張 振 任建喬 吳沙坪

1 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 2 寧波舟山港股份有限公司

1 引言

近年來(lái)為適應(yīng)節(jié)能環(huán)保的政策需求，國(guó)家積極推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動(dòng)大宗貨物、中長(zhǎng)距離貨物運(yùn)輸從公路轉(zhuǎn)向鐵路，加快提升鐵路貨運(yùn)量，提高鐵路貨運(yùn)比例，推動(dòng)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展。

越來(lái)越多的老港區(qū)通過(guò)升級(jí)改造提升鐵路運(yùn)輸能力，但實(shí)踐中許多老港區(qū)都會(huì)受限于原有場(chǎng)地條件，一些專(zhuān)業(yè)化散貨設(shè)施無(wú)法布置，造成港口的系統(tǒng)能力無(wú)法整體提升，港口經(jīng)濟(jì)效益難以得到充分的體現(xiàn)。如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)來(lái)增設(shè)專(zhuān)業(yè)化散貨設(shè)施與碼頭相配，已經(jīng)成為一些改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)瓶頸。

2 項(xiàng)目概況

某碼頭主要裝卸煤炭、焦炭等能源類(lèi)散貨，原設(shè)計(jì)主要為煤炭經(jīng)鐵路集港后經(jīng)碼頭裝船外運(yùn)，故后方鐵路設(shè)計(jì)為卸車(chē)作業(yè)線(xiàn)。近年來(lái)，隨著港口腹地經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，煤炭卸船進(jìn)港后經(jīng)鐵路疏運(yùn)的需求逐步增加，需在后方原有場(chǎng)地及鐵路線(xiàn)上設(shè)計(jì)增加相應(yīng)的裝火車(chē)設(shè)施，以適應(yīng)經(jīng)營(yíng)形勢(shì)的變化，提高港口的服務(wù)能力。

本項(xiàng)目利用原有的卸車(chē)專(zhuān)用線(xiàn)改造為裝車(chē)線(xiàn)，將已建堆場(chǎng)出場(chǎng)帶式輸送機(jī)尾部延長(zhǎng)，改造成正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。正轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)西堆場(chǎng)南側(cè)新建帶式輸送機(jī)配合火車(chē)裝車(chē)樓將煤炭裝火車(chē)；反轉(zhuǎn)時(shí)則將煤炭輸送出場(chǎng)至碼頭裝船。

裝車(chē)樓布置在距分岔口約800 m的曲線(xiàn)段處。裝車(chē)樓為單軌跨線(xiàn)塔式快速定量裝車(chē)系統(tǒng)，通過(guò)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)對(duì)裝車(chē)樓供料。裝車(chē)過(guò)程中火車(chē)通過(guò)絞車(chē)牽引以合適的牽引速度配合裝車(chē)系統(tǒng)完成裝車(chē)作業(yè)，工藝平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工藝平面布置圖

由于原有鐵路線(xiàn)不長(zhǎng)，采用裝車(chē)樓作業(yè)的線(xiàn)路長(zhǎng)度需利用一段半徑約255 m的弧線(xiàn)段鐵路。因此，如何設(shè)計(jì)一套曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)，使得調(diào)車(chē)作業(yè)安全順暢是工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)的原理及組成

3.1 曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)的原理

通過(guò)沿弧形軌道按相同的曲率均勻布置一定數(shù)量的水平擋輪，鐵牛車(chē)在牽引鋼絲繩的牽引下經(jīng)過(guò)這些水平擋輪時(shí)，形成一個(gè)與圓弧軌道內(nèi)接的多邊形，通過(guò)合理的組合構(gòu)件設(shè)計(jì)，使得鐵牛車(chē)獲得足夠的切向牽引力，保障列車(chē)沿軌道方向行駛，在水平輪組的引導(dǎo)下完成轉(zhuǎn)彎，從而使得曲線(xiàn)牽引成為可能。

3.2 曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)的組成

本曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)裝置、鐵牛車(chē)、改向滑輪、鋼絲繩、重錘張緊裝置、托輥及水平輪組等部件，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。其中驅(qū)動(dòng)裝置是系統(tǒng)的主機(jī)，包括電機(jī)、減速器、摩擦輪等部件，是該系統(tǒng)的動(dòng)力源。鐵牛車(chē)是系統(tǒng)與鐵道車(chē)輛連接的部件，鐵牛車(chē)的車(chē)鉤與列車(chē)掛接，下部靠接頭與鋼絲繩連接，調(diào)車(chē)絞車(chē)帶動(dòng)鋼絲繩牽引鐵牛進(jìn)行推車(chē)或牽引作業(yè)。導(dǎo)向輪安裝在調(diào)車(chē)絞車(chē)系統(tǒng)兩端或其他部位，其作用就是改變鋼絲繩的方向。張緊裝置由繩輪、支架組成，有調(diào)整絞車(chē)松邊鋼絲繩拉緊、保持張力的作用，保證鋼絲繩在卷繩筒繩襯上有較穩(wěn)定的正壓力，促使絞車(chē)正常牽引，而不致鋼絲繩在卷繩筒上打滑。托輥均勻布置在軌道外側(cè)及內(nèi)側(cè)，用于平衡鋼絲繩載荷、防止鋼絲繩與道床的摩擦，減小鋼絲繩的下垂張力。

