山西中強(qiáng)鐵路開行重載列車最小曲線半徑研究

程　遠(yuǎn)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055 )

山西中強(qiáng)鐵路開行重載列車最小曲線半徑研究

程遠(yuǎn)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055 )

摘要：最小曲線半徑是鐵路線路設(shè)計(jì)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，直接影響到鐵路運(yùn)輸安全、工程投資和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等。以中強(qiáng)鐵路專用線為例，結(jié)合項(xiàng)目地形條件和萬噸重載運(yùn)輸?shù)囊螅瑥倪\(yùn)輸安全、工程投資、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面進(jìn)行全面分析，并借鑒國(guó)內(nèi)重載鐵路大秦鐵路集運(yùn)系統(tǒng)中寧岢線、平朔支線，神朔鐵路等的最小曲線半徑設(shè)置及運(yùn)營(yíng)情況，確定中強(qiáng)鐵路專用線的曲線半徑設(shè)計(jì)原則，得出經(jīng)濟(jì)合理的最小曲線半徑為400 m。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；重載列車；最小曲線半徑；設(shè)計(jì)

1概述

1.1線路概況

山西中強(qiáng)煤化鐵路專用線(簡(jiǎn)稱中強(qiáng)專用線)位于山西省臨汾市境內(nèi)，線路自山西中南部鐵路通道浮山站西端咽喉疏解引出，向南至浮山縣中強(qiáng)煤化有限公司在建工業(yè)廣場(chǎng)北側(cè)設(shè)中強(qiáng)裝車站。線路正線長(zhǎng)度14.9 km，設(shè)置2個(gè)車站，站間距13 km。本線是山西中南部鐵路通道對(duì)沿線腹地經(jīng)濟(jì)起輻射帶動(dòng)作用的重要徑路[1]。

1.2鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)相鄰線鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

中強(qiáng)專用線接軌于在建山西中南部鐵路通道浮山站，區(qū)域路網(wǎng)主要有山西中南部鐵路、南同蒲線、太焦線等，各鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(2)中強(qiáng)專用線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：Ⅲ級(jí)；正線數(shù)目：?jiǎn)尉€；最大坡度：6/13‰；最小曲線半徑：400 m；牽引種類：電力；機(jī)車類型：HXD系列；牽引質(zhì)量：10 000 t，部分5 000 t；到發(fā)線有效長(zhǎng)度：1 700 m；閉塞類型：自動(dòng)站間閉塞[1]。

1.3線路能力

本項(xiàng)目承擔(dān)運(yùn)量主要為浮山地區(qū)煤炭資源，近期預(yù)測(cè)運(yùn)量500萬t，遠(yuǎn)期1 030萬t。專用線去往京廣線、京滬線的貨物列車牽引質(zhì)量按照5 000 t考慮，去往日照港方向的貨物列車牽引質(zhì)量10 000 t，不開行旅客列車[2]。研究年度輸送能力見表2。貨流密度見表3。

表1　相鄰線鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

表2　研究年度設(shè)計(jì)輸送能力

表3　項(xiàng)目區(qū)段貨流密度　104t

2鐵路最小曲線半徑研究

鐵路最小平面曲線半徑直接影響到鐵路工程投資、運(yùn)輸安全和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等，鐵路最小平面曲線半徑的選擇應(yīng)結(jié)合行車速度和地形條件比選確定，并考慮鐵路建成運(yùn)營(yíng)后盡量減少維修[3-5]。

中強(qiáng)專用線是Ⅲ級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)行車速度不高，一般不大于80 km/h，按照鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范要求，最小曲線半徑一般不宜小于600 m，困難條件下不宜小于500 m；在特殊困難條件下，列車進(jìn)出站需減速、加速或長(zhǎng)大上坡地段，可采用與行車速度相匹配的曲線半徑[4]?？紤]到中強(qiáng)專用線為企業(yè)投資的貨運(yùn)鐵路，在滿足運(yùn)輸安全的前提下，宜盡量降低工程投資，兼顧考慮減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，特別要重視萬噸重載列車鋼軌磨耗問題。

中強(qiáng)專用線地形條件困難，采用600 m半徑方案，地塊切割非常嚴(yán)重，高橋、隧道工程多，投資大且工期長(zhǎng)，實(shí)施困難，不再深入研究。下面結(jié)合項(xiàng)目具體情況，對(duì)最小曲線半徑300、400 m兩個(gè)方案從運(yùn)輸安全、工程投資和運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量方面進(jìn)行綜合比選和研究，如圖1所示。

2.1從運(yùn)輸安全上分析

為保證機(jī)車車輛在曲線上的運(yùn)行安全，保證輪軌間的正常接觸，車輛上所受的力應(yīng)保持在安全范圍內(nèi)。最小曲線半徑應(yīng)保證車輛通過曲線時(shí)的安全性、穩(wěn)定性[6]。

