輕軌線路采用正常線間距單渡線的研究
摘 要 分析了正常線間距單渡線在中國(guó)未被采用的原因, 依據(jù)列車通過單渡線夾直線時(shí)穩(wěn)定性及乘客舒適性條件,舉例說明了采用正常線間距單渡線是能夠滿足行車穩(wěn)定性和乘客舒適性條件的。提出了正常間距單渡線實(shí)施過程中需要采取的具體措施,包括其夾直線處短軌及其絕緣接頭的處理問題。
關(guān)鍵詞 輕軌線路,線路設(shè)計(jì),線間距,單渡線
在輕軌線路中,有些中間站設(shè)置了單渡線,以滿足故障列車臨時(shí)待避以及有小運(yùn)轉(zhuǎn)列車折返作業(yè)的需要。為了使單渡線中夾直線的長(zhǎng)度大于一個(gè)車體長(zhǎng)度,我國(guó)輕軌線路所鋪設(shè)的單渡線的線間距一般都大于區(qū)間線路的線間距。由于單渡線與正線區(qū)間線路的間距不同,在單渡線的外端就必須采用反向曲線與正線連接,因此惡化了線路的平面狀態(tài)和列車運(yùn)行條件,致使列車進(jìn)出站時(shí)車體搖擺,不僅影響行車平穩(wěn)性和乘客的舒適度,還增加線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量。
另一方案是采用與區(qū)間線路間距一致的單渡線。因其間距比一般單渡線的間距小,因此也稱為正常線間距單渡線。鋪設(shè)正常線間距渡線時(shí),渡線外端不必設(shè)置反向曲線,不僅優(yōu)化線路平面、改善列車運(yùn)行條件、提高列車平穩(wěn)性及乘客舒適度,而且在高架線路上還可減小橋面寬度、減少車站建筑面積, 從而降低橋梁造價(jià)。因此采用正常線間距單渡線具有無可比擬的優(yōu)越性。
1 正常線間距單渡線未被采用原因
正常線間距單渡線雖具備上述諸多優(yōu)點(diǎn),但未被采用和推廣。其主要原因有以下3 方面:
(1) 正常線間距單渡線的夾直線長(zhǎng)度較短,達(dá)不到《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1 ] (以下簡(jiǎn)稱《舊設(shè)規(guī)》) 第
3. 2. 6 條以及《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[2 ] (以下簡(jiǎn)稱《新設(shè)規(guī)》) 第5. 2. 6 條的要求;
(2) 正常線間距單渡線中部插入短軌太短,不符合《舊設(shè)規(guī)》第3. 4. 6 條及《新設(shè)規(guī)》) 第6. 4. 2 條的規(guī)定;
(3) 根據(jù)《舊設(shè)規(guī)》第3. 4. 6 條及《新設(shè)規(guī)》第6. 4. 2 條規(guī)定,在單渡線中部應(yīng)設(shè)鋼軌絕緣接頭,而在一般單渡線中,兩轍叉跟端因結(jié)構(gòu)原因,不能設(shè)置絕緣接頭, 因正常線間距單渡線中的短軌長(zhǎng)度已經(jīng)很短,若在短軌中間再設(shè)置絕緣接頭比較困難。由于采用正常線間距單渡線不能符合有關(guān)規(guī)范相關(guān)條款的規(guī)定,縱然正常線間距單渡線具有不少優(yōu)點(diǎn),因此至今在我國(guó)尚未被考慮采用。
2 列車通過單渡線夾直線時(shí)穩(wěn)定性及乘客舒適性條件
在《舊設(shè)規(guī)》及《新設(shè)規(guī)》中,對(duì)于正線及輔助線的兩相鄰曲線間的夾直線最小長(zhǎng)度所作的規(guī)定,是在保證行車平穩(wěn)及乘客舒適的基礎(chǔ)上提出的。當(dāng)曲線半徑等于或小于某一數(shù)值(例如2 000 m) 時(shí),則應(yīng)在圓曲線與直線之間根據(jù)曲線半徑及行車速度設(shè)置緩和曲線及外軌超高,以消除或減少車體的離心力。但是,由于道岔的構(gòu)造及限界等原因,在道岔的導(dǎo)曲線中都不設(shè)緩和曲線及超高。通過導(dǎo)曲線時(shí)車輛的平穩(wěn)性及乘客的舒適度,是通過控制未被平衡的離心加速度、限制未被平衡的離心加速度時(shí)變率等得到保障的。