圖2 曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

水平輪組是曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)特有的組件，由1個(gè)水平擋輪和1個(gè)平托輥組成(見(jiàn)圖3)。其中水平擋輪承受鋼絲繩轉(zhuǎn)向的徑向力，在水平輪上設(shè)U型繩槽，增大水平輪受力面，局部受力減小，以增加水平輪和鋼絲繩的壽命。平托輥同一般的托輥，緊靠水輪輪布置，使得鋼絲繩在水平輪處不下垂，保證鋼絲繩在經(jīng)過(guò)水平輪時(shí)能準(zhǔn)確的繞進(jìn)繩槽中。

圖3 水平輪組

4 曲線(xiàn)牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 牽引力及張力計(jì)算

調(diào)車(chē)絞車(chē)牽引力主要用于克服裝車(chē)作業(yè)中的運(yùn)行阻力，使得列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)作業(yè)過(guò)程分析，運(yùn)行阻力分為列車(chē)運(yùn)行阻力和鋼絲繩摩擦及纏繞阻力兩部分。

根據(jù)《鐵路工程技術(shù)手冊(cè)》和《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》，作用在列車(chē)上的阻力與其質(zhì)量成正比，故在計(jì)算中采用單位阻力來(lái)計(jì)算總阻力。

4.1.1 列車(chē)單位阻力計(jì)算

按阻力性質(zhì)分為基本阻力、附加阻力和啟動(dòng)阻力3類(lèi)。

列車(chē)單位基本阻力為：

ω0=a+bv+cv2

(1)

式中，ω0為列車(chē)單位基本阻力，N/kN；a、b、c為阻力系數(shù)；v為列車(chē)運(yùn)行速度，km/h。經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目基本阻力為1.071 N/kN。

列車(chē)單位附加阻力決定于線(xiàn)路情況及氣候條件等。氣候條件引起的附加阻力目前尚無(wú)可靠計(jì)算方法，因此附加阻力僅計(jì)算坡道附加阻力、曲線(xiàn)附加阻力、隧道空氣附加阻力，在單位阻力計(jì)算時(shí)予以考慮適當(dāng)放大。本項(xiàng)目為平置曲軌，僅包含曲線(xiàn)附加阻力。

根據(jù)《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》，本項(xiàng)目曲線(xiàn)段較短，曲線(xiàn)附加阻力為：

(2)

式中，ωr為列車(chē)單位曲線(xiàn)附加阻力，N/kN；R為曲線(xiàn)段半徑；lr為曲線(xiàn)段長(zhǎng)度；l為列車(chē)長(zhǎng)度。經(jīng)計(jì)算，曲線(xiàn)附加阻力為0.3 N/kN。

列車(chē)單位啟動(dòng)阻力是車(chē)輛在起動(dòng)階段產(chǎn)生因慣性等原因產(chǎn)生的阻力:

ωq=3+0.4i

(3)

式中，ωq為列車(chē)單位啟動(dòng)阻力，N/kN；i為軌道坡度，本工程無(wú)坡度。根據(jù)《列車(chē)牽引力計(jì)算規(guī)程》，當(dāng)啟動(dòng)阻力計(jì)算值小于5 N/kN時(shí)，應(yīng)按照5 N/kN來(lái)考慮，故列車(chē)單位啟動(dòng)阻力為5 N/kN。

綜上，通過(guò)上述各阻力的分析計(jì)算，并考慮低溫、逆向、側(cè)向大風(fēng)等氣象原因單位阻力增加10%～20%，本項(xiàng)目列車(chē)單位運(yùn)行阻力為：ω=1.2×(ω0+ωr+ωq)≈8 N/kN。

4.1.2 列車(chē)阻力計(jì)算

根據(jù)車(chē)輛自重22.5 t；鐵道車(chē)輛載重70 t；則鐵道車(chē)輛總重92.5 t；車(chē)列共計(jì)52節(jié)車(chē)廂，車(chē)列總重G=4 810 t。列車(chē)運(yùn)行阻力W=ωWg=384.8 kN。

4.1.3 總運(yùn)行阻力計(jì)算

從前述分析，調(diào)車(chē)絞車(chē)工作總阻力包含列車(chē)運(yùn)行阻力和鋼絲繩摩擦阻力，運(yùn)行總阻力：

W總=W+2fqgl

(4)

式中，W總為總運(yùn)行阻力，kN；W為列車(chē)運(yùn)行阻力，kN；f為鋼絲繩摩擦系數(shù),取0.03；q為鋼絲繩每米重量，kg/m；L為牽引長(zhǎng)度，為800 m。經(jīng)計(jì)算牽引系統(tǒng)總阻力為390 kN。

