铁路线路平纵断面设计相关问题分析

张珊珊

摘 要：铁路交通在交通运输业中作为至关重要的部分，对我国货运具有重要的影响，当前，我国大部分货物运输都是依靠铁路进行，因此，保障铁路线路设计的合理性具有积极的意义。本文首先从铁路线路平纵断面设计的原则说起，详细阐述了平纵断面设计的动力学评估方法以及相关的参数研究，最后针对铁路线路中平纵断面设计的相关要点进行了归纳总结，旨在于提高我国关于铁路线路平纵断面设计的水平。

关键词：设计原则；动力学研究；参数设定

1 前言

铁路线路的设计是涉及到多个领域的综合性工程，其涉及到多种学科的应用，对设计者的水平要求较高。我国是人口大国，无论是满足客运需要还是货运需要，都需要提高现有的铁路线路建设水平。为了满足日益提高的社会需求，我国已经开始了高速铁路运输线路的建设。相关数据表明，预计到2020年，我国时速高达200km/h的会超过2.2万千米。尽管成绩喜人，但是由于我国的高速铁路建设起步较晚，仍旧存在一些技术难题，其中就包括做好铁路线路平纵断面的设计工作。因此，加大关于铁路线路平纵断面的研究具有实际意义。

2 铁路线路平纵断面设计的概述

2.1 铁路线路平纵断面设计的研究背景

运输已经成为关系社会经济发展的重大问题，未来铁路运输的发展方向也将朝着重载运输发展。在一些幅员辽阔矿产发达的国家例如美国、加拿大、巴西等，都已经开始在铁路线路上开展重载运输。山西省是我国煤炭大省，近几年来，已经运行了在铁路线路上运行重载列车。由此可见，在我国内开展铁路线路的设计研究，具有现实意义。

2.2 铁路线路平纵断面的设计原则分析

铁路线路的设计是一项复杂的综合型设计工程，其中多项参数的设计涉及到多种学科内容，这也对设计人员提出了较高的要求。根据多年的设计经验，主要总结出了以下设计原则。首先是曲线的设置。在进行铁路线路设计时，尽量考虑顺直线路，避免在设计图中增加曲线设计，尽量避免加大曲线的偏角，少用反向的曲线设计。当遇到地势影响、地质条件或者公路规划以及地下管线建设等不可避免的因素时，要提前设计好绕行线路，避免在临近地点绕行。通过在较远的地方绕行，也是为了降低铁路线路的转向角度。

其次是坡度的设计，由于线路多为重载，因此，坡度设计应尽量平缓，线路的起伏应顺应地面线。线路拉坡时，要注意保持土方平衡，路堑段注意排水坡度，排水坡度最低不可低于千分之二。当铁路线路穿过村庄或者道路密集区时，应当适当的抬高线路，隧道内的坡度应当大于千分之三。铁路线路平纵断面的设计应当结合当地的地质条件、地形等各种因素进行考虑，优先采用单面坡道设计。如果坡度的设计过大，就增加了线路的拨起高度，加大了重载车辆运行的困难。

最后是线路纵面设计与车站安全线的设计原则。我国相关文件中有明确的规定：“在进站信号机外制动距离内进站方向为超过千分之六下坡道的车站，应在正线或到发线的接车方向末端设置安全线”这是为了避免与对面进站的列车发生冲突。因此，在实际设计中，铁路线路纵坡方向坡度设计应以具体实际地点为准，原则上大于千分之六。

3 铁路线路平纵断面设计安全性与舒适性的评估方式

3.1 机车车辆与线路最佳匹配的原理

为了达到最佳的设计要求，应当进行平纵断面设计与安全性以及舒适性的关系研究。车辆与线路系统的最佳匹配应统一采用系统设计的原理，将车辆系统与线路系统作为一个统一的整体。通过测量整体的性能指标，进行优化设计。但是实际研究过程中，仍旧是把车辆或者线路作为一个单独的子系统进行具体研究。在进行系统设计时，应当充分把握好二者之间的相互作用，不仅需要考察单个系统的性能指标，也要考察该系统对另一系统的具体作用。对线路设计的考察指标即指车辆在其运行上的稳定性以及安全性。