2. 1 控制未被平衡的離心加速度
1) 若列車以速度v 行駛于半徑為R、外軌超高為h 的曲線線路上,當(dāng)列車速度與外軌設(shè)置的超高不適應(yīng)時(shí),車輛則產(chǎn)生未被平衡的離心加速度;此未被平衡的離心加速度不能過大,否則車輛走行不平穩(wěn), 使乘客感覺不適,甚至站立或行走的乘客有被晃倒的可能。為此,對(duì)未被平衡的離心加速度的大小應(yīng)加以限制。當(dāng)列車以行駛速度為v 、重力加速度為g、在超高值為h 及軌道兩鋼軌軌頭中心距為S 的軌道上行駛時(shí),車輛產(chǎn)生的未被平衡離心加速度為α,則: α = 3. 6v 2 R-gh (1)S 設(shè)通過曲線線路時(shí),列車允許的未被平衡的離心加速度為αy,則列車最高行車速度為vmax : vmax = 3. 6 R(αy+ gh) (2)S
2) 在道岔中,因?qū)€外軌不設(shè)超高( h = 0) , 所以,
2 αy= vmax 3. 62 R(3) 這時(shí)列車最高行駛速度為: vmax = 3. 6 Rαy(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定,αy 值不應(yīng)大于0. 4 m/ s2 。若列車走行于半徑為180 m 、超高值為0. 12 m 、S =1. 5 m 的曲線線路上, g = 9. 81 m/ s2時(shí),則由式(2) 得vmax = 52. 57 km/ h 而列車走行于相同半徑,但不設(shè)超高的道岔導(dǎo)曲線時(shí),只需將R 及αy 值代入式(4) ,則vmax = 30. 55 km/ h 。通過以上計(jì)算不難看出,列車走行于道岔不設(shè)超高的導(dǎo)曲線時(shí),列車速度因受允許的未被平衡離心加速度的限制,而以減速運(yùn)行來保證列車的平穩(wěn)及乘客的舒適度。
2. 2 限制未被平衡的離心加速度時(shí)變率
1) 當(dāng)列車由直線進(jìn)出設(shè)有超高的曲線線路時(shí), 車輛突然出現(xiàn)或消失豎向及橫向沖擊力,使車體產(chǎn)生振動(dòng)及搖晃。為了保持車體平穩(wěn),應(yīng)在曲線兩端設(shè)置緩和曲線。由于緩和曲線的曲率是逐漸變化的,走行于緩和曲線上車輛的未被平衡離心加速度也相應(yīng)在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)逐漸變化。單位時(shí)間內(nèi)未被平衡離心加速度的變化,稱為未被平衡離心加速度時(shí)變率,用β表示。因β= dα/d t 。則:
β= (v 2 )/ ( 3. 6 lh)
v
3. 62 R-gh
S(5)
2
v
=(3. 6v 2 R-g )
3. 6 lh
式中, lh 為緩和曲線長(zhǎng)度。
β過大,同樣影響行車的平穩(wěn)和乘客的舒適度。為此,也應(yīng)對(duì)其加以限制。在新舊設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定, 允許的未被平衡離心加速度時(shí)變率βy=0. 3 m/ s3 。
