鐵路較長緩和曲線對行車安全性與平穩(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)

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鐵路較長緩和曲線對行車安全性與平穩(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)計時為了盡量利用原勘測勘探資料，對較長的緩和曲線未及時按規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，存在緩和曲線較長的情況；當(dāng)采用較長緩和曲線時，通過對行車的安全性與平穩(wěn)性計算，來分析采用較長緩和曲線能否滿足車輛運行相關(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，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。

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

2行車安全性與舒適性對緩和曲線長度的要求

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

由上式可知，對于緩和曲線普遍較長的，由脫軌安全要求計算的緩和曲線長度顯然不起控制作用。

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

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

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

3車輛運行指標(biāo)對緩和曲線長度的要求

車輛曲線通過時，受曲線設(shè)置要素影響的車輛運行安全性指標(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)均受緩和曲線長度影響，因此緩和曲線應(yīng)有足夠的長度，來滿足車輛通過曲線時安全、平穩(wěn)。

當(dāng)采用規(guī)范中規(guī)定的緩和曲線長度值時，車輛通過曲線的運行指標(biāo)肯定滿足要求。但當(dāng)采用較長緩和曲線時，需對以上幾個指標(biāo)進(jìn)行計算，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度設(shè)置實例

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

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

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

《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》與《新建時速200 km客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》中緩和曲線長度比較(表1)。

表1　兩種規(guī)范緩和曲線長度比較　m

注：本表只列出部分常用半徑

5采用較長緩和曲線時，行車安全性與平穩(wěn)性

5.1計算條件

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

(1)最大通過速度： 200 km/h；

(2)半徑：R-7000 m;

(3)緩和曲線長度：L-590 m;

(4)實設(shè)超高：h-45 mm;

(5)計算均不考慮軌道不平順的影響。

5.2計算說明

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)在緩和曲線全長范圍內(nèi)過渡設(shè)置。由于在設(shè)計中按較高速度設(shè)計，若運行普速列車，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，會對車輛的運行安全性和平穩(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，故本計算不對超高順坡率問題進(jìn)行分析。

5.3評定標(biāo)準(zhǔn)

參照GB 5599-1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》；TB/T 3188-2007《鐵道客車行車安全監(jiān)測診斷系統(tǒng)技術(shù)條件》；UIC 518-2005《軌道車輛動力學(xué)性能試驗及驗收-運行安全性-軌道疲勞-乘坐舒適性》進(jìn)行評定，評定主要指標(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)車體振動水平加速度： aL≤0.10 g (半峰值)；

(4)運行平穩(wěn)性指標(biāo)采用Sperling指標(biāo)，評定等級如表2。

表2　平穩(wěn)性評定等級

5.4計算結(jié)果

計算結(jié)果見表3。

表3　計算結(jié)果

6結(jié)論

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

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

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

以上分析結(jié)果均是在不考慮軌道不平順等激勵的影響時得出的，同時也未考慮超高順坡率等問題，因此，緩和曲線的長度對行車的安全性、平穩(wěn)性還需綜合考慮各種影響因素，開展深入系統(tǒng)的研究及試驗驗證。同時在工程設(shè)計時緩和曲線長度的選擇應(yīng)因地制宜、從長到短、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能改造工程修改初步設(shè)計[R].2012.

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

【中圖分類號】U212.33+2.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-30