(1)采用最小曲線半徑的長(zhǎng)大下坡道制動(dòng)安全性分析

圖1　最小曲線半徑比較示意

中強(qiáng)專用線采用6/13‰限制坡度，由于園區(qū)裝車站與接軌站間直線距離短、高差大，線路展線出現(xiàn)約3 km長(zhǎng)的小半徑曲線“燈泡線”，且位于長(zhǎng)大下坡道上。列車在運(yùn)行過程中施加動(dòng)力制動(dòng)力時(shí)，由于動(dòng)力制動(dòng)力集中在機(jī)車動(dòng)軸上，列車和尾部車輛因慣性繼續(xù)往前行駛，在小半徑曲線地段會(huì)產(chǎn)生偏角較大的合力，可能有造成列車脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。為避免安全風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)應(yīng)采用小半徑曲線集中設(shè)置的措施。

最小曲線半徑400 m方案，設(shè)計(jì)采用的列車運(yùn)行方案為：當(dāng)列車出站時(shí)，列車增速至30 km/h后開始惰行，以不超過側(cè)向道岔限速的速度離開車站最外方道岔，進(jìn)入帶小曲線半徑的長(zhǎng)大下坡道；列車一直增速至13‰的下坡道限速值后，及時(shí)開始對(duì)列車施加解壓量60 kPa的空氣制動(dòng)。根據(jù)《機(jī)車操縱規(guī)程》，貨物列車速度在15 km/h以下時(shí)，不應(yīng)緩解列車制動(dòng)，長(zhǎng)大下坡道區(qū)段因受制動(dòng)周期等因素限制，最低緩解速度不應(yīng)低于10 km/h。根據(jù)《大秦線萬噸級(jí)列車開行辦法》，萬噸級(jí)列車最低緩解速度不應(yīng)小于30 km/h。因此，列車速度降至接近30 km/h時(shí)進(jìn)行緩解，此時(shí)列車已離開了400 m的小半徑曲線地段，進(jìn)入800 m半徑的曲線地段后，實(shí)施動(dòng)力制動(dòng)，根據(jù)滿足周期制動(dòng)充風(fēng)的要求，機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力可以達(dá)到其最大值。

圖2　列車牽引計(jì)算模擬V-S曲線(HXD1機(jī)車單機(jī)牽引10 000 t)

經(jīng)檢算，機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力系數(shù)采用到50%時(shí)，對(duì)于連續(xù)的13‰長(zhǎng)大下坡道，從30 km/h增速至70 km/h的增速時(shí)間為179s，小于60 kPa減壓量所對(duì)應(yīng)的空走時(shí)間+充風(fēng)時(shí)間244 s，考慮到專用線長(zhǎng)大下坡道不長(zhǎng)，充不滿風(fēng)時(shí)的再次空氣制動(dòng)仍然是有效的；若動(dòng)力制動(dòng)力系數(shù)采用100%時(shí)，則增速時(shí)間可達(dá)487 s，遠(yuǎn)大于244 s；綜上所述，在此運(yùn)行方式下，避免了長(zhǎng)大下坡道上小半徑曲線地段的機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)，列車在長(zhǎng)大下坡道上的周期制動(dòng)沒有問題，因此，專用線在400 m曲線半徑的長(zhǎng)大下坡道上的運(yùn)行安全有保證。專用線設(shè)計(jì)長(zhǎng)大下坡道的最大坡度為13‰，設(shè)計(jì)模擬情況較好，詳見圖2。最小曲線半徑300 m方案，小曲線半徑范圍較400 m半徑方案向大里程方向多延伸了約500 m，列車尚未離開小半徑曲線區(qū)段就需要施加動(dòng)力制動(dòng)，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，可能造成列車脫軌。通過對(duì)寧苛線調(diào)研，寧武站附近有300 m半徑的曲線，區(qū)間有20‰左右的大坡道，曾發(fā)生過掉道事故。

結(jié)合理論計(jì)算及對(duì)現(xiàn)有同類線路的調(diào)研情況，建議采用400 m半徑方案。

(2)抗傾覆安全性分析

設(shè)計(jì)須采用具有一定的抗傾覆安全系數(shù)的最小曲線半徑，以確保列車在曲線上運(yùn)行安全。保證此條件下的曲線半徑應(yīng)滿足下列不等式