2) 當(dāng)車輛走行于道岔導(dǎo)曲線時(shí), 雖然導(dǎo)曲線兩端不設(shè)緩和曲線,當(dāng)車輛第一位輪對(duì)進(jìn)入導(dǎo)曲線時(shí),車體即產(chǎn)生α,且隨著輪對(duì)進(jìn)入導(dǎo)曲線的距離增加而加大,直至車輛末位輪對(duì)進(jìn)入導(dǎo)曲線時(shí)增至最大值;當(dāng)車輛駛離導(dǎo)曲線時(shí),則與上述情況相反。車輛的α 的變化,是在車輛全軸距范圍內(nèi)逐漸完成的。設(shè)導(dǎo)曲線半徑為R 、行車速度為v 、車輛全軸距為lc,則:
23
v
β = (3. 6v 2 R)/ ( 3. 6 lc)= v 3. 63 Rlc (6)
由于列車進(jìn)出導(dǎo)曲線時(shí)受允許β的制約,其最高走行速度為:
vmax = 3. 63 Rlcβy (7) 當(dāng)lc 為18. 2 m 的A 型車輛走行于R 為180 m 的9 號(hào)單開道岔側(cè)股時(shí),列車受βy 控制的vmax ,可按式(7) 求得為35. 79 km/ h 。
此值大于按式(4) 計(jì)算的30. 55 km/ h 。這說明,列車通過導(dǎo)曲線的行駛速度不受β的控制, 而仍然受導(dǎo)曲線部分允許的α 的限制。目前地鐵及輕軌中采用的9 號(hào)單開道岔(導(dǎo)曲線半徑R = 180 m) ,側(cè)向允許最高通過速度為30 km/ h , 就是用上述方法計(jì)算確定的。上述計(jì)算說明,在道岔中雖然不設(shè)超高及緩和曲線,行車的平穩(wěn)和乘客的舒適是有保障的。
3 采用正常線間距單渡線時(shí)的行車穩(wěn)定性和乘客舒適性
以下著重討論車輛走行于正常線間距單渡線時(shí),能否保證《新設(shè)規(guī)》規(guī)定的行車穩(wěn)定性及乘客舒適性要求。當(dāng)車輛通過單渡線中的夾直線時(shí),列車允許的走行速度可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的β求得。在計(jì)算允許通過速度前,首先應(yīng)求出夾直線長(zhǎng)度。單渡線中夾直線長(zhǎng)度,是根據(jù)單渡線的線間距及道岔的有關(guān)幾何尺寸所決定。列車通過夾直線段時(shí),有以下兩種可能: ① 車輛的全軸距小于或等于夾直線的長(zhǎng)度; ② 車輛的全軸距大于夾直線長(zhǎng)度。
車輛的全軸距小于或等于夾直線長(zhǎng)度時(shí),β可按式(6) 計(jì)算, vmax 按式(7) 計(jì)算。若車輛的全軸距大于夾直線長(zhǎng)度時(shí),因?yàn)檐囕v剛走出第一組道岔的導(dǎo)曲線,車體尚未正位接著又進(jìn)入二組道岔的導(dǎo)曲線,車輛的運(yùn)行狀態(tài)與第一種情況不同,這時(shí)β應(yīng)按以下方法計(jì)算:
設(shè)列車走行于夾直線時(shí)的最高時(shí)速為vmax 、導(dǎo)曲線半徑為R、夾直線長(zhǎng)為lz 、車輛的全軸距為lc, 則允許的未被平衡離心加速度時(shí)變率為: 2 v 3max (8)βy = 3.63 R(lc + lz )
通過夾直線時(shí),列車最高走行速度為:(9)vmax = 3.63 R(lc + lz)βy 現(xiàn)將列車通過夾直線段時(shí),上述兩種情況的列車最高走行速度的計(jì)算分別舉例如下。例1 lc 為18. 2 m 的列車,通過9 號(hào)道岔4. 5 m 間距單渡線中的夾直線時(shí),求列車的vmax 。若單渡線中的道岔采用《60 kg/m 鋼軌9 號(hào)單開道岔》設(shè)計(jì)圖(圖號(hào)為專線9950) ,則:9 號(hào)單開道20′岔轍叉角θ =6°25″,道岔中心至轍叉理論尖端距b0= 12. 955 m , 導(dǎo)曲線終點(diǎn)至轍叉理論尖端的直線段K=2. 985 m , 轍叉理論尖端至轍叉跟距m = 3. 108 m , 導(dǎo)曲線半徑R = 180 m 。因?yàn)橐阎狣 = 4. 5 m , 令單渡線的兩道岔中心距為lx 、夾直線長(zhǎng)度為lz,參照?qǐng)D1 可知:
