鐵路弧線段散貨裝車牽引系統工藝設計

張 振 任建喬 吳沙坪

1 中交第三航務工程勘察設計院有限公司 2 寧波舟山港股份有限公司

1 引言

近年來為適應節能環保的政策需求，國家積極推進運輸結構調整，推動大宗貨物、中長距離貨物運輸從公路轉向鐵路，加快提升鐵路貨運量，提高鐵路貨運比例，推動多式聯運發展。

越來越多的老港區通過升級改造提升鐵路運輸能力，但實踐中許多老港區都會受限于原有場地條件，一些專業化散貨設施無法布置，造成港口的系統能力無法整體提升，港口經濟效益難以得到充分的體現。如何通過合理設計來增設專業化散貨設施與碼頭相配，已經成為一些改造項目的設計瓶頸。

2 項目概況

某碼頭主要裝卸煤炭、焦炭等能源類散貨，原設計主要為煤炭經鐵路集港后經碼頭裝船外運，故后方鐵路設計為卸車作業線。近年來，隨著港口腹地經濟發展，能源消費結構發生了較大變化，煤炭卸船進港后經鐵路疏運的需求逐步增加，需在后方原有場地及鐵路線上設計增加相應的裝火車設施，以適應經營形勢的變化，提高港口的服務能力。

本項目利用原有的卸車專用線改造為裝車線，將已建堆場出場帶式輸送機尾部延長，改造成正反轉運行。正轉時，通過西堆場南側新建帶式輸送機配合火車裝車樓將煤炭裝火車；反轉時則將煤炭輸送出場至碼頭裝船。

裝車樓布置在距分岔口約800 m的曲線段處。裝車樓為單軌跨線塔式快速定量裝車系統，通過帶式輸送機系統對裝車樓供料。裝車過程中火車通過絞車牽引以合適的牽引速度配合裝車系統完成裝車作業，工藝平面布置見圖1。

圖1 工藝平面布置圖

由于原有鐵路線不長，采用裝車樓作業的線路長度需利用一段半徑約255 m的弧線段鐵路。因此，如何設計一套曲線牽引系統，使得調車作業安全順暢是工藝設計的重點和難點。

3 曲線牽引系統的原理及組成

3.1 曲線牽引系統的原理

通過沿弧形軌道按相同的曲率均勻布置一定數量的水平擋輪，鐵牛車在牽引鋼絲繩的牽引下經過這些水平擋輪時，形成一個與圓弧軌道內接的多邊形，通過合理的組合構件設計，使得鐵牛車獲得足夠的切向牽引力，保障列車沿軌道方向行駛，在水平輪組的引導下完成轉彎，從而使得曲線牽引成為可能。

3.2 曲線牽引系統的組成

本曲線牽引系統包括驅動裝置、鐵牛車、改向滑輪、鋼絲繩、重錘張緊裝置、托輥及水平輪組等部件，系統簡圖見圖2。其中驅動裝置是系統的主機，包括電機、減速器、摩擦輪等部件，是該系統的動力源。鐵牛車是系統與鐵道車輛連接的部件，鐵牛車的車鉤與列車掛接，下部靠接頭與鋼絲繩連接，調車絞車帶動鋼絲繩牽引鐵牛進行推車或牽引作業。導向輪安裝在調車絞車系統兩端或其他部位，其作用就是改變鋼絲繩的方向。張緊裝置由繩輪、支架組成，有調整絞車松邊鋼絲繩拉緊、保持張力的作用，保證鋼絲繩在卷繩筒繩襯上有較穩定的正壓力，促使絞車正常牽引，而不致鋼絲繩在卷繩筒上打滑。托輥均勻布置在軌道外側及內側，用于平衡鋼絲繩載荷、防止鋼絲繩與道床的摩擦，減小鋼絲繩的下垂張力。

圖2 曲線牽引系統簡圖

水平輪組是曲線牽引系統特有的組件，由1個水平擋輪和1個平托輥組成(見圖3)。其中水平擋輪承受鋼絲繩轉向的徑向力，在水平輪上設U型繩槽，增大水平輪受力面，局部受力減小，以增加水平輪和鋼絲繩的壽命。平托輥同一般的托輥，緊靠水輪輪布置，使得鋼絲繩在水平輪處不下垂，保證鋼絲繩在經過水平輪時能準確的繞進繩槽中。

圖3 水平輪組

4 曲線牽引系統設計

4.1 牽引力及張力計算

調車絞車牽引力主要用于克服裝車作業中的運行阻力，使得列車穩定運行。通過對作業過程分析，運行阻力分為列車運行阻力和鋼絲繩摩擦及纏繞阻力兩部分。

根據《鐵路工程技術手冊》和《列車牽引計算規程》，作用在列車上的阻力與其質量成正比，故在計算中采用單位阻力來計算總阻力。

4.1.1 列車單位阻力計算

按阻力性質分為基本阻力、附加阻力和啟動阻力3類。

列車單位基本阻力為：

ω0=a+bv+cv2

(1)

式中，ω0為列車單位基本阻力，N/kN；a、b、c為阻力系數；v為列車運行速度，km/h。經計算本項目基本阻力為1.071 N/kN。

列車單位附加阻力決定于線路情況及氣候條件等。氣候條件引起的附加阻力目前尚無可靠計算方法，因此附加阻力僅計算坡道附加阻力、曲線附加阻力、隧道空氣附加阻力，在單位阻力計算時予以考慮適當放大。本項目為平置曲軌，僅包含曲線附加阻力。

