鐵路較長緩和曲線對行車安全性與平穩性分析

陳　利

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

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鐵路較長緩和曲線對行車安全性與平穩性分析

陳利

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

【摘要】鐵路在設計時為了盡量利用原勘測勘探資料，對較長的緩和曲線未及時按規范進行調整，存在緩和曲線較長的情況；當采用較長緩和曲線時，通過對行車的安全性與平穩性計算，來分析采用較長緩和曲線能否滿足車輛運行相關要求。

【關鍵詞】緩和曲線；安全性；平穩性

1緩和曲線的定義及作用

根據GB 50090-2006《鐵路線路設計規范》曲率半徑和外軌超高均逐漸變化的曲線，稱為緩和曲線。為使列車安全、平順、舒適地由直線過渡到圓曲線，滿足超高和加寬遞變的需要，在直線與圓曲線間需設置一定長度的緩和曲線。

緩和曲線的作用：在緩和曲線范圍內，其半徑由無限大漸變到圓曲線半徑，從而使車輛產生的離心力逐漸增加，有利于行車平穩；在緩和曲線范圍內，外軌超高由零遞增到圓曲線上的超高量，使向心力逐漸增加，與離心力的增加相配合；當曲線半徑小于350 m、軌距需要加寬時，在緩和曲線范圍內，由標準軌距逐步加寬到圓曲線上的加寬量。

緩和曲線長度是鐵路線路平面設計的主要參數之一。為了保證列車運行的安全和旅客乘坐舒適度的要求，緩和曲線應有足夠的長度。但過長的緩和曲線將影響平面選線和縱斷面設計的靈活性，引起工程投資的增大。

2行車安全性與舒適性對緩和曲線長度的要求

為保證列車運行的安全和旅客乘坐舒適度的要求，緩和曲線應有足夠的長度，緩和曲線長度應滿足以下幾個條件：

由上式可知，對于緩和曲線普遍較長的，由脫軌安全要求計算的緩和曲線長度顯然不起控制作用。

式中:VG為設計速度(或該曲線限制速度)(km/h)；[f]為超高時變率允許值(mm/s )；h為圓曲線設計超高(mm)。

式中:VG為設計速度(或該曲線限制速度)(km/h)； [β]為欠超高時變率允許值(mm/s)； hq為圓曲線設計欠超高(mm)。

渝黔線在修改初步設計階段時，采用的緩和曲線長度普遍較長，經計算均滿足以上三式的要求。

3車輛運行指標對緩和曲線長度的要求

車輛曲線通過時，受曲線設置要素影響的車輛運行安全性指標主要有脫軌系數和輪軌橫向力，平穩性指標主要有車體橫向加速度、車體傾覆加速度和平穩性指標，具體如下：

(1)脫軌系數。(2)輪軌橫向力。(3)車體橫向加速度。(4)車體傾覆加速度。(5)平穩性指標。

由于以上指標均受緩和曲線長度影響，因此緩和曲線應有足夠的長度，來滿足車輛通過曲線時安全、平穩。

當采用規范中規定的緩和曲線長度值時，車輛通過曲線的運行指標肯定滿足要求。但當采用較長緩和曲線時，需對以上幾個指標進行計算，來分析是否滿足相關規范要求。

4改造工程緩和曲線長度設置實例

改建鐵路重慶至貴陽線擴能改造工程(以下簡稱渝黔線)重慶至貴陽段為時速200 km/h客貨共線鐵路，以有砟軌道為主，僅在長度大于等于6 km的隧道內采用無砟軌道。

由于渝黔線原初步設計階段速度目標值較高(時速≥250 km/h)，區間正線采用了TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》中相對應的緩和曲線長度；在修改初步設計階段，為了充分利用原有勘測勘探資料，未及時對緩和曲線長度做相應調整；因此在設計時存在緩和曲線較長的情況，不符合《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函﹝2005﹞285號)中緩和曲線長度相關規定。

本文正是在此背景下，對渝黔線采用較長緩和曲線時，行車的安全性和平穩性進行了相關計算分析。

《高速鐵路設計規范》與《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》中緩和曲線長度比較(表1)。

表1　兩種規范緩和曲線長度比較　m

注：本表只列出部分常用半徑

5采用較長緩和曲線時，行車安全性與平穩性

5.1計算條件

選取了渝黔線設計中使用較多的曲線半徑及緩和曲線進行計算，具體工況如下：

(1)最大通過速度： 200 km/h；

(2)半徑：R-7000 m;

(3)緩和曲線長度：L-590 m;

(4)實設超高：h-45 mm;

(5)計算均不考慮軌道不平順的影響。

5.2計算說明

緩和曲線是一條曲率和超高均逐漸變化的空間曲線，緩和曲線的線型應滿足以下條件：

(1)保持線型的幾何連續性；

(2)列車進入緩和曲線，為保持列車運行的平穩性，車體受到的離心力不突然產生和消失；

(3)在緩和曲線上任何一點的曲率應與外軌超高相配合。

因此在軌道相關規范中均明確軌道超高應在緩和曲線全長范圍內過渡設置。由于在設計中按較高速度設計，若運行普速列車，緩和曲線要滿足過欠超高平衡要求，普遍存在超高順坡率不滿足要求的情況。

超高順坡率過大，會對車輛的運行安全性和平穩性造成影響，超高順坡率過低，施工、養護維修困難，工作量增大。在渝黔線修改初步設計階段，以緩和曲線最小超高順坡率原則上可以不作為曲線超高設置控制條件來考慮，故本計算不對超高順坡率問題進行分析。

5.3評定標準

參照GB 5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》；TB/T 3188-2007《鐵道客車行車安全監測診斷系統技術條件》；UIC 518-2005《軌道車輛動力學性能試驗及驗收-運行安全性-軌道疲勞-乘坐舒適性》進行評定，評定主要指標如下：

(1)脫軌系數：≤0.8；

(2)輪軌橫向力：Q≤0.4(Pst1+Pst2)=0.4×135=54 kN(Pst1，Pst2為車輪靜載荷)；

(3)車體振動水平加速度： aL≤0.10 g (半峰值)；

(4)運行平穩性指標采用Sperling指標，評定等級如表2。

表2　平穩性評定等級

5.4計算結果

計算結果見表3。

表3　計算結果

6結論

(1)由計算結果顯示，當采用較長緩和曲線時車輛運行安全性和平穩性指標均遠低于其容許限值。

(2)當采用較長緩和曲線時，車體振動水平加速度和車輛Sperling指標均較小，車輛運行的平穩性較好。

(3)當采用較長緩和曲線時，車輛脫軌系數和輪軌橫向力對列車運行安全性影響較小。

以上分析結果均是在不考慮軌道不平順等激勵的影響時得出的，同時也未考慮超高順坡率等問題，因此，緩和曲線的長度對行車的安全性、平穩性還需綜合考慮各種影響因素，開展深入系統的研究及試驗驗證。同時在工程設計時緩和曲線長度的選擇應因地制宜、從長到短、合理選用。

參考文獻

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[2]GB 50090-2006 鐵路線路設計規范[S].

[3]TB 10082-2005 鐵路軌道設計規范[S].

[4]易思蓉.鐵路選線設計[M].成都：西南交通大學出版社,2005.

[5]李成輝.軌道[M]. 成都：西南交通大學出版社,2005.

[6]中鐵二院工程集團有限公司.改建鐵路重慶至貴陽線擴能改造工程修改初步設計[R].2012.

[作者簡介]陳利(1984～)，男，本科，助理工程師，從事鐵路線路設計工作。

【中圖分類號】U212.33+2.1

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-30