蔣志華

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在鐵路設(shè)計中，安全線的設(shè)計是保障運輸安全的必要基礎(chǔ)條件，可避免當(dāng)某一列車或調(diào)車組發(fā)生意外、停留車輛溜移時影響其他線路的列車或車輛安全。鑒于此，鐵路行業(yè)對安全線的設(shè)置條件做出了系列規(guī)定。但若出現(xiàn)列車、調(diào)車作業(yè)發(fā)生意外、或超速時，車輛與車擋發(fā)生碰撞，易造成車輛及車擋的損毀。為減小損毀、彌補安全線不足，設(shè)計了安裝在車擋前一定距離的擋車器等緩沖設(shè)備，起到緩沖作用[1]。基于擋車器阻擋車輛的受力原理，需在安全線平縱斷面設(shè)計方面進行相應(yīng)的調(diào)整，以實現(xiàn)安全線、擋車器功能的系統(tǒng)性充分發(fā)揮，最大限度的保障運輸安全。本文謹(jǐn)以安全線與擋車器的相互匹配關(guān)系進行研究，并提出對安全性的設(shè)計新理念。

1 現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范對安全線平縱斷面的設(shè)計要求

在下列規(guī)程規(guī)范中，對安全線的設(shè)置條件和位置都有相關(guān)要求，本文對此不再贅述，重點對安全線平縱斷面方面的設(shè)計要求進行研究探討。

(1)TG/01-2014、TG/01A-2017《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(以下簡稱《技規(guī)》)相關(guān)規(guī)定，第55條“安全線向車擋方向不應(yīng)采用下坡道”[2]。

(2)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《高規(guī)》)相關(guān)規(guī)定，第10.3.9條“鄰靠正線和到發(fā)線的安全線宜采用遠離相鄰正線和到發(fā)線的曲線型布置，并應(yīng)設(shè)置雙側(cè)護輪軌”，“安全線的縱坡應(yīng)設(shè)計為平道或面向車擋的上坡道”，“安全線尾部應(yīng)設(shè)置車擋和緩沖裝置”[3]。

(3)TB 10099-2017《鐵路車站及樞紐設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《站規(guī)》)相關(guān)規(guī)定，第3.1.12條“安全線的縱坡應(yīng)設(shè)計為平道或面向車擋的上坡道”，“安全線應(yīng)設(shè)置雙側(cè)護輪軌，尾部應(yīng)設(shè)置車擋和緩沖裝置，路基地段安全線尾部應(yīng)設(shè)置止輪土基”[4]。

(4)鐵道第四勘察設(shè)計院主編《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊-站場及樞紐》(以下簡稱《手冊》)相關(guān)規(guī)定，第三章第二節(jié)“一、車擋”第2條第(2)項，對彎軌式車擋“車擋前方5 m范圍內(nèi)的線路要求做成面向車擋5‰左右的上坡”?！岸?、擋車器”中“安裝擋車器線路必須符合下列條件：擋車器滑行范圍無軌縫，并且在直線上”[5]。

2 擋車器受力特點

擋車器系安裝于車擋前的鋼軌上、對進入安全線的車輛進行緩沖阻擋的設(shè)備，擋車器按在鋼軌上安裝方式的不同分為固定式、滑動式；按受力點不同的初始消能方式分整體式、彈簧式、液壓式(關(guān)于擋車器的種類、型號、適用條件等可見廠家產(chǎn)品說明)。其設(shè)計受力點位于車鉤處、受力方向在平縱斷面上都是基于平行于軌道方向的，沒有產(chǎn)生其他方向的分力，可最大限度的發(fā)揮對車輛的阻擋作用。車列撞擊時，通過初始消能后(設(shè)油缸、彈簧消能為W)，繼續(xù)通過擋車器下部的阻尼器(摩擦阻力F)與在鋼軌上滑動的距離S共同形成制動功(A=F×S)，只要總制動功(W+A)大于車列的動能E=1/2mv2，即W+A≥E即可實現(xiàn)擋停車列(車輛基本阻力、風(fēng)阻力、線路阻力等相對太小，且其作用也是起到減速作用的，可忽略)。一旦受力點、受力方向有差異，必將極大程度的減弱對車輛的阻擋作用，甚至造成對車輛和擋車器的嚴(yán)重?fù)p毀。擋車器正常受力情況，如圖1、圖2所示。

圖1 直線型平面受力示意圖

圖2 無變坡點型縱斷面受力示意圖

根據(jù)安全線防護的車列種類不同，進入安全線的車列總重和速度各有差異，在設(shè)計實踐中，擋車器一般安裝在車擋前5～15 m。根據(jù)在某廠的實際測試，1 000 t列車、5 km/h速度撞擊，某型號擋車器僅滑動了0.8 m，擋車器至車擋距離可根據(jù)實際需要按前文公式計算并考慮安全余量確定，理論計算 4 000 t、15 km/h撞擊液壓式擋車器需滑動22 m。一般考慮在行車線相鄰的安全線(含疏解聯(lián)絡(luò)線處)的車擋前采用10～15 m，在其余速度較低的安全線、貨場及段所的盡頭線可采用5～10 m。

