鐵路弧線段散貨裝車牽引系統(tǒng)工藝設(shè)計

張 振 任建喬 吳沙坪

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

1 引言

近年來為適應(yīng)節(jié)能環(huán)保的政策需求，國家積極推進運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動大宗貨物、中長距離貨物運輸從公路轉(zhuǎn)向鐵路，加快提升鐵路貨運量，提高鐵路貨運比例，推動多式聯(lián)運發(fā)展。

越來越多的老港區(qū)通過升級改造提升鐵路運輸能力，但實踐中許多老港區(qū)都會受限于原有場地條件，一些專業(yè)化散貨設(shè)施無法布置，造成港口的系統(tǒng)能力無法整體提升，港口經(jīng)濟效益難以得到充分的體現(xiàn)。如何通過合理設(shè)計來增設(shè)專業(yè)化散貨設(shè)施與碼頭相配，已經(jīng)成為一些改造項目的設(shè)計瓶頸。

2 項目概況

某碼頭主要裝卸煤炭、焦炭等能源類散貨，原設(shè)計主要為煤炭經(jīng)鐵路集港后經(jīng)碼頭裝船外運，故后方鐵路設(shè)計為卸車作業(yè)線。近年來，隨著港口腹地經(jīng)濟發(fā)展，能源消費結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，煤炭卸船進港后經(jīng)鐵路疏運的需求逐步增加，需在后方原有場地及鐵路線上設(shè)計增加相應(yīng)的裝火車設(shè)施，以適應(yīng)經(jīng)營形勢的變化，提高港口的服務(wù)能力。

本項目利用原有的卸車專用線改造為裝車線，將已建堆場出場帶式輸送機尾部延長，改造成正反轉(zhuǎn)運行。正轉(zhuǎn)時，通過西堆場南側(cè)新建帶式輸送機配合火車裝車樓將煤炭裝火車；反轉(zhuǎn)時則將煤炭輸送出場至碼頭裝船。

裝車樓布置在距分岔口約800 m的曲線段處。裝車樓為單軌跨線塔式快速定量裝車系統(tǒng)，通過帶式輸送機系統(tǒng)對裝車樓供料。裝車過程中火車通過絞車牽引以合適的牽引速度配合裝車系統(tǒng)完成裝車作業(yè)，工藝平面布置見圖1。

圖1 工藝平面布置圖

由于原有鐵路線不長，采用裝車樓作業(yè)的線路長度需利用一段半徑約255 m的弧線段鐵路。因此，如何設(shè)計一套曲線牽引系統(tǒng)，使得調(diào)車作業(yè)安全順暢是工藝設(shè)計的重點和難點。

3 曲線牽引系統(tǒng)的原理及組成

3.1 曲線牽引系統(tǒng)的原理

通過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，鐵牛車在牽引鋼絲繩的牽引下經(jīng)過這些水平擋輪時，形成一個與圓弧軌道內(nèi)接的多邊形，通過合理的組合構(gòu)件設(shè)計，使得鐵牛車獲得足夠的切向牽引力，保障列車沿軌道方向行駛，在水平輪組的引導(dǎo)下完成轉(zhuǎn)彎，從而使得曲線牽引成為可能。

3.2 曲線牽引系統(tǒng)的組成

本曲線牽引系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置、鐵牛車、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)簡圖見圖2。其中驅(qū)動裝置是系統(tǒng)的主機，包括電機、減速器、摩擦輪等部件，是該系統(tǒng)的動力源。鐵牛車是系統(tǒng)與鐵道車輛連接的部件，鐵牛車的車鉤與列車掛接，下部靠接頭與鋼絲繩連接，調(diào)車絞車帶動鋼絲繩牽引鐵牛進行推車或牽引作業(yè)。導(dǎo)向輪安裝在調(diào)車絞車系統(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 曲線牽引系統(tǒng)簡圖

水平輪組是曲線牽引系統(tǒng)特有的組件，由1個水平擋輪和1個平托輥組成(見圖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)過水平輪時能準(zhǔn)確的繞進繩槽中。