式中Ra——抗傾覆安全系數(shù)要求的最小曲線半徑，m；

n——抗傾覆安全系數(shù)，取3；

V——行車速度，km/h；

h——曲線超高，mm；

S——內(nèi)外股鋼軌中心線距離，取1 500 mm；

a——車輛重心高度，mm；

hf——風(fēng)力當(dāng)量超高，mm；

hs——車輛橫向振動(dòng)當(dāng)量超高，mm。

根據(jù)上式計(jì)算，路段設(shè)計(jì)速度80 km/h，Ra≥340 m；路段設(shè)計(jì)速度60 km/h，Ra≥200 m[4]。

根據(jù)模擬V-S曲線圖，行車速度不大于75 km/h，計(jì)算得出Ra≥299 m。說明最小曲線半徑300 m和400 m方案均能滿足抗傾覆安全要求；但較大的曲線半徑抗傾覆安全性好，且考慮到實(shí)際運(yùn)營(yíng)中列車行車速度可能大于75 km/h，為確保運(yùn)輸安全，采用較大的400 m曲線半徑較為安全。

2.2從工程投資上分析

中強(qiáng)專用線位于中條山北端，屬中低山山前黃土臺(tái)塬區(qū)?？傮w地勢(shì)南高北低，沖溝發(fā)育，多呈“U”形，地形起伏較大，臺(tái)塬頂部地形起伏較小。海拔630～810 m，相對(duì)高差15～80 m，地形條件困難。專用線接軌站和園區(qū)裝車站間直線距離僅4.5 km，相對(duì)高差達(dá)110 m，需在小范圍內(nèi)進(jìn)行線路集中展線[7]。

Ⅲ、Ⅳ級(jí)鐵路行車速度不高，運(yùn)量也較小，在地形困難地段為更好地適應(yīng)地形，有條件采用小半徑可減少工程，根據(jù)鐵二院對(duì)西南地區(qū)干、支線定線分析，得出山區(qū)的合理經(jīng)濟(jì)曲線半徑為200～300 m，根據(jù)鐵一院對(duì)苛嵐瓦塘線最小曲線半徑的工程經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證，最小曲線半徑在300～400 m范圍內(nèi)，半徑每減少50 m可減少工程費(fèi)1.2%[4]。

結(jié)合項(xiàng)目具體工程情況，從節(jié)省工程投資的角度考慮，對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比選，主要工程數(shù)量和投資比較見表4。

表4　兩種半徑方案主要工程數(shù)量及投資比較

根據(jù)表4可知，最小曲線半徑400 m方案比300 m方案主要工程投資增加約2 011.94萬元，投資增幅占3.4%，增加幅度較少。說明本段線路最小曲線半徑300 m和400 m方案均能適應(yīng)沿線地形。從工程投資上分析，300 m半徑方案具有一定優(yōu)勢(shì)。

2.3從運(yùn)營(yíng)維護(hù)上分析

中強(qiáng)專用線開行萬噸重載貨物列車。重載鐵路軸重大，不可避免地要增大輪軌間的相互作用力，加劇車輪與鋼軌磨損[8]，導(dǎo)致鋼軌、車輪頻繁維修甚至更換，增加運(yùn)營(yíng)成本。因此，從運(yùn)營(yíng)維護(hù)角度分析，應(yīng)十分重視輪軌磨耗問題。在本線最小曲線半徑的選擇研究中，滿足內(nèi)外鋼軌均磨要求，應(yīng)作為優(yōu)先考慮的因素之一[9]。

內(nèi)外鋼軌均磨條件要求的最小曲線半徑應(yīng)滿足下列不等式

式中Rsj——舒適與均磨半徑，m；

Vmax——列車最高行車速度，采用路段設(shè)計(jì)速度，分別為100、80、60、40 km/h；

Vh——貨物列車低速經(jīng)過曲線時(shí)的速度，與設(shè)計(jì)速度分別對(duì)應(yīng)的為60、50、40、20 km/h；

hqy——充許欠超高值，mm，一般取70 mm，困難取90 mm；

hgy——充許過超高值，mm，一般取30 mm，困難取50 mm。

根據(jù)上式計(jì)算，困難條件下，路段設(shè)計(jì)速度80 km/h，Rsj≥330 m；路段設(shè)計(jì)速度60 km/h，Ra≥170 m[4]。

根據(jù)模擬V-S曲線圖，行車速度不大于75 km/h，計(jì)算得出Ra≥288 m。較大的曲線半徑有利于滿足均磨要求，且考慮到實(shí)際運(yùn)營(yíng)中列車行車速度可能大于75 km/h，為滿足內(nèi)外鋼軌均磨條件，減少運(yùn)營(yíng)成本，應(yīng)采用較大的400 m曲線半徑。

