)條件或者公路規(guī)劃以及地下管線建設(shè)等不可避免的因素時(shí)，要提前設(shè)計(jì)好繞行線路，避免在臨近地點(diǎn)繞行。通過(guò)在較遠(yuǎn)的地方繞行，也是為了降低鐵路線路的轉(zhuǎn)向角度。

其次是坡度的設(shè)計(jì)，由于線路多為重載，因此，坡度設(shè)計(jì)應(yīng)盡量平緩，線路的起伏應(yīng)順應(yīng)地面線。線路拉坡時(shí)，要注意保持土方平衡，路塹段注意排水坡度，排水坡度最低不可低于千分之二。當(dāng)鐵路線路穿過(guò)村莊或者道路密集區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)奶Ц呔€路，隧道內(nèi)的坡度應(yīng)當(dāng)大于千分之三。鐵路線路平縱斷面的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地形等各種因素進(jìn)行考慮，優(yōu)先采用單面坡道設(shè)計(jì)。如果坡度的設(shè)計(jì)過(guò)大，就增加了線路的撥起高度，加大了重載車輛運(yùn)行的困難。

最后是線路縱面設(shè)計(jì)與車站安全線的設(shè)計(jì)原則。我國(guó)相關(guān)文件中有明確的規(guī)定：“在進(jìn)站信號(hào)機(jī)外制動(dòng)距離內(nèi)進(jìn)站方向?yàn)槌^(guò)千分之六下坡道的車站，應(yīng)在正線或到發(fā)線的接車方向末端設(shè)置安全線”這是為了避免與對(duì)面進(jìn)站的列車發(fā)生沖突。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，鐵路線路縱坡方向坡度設(shè)計(jì)應(yīng)以具體實(shí)際地點(diǎn)為準(zhǔn)，原則上大于千分之六。

3 鐵路線路平縱斷面設(shè)計(jì)安全性與舒適性的評(píng)估方式

3.1 機(jī)車車輛與線路最佳匹配的原理

為了達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行平縱斷面設(shè)計(jì)與安全性以及舒適性的關(guān)系研究。車輛與線路系統(tǒng)的最佳匹配應(yīng)統(tǒng)一采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理，將車輛系統(tǒng)與線路系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的整體。通過(guò)測(cè)量整體的性能指標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是實(shí)際研究過(guò)程中，仍舊是把車輛或者線路作為一個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng)進(jìn)行具體研究。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分把握好二者之間的相互作用，不僅需要考察單個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，也要考察該系統(tǒng)對(duì)另一系統(tǒng)的具體作用。對(duì)線路設(shè)計(jì)的考察指標(biāo)即指車輛在其運(yùn)行上的穩(wěn)定性以及安全性。

3.2 基于匹配原理的線路動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法

這種設(shè)計(jì)方法需要借助動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)的支持，將線路設(shè)計(jì)的具方案以及車輛的運(yùn)行條件直接輸入到該系統(tǒng)中，該系統(tǒng)可以直接對(duì)線路軌道的受力特征以及變形性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)計(jì)算出該種車輛在線路軌道上的運(yùn)行指標(biāo)，從而對(duì)其安全性以及穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。根據(jù)車輛以及鐵路線路綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，考量鐵路線路設(shè)計(jì)是否合理。若是測(cè)試結(jié)果表明鐵路線路存在不合理之處，尋找動(dòng)力性能較差的指標(biāo)以及對(duì)這些指標(biāo)較為敏感的線路參數(shù)，例如線路的曲面半徑、緩和曲線長(zhǎng)度、以及軌道的剛度參數(shù)等，通過(guò)不斷的試驗(yàn)，找出較為理想的參數(shù)設(shè)計(jì)，重新輸入仿真系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，直至尋找出最為滿意的參數(shù)設(shè)置。

