铁路较长缓和曲线对行车安全性与平稳性分析
2016-07-27陈利
陈 利
(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)
铁路较长缓和曲线对行车安全性与平稳性分析
陈利
(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)
【摘要】铁路在设计时为了尽量利用原勘测勘探资料，对较长的缓和曲线未及时按规范进行调整，存在缓和曲线较长的情况；当采用较长缓和曲线时，通过对行车的安全性与平稳性计算，来分析采用较长缓和曲线能否满足车辆运行相关要求。
【关键词】缓和曲线；安全性；平稳性
1缓和曲线的定义及作用
根据GB 50090-2006《铁路线路设计规范》曲率半径和外轨超高均逐渐变化的曲线，称为缓和曲线。为使列车安全、平顺、舒适地由直线过渡到圆曲线，满足超高和加宽递变的需要，在直线与圆曲线间需设置一定长度的缓和曲线。
缓和曲线的作用：在缓和曲线范围内，其半径由无限大渐变到圆曲线半径，从而使车辆产生的离心力逐渐增加，有利于行车平稳；在缓和曲线范围内，外轨超高由零递增到圆曲线上的超高量，使向心力逐渐增加，与离心力的增加相配合；当曲线半径小于350 m、轨距需要加宽时，在缓和曲线范围内，由标准轨距逐步加宽到圆曲线上的加宽量。
缓和曲线长度是铁路线路平面设计的主要参数之一。为了保证列车运行的安全和旅客乘坐舒适度的要求，缓和曲线应有足够的长度。但过长的缓和曲线将影响平面选线和纵断面设计的灵活性，引起工程投资的增大。
2行车安全性与舒适性对缓和曲线长度的要求
为保证列车运行的安全和旅客乘坐舒适度的要求，缓和曲线应有足够的长度，缓和曲线长度应满足以下几个条件：
由上式可知，对于缓和曲线普遍较长的，由脱轨安全要求计算的缓和曲线长度显然不起控制作用。
式中:VG为设计速度(或该曲线限制速度)(km/h)；[f]为超高时变率允许值(mm/s )；h为圆曲线设计超高(mm)。
式中:VG为设计速度(或该曲线限制速度)(km/h)； [β]为欠超高时变率允许值(mm/s)； hq为圆曲线设计欠超高(mm)。
渝黔线在修改初步设计阶段时，采用的缓和曲线长度普遍较长，经计算均满足以上三式的要求。
3车辆运行指标对缓和曲线长度的要求
车辆曲线通过时，受曲线设置要素影响的车辆运行安全性指标主要有脱轨系数和轮轨横向力，平稳性指标主要有车体横向加速度、车体倾覆加速度和平稳性指标，具体如下：
(1)脱轨系数。(2)轮轨横向力。(3)车体横向加速度。(4)车体倾覆加速度。(5)平稳性指标。
由于以上指标均受缓和曲线长度影响，因此缓和曲线应有足够的长度，来满足车辆通过曲线时安全、平稳。
当采用规范中规定的缓和曲线长度值时，车辆通过曲线的运行指标肯定满足要求。但当采用较长缓和曲线时，需对以上几个指标进行计算，来分析是否满足相关规范要求。
4改造工程缓和曲线长度设置实例
改建铁路重庆至贵阳线扩能改造工程(以下简称渝黔线)重庆至贵阳段为时速200 km/h客货共线铁路，以有砟轨道为主，仅在长度大于等于6 km的隧道内采用无砟轨道。
由于渝黔线原初步设计阶段速度目标值较高(时速≥250 km/h)，区间正线采用了TB 10621-2014《高速铁路设计规范》中相对应的缓和曲线长度；在修改初步设计阶段，为了充分利用原有勘测勘探资料，未及时对缓和曲线长度做相应调整；因此在设计时存在缓和曲线较长的情况，不符合《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》(铁建设函﹝2005﹞285号)中缓和曲线长度相关规定。
本文正是在此背景下，对渝黔线采用较长缓和曲线时，行车的安全性和平稳性进行了相关计算分析。
《高速铁路设计规范》与《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》中缓和曲线长度比较(表1)。
表1 两种规范缓和曲线长度比较 m
注：本表只列出部分常用半径
5采用较长缓和曲线时，行车安全性与平稳性
5.1计算条件
选取了渝黔线设计中使用较多的曲线半径及缓和曲线进行计算，具体工况如下：
(1)最大通过速度： 200 km/h；
(2)半径：R-7000 m;
(3)缓和曲线长度：L-590 m;
(4)实设超高：h-45 mm;
(5)计算均不考虑轨道不平顺的影响。
5.2计算说明
缓和曲线是一条曲率和超高均逐渐变化的空间曲线，缓和曲线的线型应满足以下条件：
(1)保持线型的几何连续性；
(2)列车进入缓和曲线，为保持列车运行的平稳性，车体受到的离心力不突然产生和消失；
(3)在缓和曲线上任何一点的曲率应与外轨超高相配合。
因此在轨道相关规范中均明确轨道超高应在缓和曲线全长范围内过渡设置。由于在设计中按较高速度设计，若运行普速列车，缓和曲线要满足过欠超高平衡要求，普遍存在超高顺坡率不满足要求的情况。
超高顺坡率过大，会对车辆的运行安全性和平稳性造成影响，超高顺坡率过低，施工、养护维修困难，工作量增大。在渝黔线修改初步设计阶段，以缓和曲线最小超高顺坡率原则上可以不作为曲线超高设置控制条件来考虑，故本计算不对超高顺坡率问题进行分析。
5.3评定标准
参照GB 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》；TB/T 3188-2007《铁道客车行车安全监测诊断系统技术条件》；UIC 518-2005《轨道车辆动力学性能试验及验收-运行安全性-轨道疲劳-乘坐舒适性》进行评定，评定主要指标如下：
(1)脱轨系数：≤0.8；
(2)轮轨横向力：Q≤0.4(Pst1+Pst2)=0.4×135=54 kN(Pst1，Pst2为车轮静载荷)；
(3)车体振动水平加速度： aL≤0.10 g (半峰值)；
(4)运行平稳性指标采用Sperling指标，评定等级如表2。
表2 平稳性评定等级
5.4计算结果
计算结果见表3。
表3 计算结果
6结论
(1)由计算结果显示，当采用较长缓和曲线时车辆运行安全性和平稳性指标均远低于其容许限值。
(2)当采用较长缓和曲线时，车体振动水平加速度和车辆Sperling指标均较小，车辆运行的平稳性较好。
(3)当采用较长缓和曲线时，车辆脱轨系数和轮轨横向力对列车运行安全性影响较小。
以上分析结果均是在不考虑轨道不平顺等激励的影响时得出的，同时也未考虑超高顺坡率等问题，因此，缓和曲线的长度对行车的安全性、平稳性还需综合考虑各种影响因素，开展深入系统的研究及试验验证。同时在工程设计时缓和曲线长度的选择应因地制宜、从长到短、合理选用。
参考文献
[1]TB 10621-2014 高速铁路设计规范[S].
[2]GB 50090-2006 铁路线路设计规范[S].
[3]TB 10082-2005 铁路轨道设计规范[S].
[4]易思蓉.铁路选线设计[M].成都：西南交通大学出版社,2005.
[5]李成辉.轨道[M]. 成都：西南交通大学出版社,2005.
[6]中铁二院工程集团有限公司.改建铁路重庆至贵阳线扩能改造工程修改初步设计[R].2012.
[作者简介]陈利(1984～)，男，本科，助理工程师，从事铁路线路设计工作。
【中图分类号】U212.33+2.1
【文献标志码】B
[定稿日期]2015-11-30
