鐵路安全線與擋車器的匹配設(shè)計(jì)研究

蔣志華

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在鐵路設(shè)計(jì)中，安全線的設(shè)計(jì)是保障運(yùn)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(shí)影響其他線路的列車或車輛安全。鑒于此，鐵路行業(yè)對(duì)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(shí)，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(bǔ)安全線不足，設(shè)計(jì)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]?；趽踯嚻髯钃踯囕v的受力原理，需在安全線平縱斷面設(shè)計(jì)方面進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以實(shí)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(yùn)輸安全。本文謹(jǐn)以安全線與擋車器的相互匹配關(guān)系進(jìn)行研究，并提出對(duì)安全性的設(shè)計(jì)新理念。

1 現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范對(duì)安全線平縱斷面的設(shè)計(jì)要求

在下列規(guī)程規(guī)范中，對(duì)安全線的設(shè)置條件和位置都有相關(guān)要求，本文對(duì)此不再贅述，重點(diǎn)對(duì)安全線平縱斷面方面的設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(jiǎn)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(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)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(yuǎn)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(hù)輪軌”，“安全線的縱坡應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)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(jì)為平道或面向車擋的上坡道”，“安全線應(yīng)設(shè)置雙側(cè)護(hù)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(jì)院主編《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)-站場(chǎng)及樞紐》(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)相關(guān)規(guī)定，第三章第二節(jié)“一、車擋”第2條第(2)項(xiàng)，對(duì)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踯嚻鳌敝小鞍惭b擋車器線路必須符合下列條件：擋車器滑行范圍無(wú)軌縫，并且在直線上”[5]。

2 擋車器受力特點(diǎn)

擋車器系安裝于車擋前的鋼軌上、對(duì)進(jìn)入安全線的車輛進(jìn)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(dòng)式；按受力點(diǎn)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(hào)、適用條件等可見廠家產(chǎn)品說明)。其設(shè)計(jì)受力點(diǎn)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(duì)車輛的阻擋作用。車列撞擊時(shí)，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(dòng)的距離S共同形成制動(dòng)功(A=F×S)，只要總制動(dòng)功(W+A)大于車列的動(dòng)能E=1/2mv2，即W+A≥E即可實(shí)現(xiàn)擋停車列(車輛基本阻力、風(fēng)阻力、線路阻力等相對(duì)太小，且其作用也是起到減速作用的，可忽略)。一旦受力點(diǎn)、受力方向有差異，必將極大程度的減弱對(duì)車輛的阻擋作用，甚至造成對(duì)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(wú)變坡點(diǎn)型縱斷面受力示意圖

根據(jù)安全線防護(hù)的車列種類不同，進(jìn)入安全線的車列總重和速度各有差異，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，擋車器一般安裝在車擋前5～15 m。根據(jù)在某廠的實(shí)際測(cè)試，1 000 t列車、5 km/h速度撞擊，某型號(hào)擋車器僅滑動(dòng)了0.8 m，擋車器至車擋距離可根據(jù)實(shí)際需要按前文公式計(jì)算并考慮安全余量確定，理論計(jì)算 4 000 t、15 km/h撞擊液壓式擋車器需滑動(dòng)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(chǎng)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(jì)的危害分析

3.1 曲線型安全線對(duì)鄰線的危險(xiǎn)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(shí)際上，采用曲線型更增加了危險(xiǎn)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(zhǎng)度一般不足100 m(有效長(zhǎng)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(huì)減小，且造成車擋背后沖向鄰線，更增加了對(duì)鄰線的危險(xiǎn)性。如曲線型彎向遠(yuǎn)離鄰線，那么車輛快速?zèng)_進(jìn)安全線時(shí)，其離心力作用(F=M×V2/R)增加車輛對(duì)軌道的側(cè)向力，甚至可能引起車輛倒向鄰線，也增加了對(duì)鄰線的危險(xiǎn)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(xiàn)[6])。鑒于此，在與正線、到發(fā)線相鄰時(shí)，不應(yīng)采取曲線型設(shè)計(jì)。

3.2 曲線型對(duì)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(shí)，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(dòng)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(duì)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(jì)為曲線型設(shè)計(jì)多有安全隱患，應(yīng)采用直線型設(shè)計(jì)，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(shí)，車輛必須位于直線上。

一般普速客車長(zhǎng)度22 m并考慮車鉤，動(dòng)車組的頭車(第一個(gè)車體)長(zhǎng)度一般在25.7～27.6 m，擋車器前一個(gè)車長(zhǎng)(按30 m計(jì))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(jì)應(yīng)采用整坡，避免設(shè)置變坡點(diǎn)

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(shí)，受力點(diǎn)上移，如坡度代數(shù)差較大時(shí)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(wú)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(dòng)能巨大，也使得正向分力F1=F×cosβ大為減弱，難以實(shí)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(shí)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(jì)為應(yīng)采用一個(gè)整坡，避免設(shè)置變坡點(diǎn)，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(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范的修改建議

根據(jù)上述研究分析，按設(shè)計(jì)規(guī)范要求安裝了擋車器等緩沖設(shè)備后，為保障運(yùn)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(duì)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(jìn)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(gè)整坡，至少車擋前50 m應(yīng)為一個(gè)坡度。