4 鐵路線路平縱斷面設(shè)計(jì)中參數(shù)的設(shè)置

4.1 最小曲線半徑

鐵路線路設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的參數(shù)即為曲線半徑的設(shè)置，曲線半徑的設(shè)置直接關(guān)系到線路能否安全、高效的運(yùn)行。對(duì)于最小曲線半徑的選取，要綜合把握好輪軌磨耗以及安全性這兩個(gè)方面進(jìn)行選取。對(duì)于主要功能為重載的線路來(lái)說(shuō)，最小曲線半徑采用根據(jù)欠高值小于容許值以及磨好條件來(lái)確定的方式。在滿足行車條件的情況下，最小曲線條件可以根據(jù)以下公式來(lái)計(jì)算，即Rh≥11.8v2max/hmax+ hqy，其中，hmax就是指實(shí)際設(shè)置中超高的最大值， hqy就是指欠高容許最大值。通過(guò)該項(xiàng)計(jì)算公式，假設(shè)按照120千米每小時(shí)的時(shí)速來(lái)計(jì)算，對(duì)于某重載鐵路，實(shí)設(shè)超高按照150毫米計(jì)算，欠超高容許值按照普通的70毫米計(jì)算，就計(jì)算得出最小曲線半徑為772米，按照較為困難的90毫米高的欠高容許值計(jì)算，就可以得出最小曲線半徑為708米。在計(jì)算內(nèi)外軌均磨條件時(shí)，一般利用Rj≥11.8v2jhmax進(jìn)行計(jì)算，vj為均磨速度，將上述值代入，可得最小曲線半徑為724米。針對(duì)不同類型的測(cè)試，可以按照動(dòng)力學(xué)方式進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)曲線半徑大于800米時(shí)，磨耗指數(shù)比較平穩(wěn)，但是，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降低曲線半徑時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致鋼軌的磨耗量急劇上升，與理論值較為穩(wěn)定不符。這就是實(shí)際中鐵路曲線半徑為800米時(shí)，鋼軌每年都需要更換一次的原因。

4.2 夾直線對(duì)線路穩(wěn)定性的影響

分析夾直線對(duì)鐵路穩(wěn)定性的影響，需要綜合考慮鋼軌、軌枕以及道床之間的相互連接，建立重載列車在負(fù)載狀態(tài)下的反向曲線線路結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)重載列車在經(jīng)過(guò)反向曲線時(shí)橫向力以及縱向力作為荷載條件，從而實(shí)現(xiàn)鐵路線路體系結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)重載列車經(jīng)過(guò)反向曲線時(shí)的各項(xiàng)橫向力以及縱向力的數(shù)據(jù)測(cè)試表明，當(dāng)重載列車經(jīng)過(guò)線路的曲率突變處時(shí)，是最不利的位置，曲率半徑突然加大，則會(huì)導(dǎo)致軌距的突然擴(kuò)大，從而應(yīng)先列車的行車安全。為了解決這一問(wèn)題，通常采用反向的曲線夾直線，從而提高線路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明，當(dāng)夾直線的長(zhǎng)度大于20米時(shí)，后續(xù)鐵路線路將趨于平緩。

4.3 夾直線對(duì)列車行車安全的影響

通過(guò)仿真系統(tǒng)，真實(shí)的反映了在反向曲線段列車行車的動(dòng)力學(xué)性能。通過(guò)實(shí)際觀察得出，當(dāng)經(jīng)過(guò)夾直線區(qū)域時(shí)，列車的橫向震動(dòng)情況出現(xiàn)衰減，這是由于列車經(jīng)過(guò)曲線段時(shí)存在離心力，而經(jīng)過(guò)直線段時(shí)離心力消失，動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)降低，所以，夾直線段的安全性將會(huì)大大降低。但是夾直線段并不是影響行車安全的主要因素，車體產(chǎn)生的震動(dòng)在一個(gè)震動(dòng)周期內(nèi)基本可以得到衰減，在兩個(gè)周期內(nèi)可以完全衰減消失。

5 總結(jié)

目前，隨著我國(guó)高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，鐵路線路設(shè)計(jì)是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大工程。由于工程的復(fù)雜性以及系統(tǒng)性，需要專業(yè)人才進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保障其安全性以及穩(wěn)定性。鐵路線路設(shè)計(jì)的平面組合方式多種多樣，但核心是各個(gè)參數(shù)的設(shè)定，參數(shù)的設(shè)置是否合理直接影響了列車行車的穩(wěn)定性以及安全性。在設(shè)計(jì)時(shí)要注意根據(jù)最佳匹配原理，結(jié)合仿真系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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