3.2 基于匹配原理的线路动态设计方法

这种设计方法需要借助动力学仿真系统的支持，将线路设计的具方案以及车辆的运行条件直接输入到该系统中，该系统可以直接对线路轨道的受力特征以及变形性进行数据分析，同时计算出该种车辆在线路轨道上的运行指标，从而对其安全性以及稳定性做出评价。根据车辆以及铁路线路综合评价结果进行评估，考量铁路线路设计是否合理。若是测试结果表明铁路线路存在不合理之处，寻找动力性能较差的指标以及对这些指标较为敏感的线路参数，例如线路的曲面半径、缓和曲线长度、以及轨道的刚度参数等，通过不断的试验，找出较为理想的参数设计，重新输入仿真系统进行测试，直至寻找出最为满意的参数设置。

4 铁路线路平纵断面设计中参数的设置

4.1 最小曲线半径

铁路线路设计中最关键的参数即为曲线半径的设置，曲线半径的设置直接关系到线路能否安全、高效的运行。对于最小曲线半径的选取，要综合把握好轮轨磨耗以及安全性这两个方面进行选取。对于主要功能为重载的线路来说，最小曲线半径采用根据欠高值小于容许值以及磨好条件来确定的方式。在满足行车条件的情况下，最小曲线条件可以根据以下公式来计算，即Rh≥11.8v2max/hmax+ hqy，其中，hmax就是指实际设置中超高的最大值， hqy就是指欠高容许最大值。通过该项计算公式，假设按照120千米每小时的时速来计算，对于某重载铁路，实设超高按照150毫米计算，欠超高容许值按照普通的70毫米计算，就计算得出最小曲线半径为772米，按照较为困难的90毫米高的欠高容许值计算，就可以得出最小曲线半径为708米。在计算内外轨均磨条件时，一般利用Rj≥11.8v2jhmax进行计算，vj为均磨速度，将上述值代入，可得最小曲线半径为724米。针对不同类型的测试，可以按照动力学方式进行分析，实验结果表明，当曲线半径大于800米时，磨耗指数比较平稳，但是，实际应用中发现，当降低曲线半径时，则会导致钢轨的磨耗量急剧上升，与理论值较为稳定不符。这就是实际中铁路曲线半径为800米时，钢轨每年都需要更换一次的原因。

4.2 夹直线对线路稳定性的影响

分析夹直线对铁路稳定性的影響，需要综合考虑钢轨、轨枕以及道床之间的相互连接，建立重载列车在负载状态下的反向曲线线路结构体系。通过重载列车在经过反向曲线时横向力以及纵向力作为荷载条件，从而实现铁路线路体系结构力学性能的预测。通过对重载列车经过反向曲线时的各项横向力以及纵向力的数据测试表明，当重载列车经过线路的曲率突变处时，是最不利的位置，曲率半径突然加大，则会导致轨距的突然扩大，从而应先列车的行车安全。为了解决这一问题，通常采用反向的曲线夹直线，从而提高线路结构的稳定性，研究结果表明，当夹直线的长度大于20米时，后续铁路线路将趋于平缓。

4.3 夹直线对列车行车安全的影响

通过仿真系统，真实的反映了在反向曲线段列车行车的动力学性能。通过实际观察得出，当经过夹直线区域时，列车的横向震动情况出现衰减，这是由于列车经过曲线段时存在离心力，而经过直线段时离心力消失，动力响应指标降低，所以，夹直线段的安全性将会大大降低。但是夹直线段并不是影响行车安全的主要因素，车体产生的震动在一个震动周期内基本可以得到衰减，在两个周期内可以完全衰减消失。

5 总结

目前，随着我国高速的经济发展，铁路线路设计是关乎国计民生的大工程。由于工程的复杂性以及系统性，需要专业人才进行设计，以保障其安全性以及稳定性。铁路线路设计的平面组合方式多种多样，但核心是各个参数的设定，参数的设置是否合理直接影响了列车行车的稳定性以及安全性。在设计时要注意根据最佳匹配原理，结合仿真系统技术的应用，进行合理的设计。

参考文献：

[1] 周志华，向俊，刘新元等.广珠城际铁路线路平纵断面设计参数动力学评估[J].铁道科学与工程学报，2009（5）.

[2] 庞士强.铁路线路平纵断面设计相关问题探讨[J].丝路视野，2017（28）.