Dlx = sinθ (10)
兩導(dǎo)曲線間的夾直線長(zhǎng)度為: lz =lx -2 (b0 -K) (11) 由式(10) 、(11) 可得, lx=45. 276 m ; lz=25. 336 m 。因?yàn)閘c=18.2 m , 小于夾直線的長(zhǎng)度lz
(20. 809 m) ,屬上述的第一種情況,則列車的vmax 應(yīng)按式(7) 計(jì)算,故vmax= 35. 79 km/ h 。
例2 若車輛與道岔的狀態(tài)與上例相同,列車通過3. 7 m 間距單渡線中的夾直線時(shí), 求列車的
vmax 。
20′ 將線間距D = 3. 7 m 及角θ= 6°25″代入式
(10) 得: lx = 36. 221 m 。
圖1 9 號(hào)單開道岔示意圖
將lx 、b0 及K各值代入式(11) ,得lz = 16. 281 m。因?yàn)?6. 281 m 的夾直線長(zhǎng)度短于18. 2 m 的車輛全軸距,屬上述第二種情況,列車的vmax 應(yīng)按式(9) 計(jì)算,得vmax=35. 15 km/ h 。
通過以上計(jì)算可知,列車通過5m 間距單渡線時(shí),因夾直線長(zhǎng)度大于車輛的全軸距,列車的vmax 可達(dá)35. 79 km/ h 。而列車通過4 m 間距單渡線時(shí), 由于夾直線長(zhǎng)度小于車輛的全軸距,車輛跨越于兩反向的導(dǎo)曲線上,車體繞縱軸方向產(chǎn)生側(cè)滾振動(dòng),車輛的運(yùn)行狀態(tài)不如前者,所以列車允許走行速度為35. 15 km/ h , 低于前者。但是,列車通過夾直線時(shí)走行速度卻都受兩端導(dǎo)曲線的限制,仍然不得超過30 km/ h(即9 號(hào)道岔的側(cè)向允許通過速度) 。這說明正常線間距單渡線中的夾直線長(zhǎng)度雖短,但它并不一定是限制列車通過速度的決定因素。通過以上兩例的計(jì)算和對(duì)比, 表明列車通過5 m 或4 m 間距單渡線時(shí)允許的α,及允許的β都在設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定范圍之內(nèi),允許的走行速度是相同的。因此,列車走行于兩種不同間距的單渡線時(shí)其安全性、穩(wěn)定性都是有保障的,舒適度也是可以被乘客接受的。
4 正常線間距單渡線中夾直線處短軌及其絕緣接頭的處理
正常線間距單渡線中,夾直線處短軌的長(zhǎng)度ld 可參照?qǐng)D1 中的ld 按下式計(jì)算: ld =lx -2 (b0 + m) (12) 求4 m 間距單渡線中夾直線處的短軌長(zhǎng)度時(shí), 將相應(yīng)的值代入式(12) ,得ld= 4. 095 m 。若插入短軌,則軌長(zhǎng)僅4. 079 m 。按《新設(shè)規(guī)》表6. 4. 2 中的規(guī)定,短軌中部還需設(shè)置一對(duì)鋼軌絕緣接頭。這樣,該部位顯得軌條長(zhǎng)度太短,接頭太多,線路的穩(wěn)定性差,養(yǎng)護(hù)維修困難;當(dāng)區(qū)間線路發(fā)生故障時(shí),對(duì)換側(cè)行駛列車乘客的舒適度也會(huì)有一定的影響。如果按上述表中在輔助線困難地段的規(guī)定,兩組道岔跟端可對(duì)接,不必插入短軌,那么絕緣接頭就需設(shè)在道岔跟端,轍叉跟端接頭處輪軌沖擊力比一般鋼軌接頭大得多;在該處設(shè)置絕緣接頭,對(duì)其壽命和養(yǎng)護(hù)維修都很不利,應(yīng)盡量避開。為此,針對(duì)正常線間距單渡線插入短軌和設(shè)置絕緣接頭問題,提出如下措施供參考:
