铁路弯道中的力学知识

铁路弯道中的力学知识在修筑铁路时，常常因地理环境和工程造价等因素的影响，在线路中设置铁路弯道，但弯道设置中，需要应用力学知识对弯道的几何参数进行分析，如果设计不当，会对形车安全产生影响，甚至带来严重的后果。一、车辆通过弯道时车辆自身的离心力机车车辆在曲线上行驶时，由于惯性离心力作用，将机车车辆推向外股钢轨，加大了外轨钢轨的压力，使旅客产生不适，货物移位等。列车以速度v沿半径R的圆曲线运行时，产生离心力F：F=mv2/R=Gv2/gR（公式1）式中G—车辆重力（KN）；v—行车速度（m/s）；R—曲线半径（m）；g—重力加速度，g=9.8m/s2；由公式1可知，列车通过曲线时，离心力的大小由三大因素影响：①车辆自重；②车辆行车速度；③铁路曲线半径。二、对曲线行驶中的离心力应对措施1、铁路曲线半径为了保证列车的行驶安全，在铁路的设计和建造时，国家《修规》对不同速度等级的铁路规定了车辆可以安全通过的圆曲线的最小半径，高速铁路和平原地区干线铁路一般比较平直，用较大的曲线半径；山区铁路、工厂支线、车辆段道岔的咽喉区、编组站、城市地铁等受地形的制约较大的地段，只能使用较小的曲线半径，列车必须限速通过。2、曲线超高与限速结合为了平衡列车曲线行驶中所产生的离心力，需要把曲线外轨适当抬高，使机车车辆的自身重力产生一个向心的水平分力，以抵消离心惯性力，达到内外两股钢轨受力均匀和垂直磨耗均匀等，满足旅客舒适感，提高线路的稳定性和安全性。外轨超高是指曲线外轨顶面与内轨顶面水平高度之差。在设置外轨超高时，主要有外轨提高法和线路中心高度不变法两种方法。外轨提高法是保持内轨标高不变而只抬高外轨的方法。线路中心高度不变法是内外轨分别各降低和抬高超高值一半而保证线路中心标高不变的方法。曲线超高的大小由列车通过时离心力的大小确定。由于离心力与行车速度的平方成正比，与曲线半径大小成反比，因此曲线半径越小，行车速度越高，则离心力越大，所需设置的超高就越大。在曲线半径R（m）和行车速度υ（km/h）都为已知的情况下，根据列车横向受力平衡条件，可推导出铁路曲线超高h（mm）的计算公式为:h=11.8v2/R（公式2）式中h—外轨超高值（mm）υ—行车速度（km/h）R—曲线半径（m）当曲线半径一定时，超高度设置是否合适，在很大程度上取决于平均速度υ选用是否恰当。对实际曲线来说，曲线实设超高h。是根据平均速度υ得到的，曲线实际超高一旦设置，即为固定值，而通过曲线的各种列车速度是不相同的，或大于平均速度，或小于平均速度，即不可能使所有列车产生的离心力完全得到平衡，因此车体仍承受一部分未被平衡的离心力，车内有质量的物体(人或物)就会产生未被平衡的离心力。由公式2可知，列车以速度υ通过曲线时，要求设置的超高为h=11.8υ2/R,而实际设置的超高为h。==11.8υ。2/R;如果υ与υ。不等。h与h。的差值△h称为未被平衡的超高。当υ＞υ。时，h＞h。，△h是由于实设超高不足造成的：当υ＜υ。时，h＜h。，△h是由于实设超高过大造成的。超高不足称为欠超高;超高剩余称为超高或余超高,因此列车在通过曲线时应进行限速通过。3、缓和曲线火车从直道进入弯道时，为了行车安全，必须经过一段缓冲轨道，使得曲率连续地增加，以保证火车的向心加速度不发生跳跃性的突变,所以缓和曲线在弯道设计中必不可少。在缓和曲线范围内，外轨超高由零递增或递减到圆曲线上或直线的超高量，使向心力逐渐增加或减少，与离心力的增减相配合。三、小半径曲线轨距加宽列车进入曲线轨道时，仍然存在保持其原有形式方向的惯性，只是受到外轨的引导作用方才沿着曲线轨道行驶。在小半径曲线，为使列车顺利通过曲线而不致被楔住或挤开轨道，减小轮轨间的横向作用力，以减少轮轨磨耗，轨距要适当加宽。加宽轨距，系将曲线轨道内轨向曲线中心方向移动，曲线外轨的位置则保持与轨道中心半个桂剧的距离不变。曲线轨道的加宽值与机车车辆转向架在曲线上的几何位置有关。列车行进在曲线上时，由于前后轮距限制，当前轮在受外轨向内侧的挤压力后，车轮会沿着外侧轨道进行行进，此时列车纵轴线与线中心线不在一条线上，而列车转向架是一个整体，不会随着线路的弯曲而变形，因此需要轨道加宽后，后轮在轨道才有一定的活动量，跟随着前轮行进。《铁路线路维修规则》规定：新建、改建及线路大修或成段更换轨枕地段按下表规定的标准进行曲线轨距加宽曲线轨距加宽表曲线半径加宽值mm轨距mmR≥350m01435350R≥300m51440R300m151450