4.1.4 牽引力

根據(jù)上述計(jì)算所得的裝車(chē)系統(tǒng)總運(yùn)行阻力，設(shè)置安全系數(shù)為1.2，機(jī)械傳動(dòng)效率0.85，計(jì)算得所需的總牽引力為550 kN。

4.1.5 鋼絲繩張力

由于鋼絲繩與絞車(chē)摩擦卷筒為摩擦傳動(dòng)，符合撓性體摩擦牽引傳動(dòng)的歐拉公式，故鋼絲繩與卷筒相遇點(diǎn)處張力最大，根據(jù)歐拉公式，鋼絲繩最大張力F計(jì)算如下：

(5)

式中，F(xiàn)U為圓周驅(qū)動(dòng)力，kN；μ為鋼絲繩與卷筒之間摩擦系數(shù)；φ為鋼絲繩在卷筒上的圍包角。經(jīng)計(jì)算鋼絲繩上最大張力為825 kN。

4.2 水平輪組布置設(shè)計(jì)

通過(guò)沿軌道曲率設(shè)置水平輪組，使得曲線(xiàn)牽引成為可能，但水平輪組如何布置決定了牽引系統(tǒng)工作的可靠性。輪組布置的越多，則牽引鋼絲繩越接近軌道弧線(xiàn)，運(yùn)行越可靠，但大大增加了工程量，同時(shí)也增加了運(yùn)行阻力，故需對(duì)水平輪組的布置進(jìn)行合理布置。

4.2.1 曲線(xiàn)脫軌條件與脫軌系數(shù)

當(dāng)鐵牛車(chē)在鋼絲繩牽引下經(jīng)過(guò)弧段鐵路時(shí)，鋼絲繩繞過(guò)水平輪處的牽引張力和軌道的方向存在一個(gè)夾角，使得鋼絲繩上的牽引力在垂直于軌道方向產(chǎn)生一個(gè)微小的徑向力。當(dāng)這個(gè)徑向力大到一定程度時(shí)，會(huì)使得車(chē)輪與軌道接觸，產(chǎn)生脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)車(chē)輪輪緣貼靠曲線(xiàn)鋼軌且輪軌為點(diǎn)接觸時(shí)，車(chē)輪處于脫軌的臨界狀態(tài)，此時(shí)橫向?qū)蛄與車(chē)輪荷載Q均作用在此點(diǎn)上(見(jiàn)圖4)。依據(jù)《機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T5599-2019)，脫軌系數(shù)K通過(guò)輪軌橫向力和輪軌垂向力的比值來(lái)表示，一般應(yīng)不大于0.8。

圖4 輪軌作用力受力示意圖

(6)

式中，Y為輪軌橫向力；Q為輪軌垂向力。

4.2.2 水平輪組布置設(shè)計(jì)

當(dāng)鐵牛車(chē)在鋼絲繩的牽引作用下經(jīng)過(guò)水平輪組時(shí)，鋼絲繩張力與圓弧軌道切線(xiàn)方向存在一個(gè)夾角γ，夾角的大小取決于水平輪的布置情況，將鋼絲繩上的張力向圓弧的切向和徑向分解(見(jiàn)圖5)。此時(shí)徑向力通過(guò)鐵牛車(chē)輪作用在單側(cè)的軌道上，產(chǎn)生前述的輪軌橫向力，由于單側(cè)軌道上布置2個(gè)車(chē)輪，輪軌橫向力是徑向分力的一半。輪軌垂向力為鐵牛車(chē)輪壓。

圖5 水平輪組受力示意圖

通過(guò)上述分析，按照脫軌系數(shù)規(guī)范要求則有

(7)

式中，F(xiàn)為鋼絲繩上最大張力，kN；G為鐵牛車(chē)自重，kN；γ為兩水平輪對(duì)應(yīng)的圓弧角。

經(jīng)計(jì)算，為保證鐵牛車(chē)在運(yùn)行中不因鋼絲繩產(chǎn)生的徑向分力而脫軌，要求水平輪組間最大鐵路弧段長(zhǎng)度為7.4 m，即水平輪組的布置間距不得大于7.4 m。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)考慮沿弧段軌道每隔5 m弧長(zhǎng)布置一組水平輪組。

5 結(jié)語(yǔ)

某港區(qū)原有鐵路線(xiàn)受局限，無(wú)法按常規(guī)的直線(xiàn)鐵路設(shè)計(jì)布置裝車(chē)設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)唯一可利用的是一段帶弧線(xiàn)段的鐵路線(xiàn)。本文通過(guò)對(duì)絞車(chē)牽引系統(tǒng)針對(duì)性的設(shè)計(jì)，使得在弧段鐵路上布置裝車(chē)樓成為可能。該設(shè)計(jì)可供同類(lèi)項(xiàng)目借鑒。