圖3 水平輪組

4 曲線牽引系統(tǒng)設(shè)計

4.1 牽引力及張力計算

調(diào)車絞車牽引力主要用于克服裝車作業(yè)中的運行阻力，使得列車穩(wěn)定運行。通過對作業(yè)過程分析，運行阻力分為列車運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》和《列車牽引計算規(guī)程》，作用在列車上的阻力與其質(zhì)量成正比，故在計算中采用單位阻力來計算總阻力。

4.1.1 列車單位阻力計算

按阻力性質(zhì)分為基本阻力、附加阻力和啟動阻力3類。

列車單位基本阻力為：

ω0=a+bv+cv2

(1)

式中，ω0為列車單位基本阻力，N/kN；a、b、c為阻力系數(shù)；v為列車運行速度，km/h。經(jīng)計算本項目基本阻力為1.071 N/kN。

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

根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》，本項目曲線段較短，曲線附加阻力為：

(2)

式中，ωr為列車單位曲線附加阻力，N/kN；R為曲線段半徑；lr為曲線段長度；l為列車長度。經(jīng)計算，曲線附加阻力為0.3 N/kN。

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

ωq=3+0.4i

(3)

式中，ωq為列車單位啟動阻力，N/kN；i為軌道坡度，本工程無坡度。根據(jù)《列車牽引力計算規(guī)程》，當(dāng)啟動阻力計算值小于5 N/kN時，應(yīng)按照5 N/kN來考慮，故列車單位啟動阻力為5 N/kN。

綜上，通過上述各阻力的分析計算，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%，本項目列車單位運行阻力為：ω=1.2×(ω0+ωr+ωq)≈8 N/kN。

4.1.2 列車阻力計算

根據(jù)車輛自重22.5 t；鐵道車輛載重70 t；則鐵道車輛總重92.5 t；車列共計52節(jié)車廂，車列總重G=4 810 t。列車運行阻力W=ωWg=384.8 kN。

4.1.3 總運行阻力計算

從前述分析，調(diào)車絞車工作總阻力包含列車運行阻力和鋼絲繩摩擦阻力，運行總阻力：

W總=W+2fqgl

(4)

式中，W總為總運行阻力，kN；W為列車運行阻力，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為牽引長度，為800 m。經(jīng)計算牽引系統(tǒng)總阻力為390 kN。

4.1.4 牽引力

根據(jù)上述計算所得的裝車系統(tǒng)總運行阻力，設(shè)置安全系數(shù)為1.2，機械傳動效率0.85，計算得所需的總牽引力為550 kN。

4.1.5 鋼絲繩張力

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

(5)

式中，F(xiàn)U為圓周驅(qū)動力，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)計算鋼絲繩上最大張力為825 kN。

4.2 水平輪組布置設(shè)計

通過沿軌道曲率設(shè)置水平輪組，使得曲線牽引成為可能，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，運行越可靠，但大大增加了工程量，同時也增加了運行阻力，故需對水平輪組的布置進行合理布置。

4.2.1 曲線脫軌條件與脫軌系數(shù)

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

當(dāng)車輪輪緣貼靠曲線鋼軌且輪軌為點接觸時，車輪處于脫軌的臨界狀態(tài)，此時橫向?qū)蛄與車輪荷載Q均作用在此點上(見圖4)。依據(jù)《機車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》(GB/T5599-2019)，脫軌系數(shù)K通過輪軌橫向力和輪軌垂向力的比值來表示，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

當(dāng)鐵牛車在鋼絲繩的牽引作用下經(jīng)過水平輪組時，鋼絲繩張力與圓弧軌道切線方向存在一個夾角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(見圖5)。此時徑向力通過鐵牛車輪作用在單側(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個車輪，輪軌橫向力是徑向分力的一半。輪軌垂向力為鐵牛車輪壓。

圖5 水平輪組受力示意圖

通過上述分析，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為鐵牛車自重，kN；γ為兩水平輪對應(yīng)的圓弧角。

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

5 結(jié)語

某港區(qū)原有鐵路線受局限，無法按常規(guī)的直線鐵路設(shè)計布置裝車設(shè)施，現(xiàn)場唯一可利用的是一段帶弧線段的鐵路線。本文通過對絞車牽引系統(tǒng)針對性的設(shè)計，使得在弧段鐵路上布置裝車樓成為可能。該設(shè)計可供同類項目借鑒。