电气化铁路隧道坡度折减系数的应用研究

2016-10-24熊伟

铁道勘察 2016年2期

关键词：单线坡度长度

熊　伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)

电气化铁路隧道坡度折减系数的应用研究

熊伟

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

铁路线路限制坡度的选择应根据铁路等级、地形条件、牵引种类和运输要求比选确定。在限制坡度选定后，电力牵引隧道内的坡度折减系数与最终的设计坡度直接相关。参照某改建铁路建二线工程的施工图审核实例，对电力牵引隧道折减系数进行研究，提出合适的坡度设计标准。

限制坡度隧道空气附加阻力隧道断面机车类型

1　隧道设计概况

某改建铁路增建二线工程为I级电气化铁路，设计速度120 km/h，牵引质量5 000 t，采用HXD系列机车。其中一段为单双线隧道(以下简称二线隧道)，处于采用限制坡度为13‰的双机牵引地段，其中左线隧道长10.324 km，右线隧道长9.487 km，以DK7+065 km为界，左、右线隧道在小里程端分别有3.382 km和2.545 km段为单线隧道，大里程端汇合为长度6.942 km的双线隧道。隧道内坡度设计情况如表1所示。

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2　隧道设计坡度审核情况

电力牵引隧道的坡度折减因素主要是隧道附加空气阻力控制。而在一定的列车通过速度下，隧道附加空气阻力与隧道断面相关。120 km/h客货共线铁路(普货)的隧道断面面积受控于建筑限界，单线隧道断面内净面积约为30 m2，双线隧道断面内净面积约为64 m2。

根据GB50090—2006《铁路线路设计规范》(以下简称“线规”)中的3.2.5条，电力牵引隧道L>4 000 m时，线路最大折减系数应为0.85，计算得到隧道内最大设计坡度为13‰×0.85=11.05‰。

式中D——隧道附加空气阻力/(N/kN)；

考虑凉风垭隧道试验公式在隧道长度、隧道断面方面的局限性，不适用长大隧道等情况，中铁二院、西南科学研究院、西南交通大学关于《长大隧道合理坡度折减系数研究报告》对隧道空气阻力试验公式进行了修正，报告对HXD系列机车隧道折减系数进行了系统研究，得出如下试验公式

从表2可以看出，按照“研究报告”试验公式，采用HXD3型机车，二线隧道的左、右线隧道单线地段长度分别是3 382 m和2 545 m，按照隧道长度4 000 m，隧道断面31 m2时，对应的折减系数为0.83；双线隧道地段长度6 942 m，按照隧道长度7 000 m，隧道断面60 m2时，对应折减系数最小为0.97。通过与“线规”对照发现，单线地段折减系数与“线规”中表3.2.5中隧道长度大于4 000 m的数的最大坡度折减系数0.85接近，双线地段的折减系数与《线规》中表51中的数值0.94接近。

2.1采用凉风垭隧道试验公式

(1)

根据凉风垭试验公式，通过分析、计算、简化，可得出与“线规”表3.2.5规定一样的结论：长度L>4 000 m的隧道按凉风垭试验公式电力牵引的折减系数应为0.85；而凉风垭试验公式的隧道长度为4 270 m，为渝黔铁路中的单线电气化铁路隧道试验成果，是否适用长达10 km的二线隧道尚待下一步研究。

V——隧道内列车运行速度/(km/h)；

Ls——隧道长度/m；

L——列车长度/m；

P——机车计算质量/t；

Q——列车牵引质量/t。

式中ωs——隧道附加空气阻力/(N/kN)；

2.2采用《长大隧道合理坡度折减系数研究报告》隧道试验公式

市面上不少输液报警器功能比较单一,有些只有蜂鸣器报警,没有输液滴速控制,没有输液加热控制,更别提有人机友好的交互模块。这些因素造成用户体验效果差。

(2)

根据“线规”表51“电力牵引隧道内线路最大坡度系数计算表”，在采用SS7机型、13‰限制坡度的情况下，查表51得其折减系数应为0.94，计算得到隧道内最大设计坡度为13‰×0.94=12.2‰。

l——列车长度/m；

L——隧道长度/m；

Av——列车横断面积/m2；

At——隧道横断面积/m2；

Sv——列车横断面的周长/m；

St——隧道横断面的周长/m；

U——列车相对于地面的运行速度/(m/s)；

u——隧道中列车前方一定范围内相对于地面的平均气流速度(活塞风)/(m/s)；

λ——隧道壁面沿程阻力系数；

λ′——列车侧壁表面沿程阻力系数；

Ch——列车车头压差阻力系数；

Ct——列车车尾压差阻力系数；

ρ——大气密度/(kg/m3)。

根据试验公式，“研究报告”得出电力HX系列牵引隧道内线路最大坡度系数研究成果见表2。

本次审核以机型HXD3为例，结合“线规”，通过凉风垭隧道试验公式、《中长大隧道合理坡度折减系数研究报告》(以下简称“研究报告”中隧道试验公式研究计算二线隧道最大坡度折减系数，以及采用牵引质量检算的方法对设计坡度进行检算。

2.3牵引质量检算隧道设计坡度

根据HXD3型机车参数，对二线隧道设计坡度相对较小的左线隧道DZK5+200～DZK7+100单线隧道的纵断面进行牵引质量检算。单线地段DZK5+200～DZK7+100段纵断面设计坡度为11.7‰，牵引力系数取1.0，曲线折减换算坡度0.75‰，根据“线规”，并参照“研究报告”单线地段隧道阻力系数取0.85，隧道阻力换算坡度1.95‰，则本段实际换算坡度为14.4‰，牵引计算见图1。

食用向日葵（先瑞12）外缘籽粒灌浆时间最快的时期在16～20 d，而内部籽粒达到最大灌浆速率的时期在22～27 d。说明在不同的密度下，籽粒增重的时期是后15～27 d。向日葵的籽粒鲜重生长规律呈单峰曲线，这与冯鹏[8]在研究玉米籽粒增重规律变化相一致。

表2　电力HX系列牵引隧道内线路最大坡度系数计算

图1　牵引计算

从牵引计算结果看，该段设计坡度11.7‰，牵引力系数1.0条件下，最大牵引质量为4 721 t，不能满足牵引5 000 t要求。

3　结论

由于隧道折减系数受到隧道空气附加阻力影响，而附加阻力与机型、隧道断面、隧道长度等因素相关，且“线规”条文说明中关于隧道内线路最大坡度系数说明中，明确指出该公式是否适用于长大隧道尚缺乏研究和验证。因此，笔者建议对单、双线隧道进行区别对待，参照“研究报告”成果，结合现行《铁路线路设计规范》规定和牵引计算的检算结果，建议二线隧道的单线和双线地段折减系数，隧道长度大于4 000 m的单线地段折减系数采用0.85，隧道长度大于4 000 m的双线地段折减系数采用0.94，即单线地段隧道折减后最大设计坡度采用11.05‰，双线地段隧道折减后最大设计坡度采用12.22‰，曲线地段考虑曲线阻力折减。业主和设计单位最终理解并接受了审核意见，并按照最新的成果进行了坡度修改，具体情况如表3所示。

这样的设计方法不仅避免了统一采用凉风垭试验公式的较小折减系数导致无法用足坡度，也避免了统一采用较大设计坡度出现机力不足，导致安全事故的情况发生，对于客货混跑电气化铁路隧道的坡度折减有重大的借鉴意义。