從鋼軌磨耗方面分析，當(dāng)線路曲線半徑較小時(shí)，列車運(yùn)行中輪對(duì)沖角和橫向力變大，鋼軌側(cè)磨就會(huì)增大[10]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，曲線半徑越小，外軌磨耗越嚴(yán)重。R≤350 m，鋼軌磨耗的速度加劇。此外，小半徑曲線地段除鋼軌磨耗嚴(yán)重外，軌距、水平和方向也難保持，養(yǎng)護(hù)維修工作量增大[11-12]。因此，從輪軌磨耗方面分析，宜采用較大的400 m半徑方案。

2.4開行萬噸重載列車既有鐵路的調(diào)研情況

為更好地驗(yàn)證中強(qiáng)專用線在困難條件下最小曲線半徑選取的經(jīng)濟(jì)合理性，對(duì)國(guó)內(nèi)重載鐵路大秦鐵路集運(yùn)系統(tǒng)中寧岢線、平朔支線，神朔鐵路等的最小曲線半徑設(shè)置情況進(jìn)行調(diào)研和橫向?qū)Ρ取?/p>

大秦集運(yùn)系統(tǒng)普遍開行萬噸級(jí)列車，其中線路條件較差的是平朔支線，其坡度為17‰、最小曲線半徑為400 m、小半徑曲線連續(xù)長(zhǎng)度2 637 m；目前該線長(zhǎng)期開行萬噸級(jí)列車。此外，寧武—苛嵐線最大坡度13‰、最小曲線半徑400 m；神朔線(朔州—神池南)最大坡度13‰、最小曲線半徑400 m；以上兩條鐵路均長(zhǎng)期開行萬噸列車。

2.5推薦意見

為發(fā)揮小半徑曲線在困難地形條件下節(jié)省投資的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)盡量采用較小的曲線半徑。但是本線300 m曲線半徑段位于長(zhǎng)大下坡道，萬噸列車運(yùn)行中存在脫軌風(fēng)險(xiǎn)；在運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面，300 m曲線半徑加劇鋼輪、鋼軌磨耗，增加養(yǎng)護(hù)工作量及運(yùn)營(yíng)成本；且300 m半徑方案較400 m半徑方案工程投資節(jié)省有限，故不應(yīng)作為選擇。

從運(yùn)輸安全、工程投資和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等角度綜合分析，并結(jié)合對(duì)太原局管段內(nèi)開行萬噸列車的既有線曲線半徑調(diào)研情況，中強(qiáng)專用線的最小曲線半徑應(yīng)為400 m。

3結(jié)語

最小曲線半徑的確定，既要保證運(yùn)營(yíng)安全，減少運(yùn)營(yíng)維修工作量，降低運(yùn)營(yíng)成本，又要滿足線路適應(yīng)地形條件，節(jié)約工程投資；同時(shí)也不能一味地追求經(jīng)濟(jì)性而無限次采用小曲線半徑，惡化運(yùn)營(yíng)條件。此外，還應(yīng)注意結(jié)合項(xiàng)目運(yùn)輸需求，在滿足國(guó)家規(guī)范的前提下，因地制宜、合理選用。

在小半徑曲線地段運(yùn)行萬噸重載列車，車輪、鋼軌磨耗嚴(yán)重，應(yīng)特別重視列車脫軌安全問題，最小曲線半徑須滿足抗傾覆安全性要求，還要注意檢算與長(zhǎng)大下坡不利條件疊加下的制動(dòng)安全問題等。

最小曲線半徑應(yīng)在地形困難地段集中設(shè)置，以免列車頻繁限速、損失動(dòng)能，增大能量消耗，惡化運(yùn)營(yíng)條件。而在一般地段，宜采用較大曲線半徑，以滿足行車速度要求，為運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)創(chuàng)造良好條件。

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Study on Minimum Curve Radius for Operation of Heavy Haul Trains on Shanxi Zhongqiang Railway

CHENG Yuan

(China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

Abstract：The minimum curve radius is one of the main technical standards in railway line design， which directly affects the safety of railway transportation， the project investment， the operation and maintenance. With reference to Shanxi Zhongqiang special railway line and in view of the terrain conditions and heavy haul requirements of the project， this paper analyzes comprehensively the transportation safety， project investment， operation and maintenance and determines the principles for design of radius of Shanxi Zhongqiang special railway line on the basis of the settings of minimum curve radius and operation conditions of existing heavy haul railway lines such as Ningwu-Kelan railway line and Pingshuo railway line in the mass transit system of Dalian-Qinhuangdao railway， and Shenshuo railway. Thus the reasonable and economical minimum curve radius should be 400m.

Key words：Heavy haul railway; Heavy haul train; Minimum curve radius; Design

中圖分類號(hào)：U212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.007

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0027-05

作者簡(jiǎn)介：程遠(yuǎn)(1982—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：75593737@qq.com。

收稿日期：2014-10-17； 修回日期：2014-10-27