根據《列車牽引計算規程》，本項目曲線段較短，曲線附加阻力為：

(2)

式中，ωr為列車單位曲線附加阻力，N/kN；R為曲線段半徑；lr為曲線段長度；l為列車長度。經計算，曲線附加阻力為0.3 N/kN。

列車單位啟動阻力是車輛在起動階段產生因慣性等原因產生的阻力:

ωq=3+0.4i

(3)

式中，ωq為列車單位啟動阻力，N/kN；i為軌道坡度，本工程無坡度。根據《列車牽引力計算規程》，當啟動阻力計算值小于5 N/kN時，應按照5 N/kN來考慮，故列車單位啟動阻力為5 N/kN。

綜上，通過上述各阻力的分析計算，并考慮低溫、逆向、側向大風等氣象原因單位阻力增加10%～20%，本項目列車單位運行阻力為：ω=1.2×(ω0+ωr+ωq)≈8 N/kN。

4.1.2 列車阻力計算

根據車輛自重22.5 t；鐵道車輛載重70 t；則鐵道車輛總重92.5 t；車列共計52節車廂，車列總重G=4 810 t。列車運行阻力W=ωWg=384.8 kN。

4.1.3 總運行阻力計算

從前述分析，調車絞車工作總阻力包含列車運行阻力和鋼絲繩摩擦阻力，運行總阻力：

W總=W+2fqgl

(4)

式中，W總為總運行阻力，kN；W為列車運行阻力，kN；f為鋼絲繩摩擦系數,取0.03；q為鋼絲繩每米重量，kg/m；L為牽引長度，為800 m。經計算牽引系統總阻力為390 kN。

4.1.4 牽引力

根據上述計算所得的裝車系統總運行阻力，設置安全系數為1.2，機械傳動效率0.85，計算得所需的總牽引力為550 kN。

4.1.5 鋼絲繩張力

由于鋼絲繩與絞車摩擦卷筒為摩擦傳動，符合撓性體摩擦牽引傳動的歐拉公式，故鋼絲繩與卷筒相遇點處張力最大，根據歐拉公式，鋼絲繩最大張力F計算如下：

(5)

式中，FU為圓周驅動力，kN；μ為鋼絲繩與卷筒之間摩擦系數；φ為鋼絲繩在卷筒上的圍包角。經計算鋼絲繩上最大張力為825 kN。

4.2 水平輪組布置設計

通過沿軌道曲率設置水平輪組，使得曲線牽引成為可能，但水平輪組如何布置決定了牽引系統工作的可靠性。輪組布置的越多，則牽引鋼絲繩越接近軌道弧線，運行越可靠，但大大增加了工程量，同時也增加了運行阻力，故需對水平輪組的布置進行合理布置。

4.2.1 曲線脫軌條件與脫軌系數

當鐵牛車在鋼絲繩牽引下經過弧段鐵路時，鋼絲繩繞過水平輪處的牽引張力和軌道的方向存在一個夾角，使得鋼絲繩上的牽引力在垂直于軌道方向產生一個微小的徑向力。當這個徑向力大到一定程度時，會使得車輪與軌道接觸，產生脫軌的風險。

當車輪輪緣貼靠曲線鋼軌且輪軌為點接觸時，車輪處于脫軌的臨界狀態，此時橫向導向力Y與車輪荷載Q均作用在此點上(見圖4)。依據《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》(GB/T5599-2019)，脫軌系數K通過輪軌橫向力和輪軌垂向力的比值來表示，一般應不大于0.8。

圖4 輪軌作用力受力示意圖

(6)

式中，Y為輪軌橫向力；Q為輪軌垂向力。

4.2.2 水平輪組布置設計

當鐵牛車在鋼絲繩的牽引作用下經過水平輪組時，鋼絲繩張力與圓弧軌道切線方向存在一個夾角γ，夾角的大小取決于水平輪的布置情況，將鋼絲繩上的張力向圓弧的切向和徑向分解(見圖5)。此時徑向力通過鐵牛車輪作用在單側的軌道上，產生前述的輪軌橫向力，由于單側軌道上布置2個車輪，輪軌橫向力是徑向分力的一半。輪軌垂向力為鐵牛車輪壓。

圖5 水平輪組受力示意圖

通過上述分析，按照脫軌系數規范要求則有

(7)

式中，F為鋼絲繩上最大張力，kN；G為鐵牛車自重，kN；γ為兩水平輪對應的圓弧角。

經計算，為保證鐵牛車在運行中不因鋼絲繩產生的徑向分力而脫軌，要求水平輪組間最大鐵路弧段長度為7.4 m，即水平輪組的布置間距不得大于7.4 m。本項目設計考慮沿弧段軌道每隔5 m弧長布置一組水平輪組。

5 結語

某港區原有鐵路線受局限，無法按常規的直線鐵路設計布置裝車設施，現場唯一可利用的是一段帶弧線段的鐵路線。本文通過對絞車牽引系統針對性的設計，使得在弧段鐵路上布置裝車樓成為可能。該設計可供同類項目借鑒。