3 安全線曲線型平面設(shè)計的危害分析

3.1 曲線型安全線對鄰線的危險分析

在現(xiàn)行《高規(guī)》、《站規(guī)》中，均有“鄰靠正線的安全線應(yīng)采用曲線型布置”要求，但實際上，采用曲線型更增加了危險性或危害程度。

圖3 曲線型平面離心力示意圖

鄰靠正線、到發(fā)線的安全線較為常見，如圖3所示，且安全線往往與鄰線間距不大，一般在5.0～6.5 m的情況較為普遍。而安全線的長度一般不足100 m(有效長50 m)，采用曲線型的曲線半徑也就較小。如采用的曲線型彎向靠近鄰線(正線、到發(fā)線)，則車擋與鄰線間距會減小，且造成車擋背后沖向鄰線，更增加了對鄰線的危險性。如曲線型彎向遠離鄰線，那么車輛快速沖進安全線時，其離心力作用(F=M×V2/R)增加車輛對軌道的側(cè)向力，甚至可能引起車輛倒向鄰線，也增加了對鄰線的危險性(雖然也有論文提出安全線在靠近鄰線側(cè)設(shè)置超高以緩解離心力并避免向鄰線傾覆，但超過設(shè)置多少合適，未有研定，文獻[6])。鑒于此，在與正線、到發(fā)線相鄰時，不應(yīng)采取曲線型設(shè)計。

3.2 曲線型對擋車器的危害性

曲線型平面受力示意，如圖4所示，安全線設(shè)為曲線型時，車輛因位于曲線上，撞擊擋車器的作用力方向與擋車器的正常受力方向間有夾角β，由于車列總重大、并有一定速度，根據(jù)E=1/2mv2，可見其動能巨大，即使夾角很小，也使得正向分力F1=F×cosβ大為減弱、且形成的側(cè)向分力F2=F×sinβ較大，該側(cè)向分力F2對車鉤、擋車器、軌道均可能造成破壞性損毀。

圖4 曲線型平面受力示意圖

因此，安全線設(shè)計為曲線型設(shè)計多有安全隱患，應(yīng)采用直線型設(shè)計，尤其是在鄰靠正線、到發(fā)線位置的安全線，至少在靠近車擋的后半部分必須為直線。車輛撞擊擋車器時，車輛必須位于直線上。

一般普速客車長度22 m并考慮車鉤，動車組的頭車(第一個車體)長度一般在25.7～27.6 m，擋車器前一個車長(按30 m計)至車擋應(yīng)為直線，擋車器安裝位置距車擋一般最大為15 m，考慮相關(guān)安全余量，安全線車擋前至少應(yīng)有50 m直線段。

4 安全線縱斷面設(shè)計應(yīng)采用整坡，避免設(shè)置變坡點

安全線縱斷面如采用凸型，如圖5所示，那么車輛撞擊擋車器時，受力點上移，如坡度代數(shù)差較大時可能車鉤不能撞擊在擋車器的受力區(qū)域，使得擋車器作用無效，也可能使得車鉤扭壞；如坡度代數(shù)差較小，將產(chǎn)生向上的分力F2，即使擋車器的作用力方向與擋車器的正常受力方向間有夾角β較小，由于車列總重大、并有一定速度，根據(jù)E=1/2mv2，可見其動能巨大，也使得正向分力F1=F×cosβ大為減弱，難以實現(xiàn)阻擋車列的作用目的；且形成的向上的側(cè)向分力F2=F×sinβ較大，該向上的側(cè)向分力F2引起擋車器上拔軌道，可能造成擋車器拉裂、軌道拔起的破壞性損毀。

圖5 凸型縱斷面受力示意圖

安全線縱斷面如采用凹型，如圖6所示，原理與凸型相似，同樣造成阻擋作用減弱難以實現(xiàn)阻擋車列的作用目的；分力F2受力方向向下，可能造成擋車器擠壞、軌道凹陷的損毀性后果。

圖6 凹型縱斷面受力示意圖

因此，安全線縱斷面設(shè)計為應(yīng)采用一個整坡，避免設(shè)置變坡點，或者至少在靠近車擋的后半部分必須為整坡，也即安全線車檔前至少應(yīng)有50 m整坡段(安全線可不考慮豎曲線)。

5 對設(shè)計規(guī)范的修改建議

根據(jù)上述研究分析，按設(shè)計規(guī)范要求安裝了擋車器等緩沖設(shè)備后，為保障運輸安全，更好地發(fā)揮這些設(shè)備的作用、有利于設(shè)備的多次反復(fù)使用，對安全線的平縱斷面在相關(guān)規(guī)范[7-8]中存在的不足應(yīng)進行適當(dāng)?shù)男薷恼{(diào)整，建議修改為如下內(nèi)容：

安全線尾部平面應(yīng)采用直線型，困難情況下也應(yīng)保證車擋前50 m為直線。安全線尾部縱斷面應(yīng)采用一個整坡，至少車擋前50 m應(yīng)為一個坡度。