首先,將兩組道岔的側(cè)股導(dǎo)軌作適當(dāng)加長(zhǎng),加長(zhǎng)后的導(dǎo)軌見圖1 中的l 1;根據(jù)兩道岔跟端距離l d 及導(dǎo)軌長(zhǎng)度l1 計(jì)算導(dǎo)軌長(zhǎng)度lz 。然后再采取膠接的方法將長(zhǎng)導(dǎo)軌的后端與短軌膠接成膠接絕緣軌。導(dǎo)軌的加長(zhǎng)量應(yīng)按下列原則確定: ① 使加長(zhǎng)后導(dǎo)軌的末端約在兩組單開道岔跟端中央部位; ② 夾直線中部的一對(duì)絕緣接頭相互距離不得大于2. 5 m(設(shè)置軌道電路的需要); ③ 考慮道岔布置的合理。
在本例中采取導(dǎo)軌的加長(zhǎng)量為1. 750 m , 因?yàn)橐阎獮?m 間距單渡線中兩組道岔跟端距離l d 為
4. 095 m , 由專線9950 設(shè)計(jì)圖中得導(dǎo)軌長(zhǎng)為13. 688 m , 所以加長(zhǎng)后的導(dǎo)軌長(zhǎng)l1= 15. 438 m , 由此可計(jì)算出短軌長(zhǎng)度: lz= 4. 095 m -1. 750 m -2 ×0. 008 m = 2. 329 m 其中0. 008 m 為軌縫寬度。檢算兩絕緣接頭的間距: lj= 4. 095 m -(2. 329 m + 0. 008 m) = 1. 758 m 符合設(shè)置軌道電路的要求。
膠接絕緣接頭具有強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、維修方便、絕緣性能優(yōu)于傳統(tǒng)的絕緣接頭等優(yōu)點(diǎn),并且兩段膠接后的鋼軌可視作一根整軌。鐵道部已頒發(fā)了鋼軌膠接絕緣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。圖號(hào)為專線9950 《60 kg/m 鋼軌9 號(hào)單開道岔》中側(cè)股l 1 導(dǎo)軌(見圖1) 前端接頭就是膠接絕緣接頭。采取上述措施,在解決正常線間距單渡線的單渡線問題的同時(shí)又解決了絕緣接頭的設(shè)置問題,滿足運(yùn)營(yíng)的需要。
5 結(jié) 語
通過以上計(jì)算,說明正常線間距單渡線完全可以保證行車的安全和乘客的舒適。正常線間距單渡線施工方便,可采用兩組單開道岔進(jìn)行鋪設(shè), 不需改變道岔主要部件(如尖軌、轍叉及護(hù)軌等),僅需改變側(cè)股導(dǎo)軌的長(zhǎng)度。也可采取增設(shè)一對(duì)非絕緣膠接接頭,而保持原道岔的側(cè)股導(dǎo)軌長(zhǎng)度不變的方法。這些方法在我國(guó)是否可行尚需經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)。正常線間距單渡線在國(guó)外早已被采用,不久前在伊朗德赫蘭地鐵,曾鋪設(shè)了7. 7 號(hào)道岔3. 2m 間距單渡線,現(xiàn)已開通運(yùn)行。希望我國(guó)的輕軌線路在不久的將來也采用正常線間距單渡線。
參考文獻(xiàn)
1 GB 50157 -92 地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范
2 GB 50157 -2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范
