铁道工程概论

RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS铁道工程概论大连交通大学土木与安全工程学院E-mail:[e-mail]:15051188959(2010版)RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS第二章铁路线路铁路运输设备是铁路运输系统的基础。在本篇的学习中，就让我们了解、熟悉这些铁路运输基本设备。在学习本篇前，你对铁路运输基本设备的认识如何？让我们来看看：1、我国标准铁路两钢轨之间的距离是多少？A.1275mmB.1355mmC.1435mmD.1550mm2、一台常见内燃机车（东风型），牵引十节普通货物车辆，该列车共计多少个车轮？A.44B.46C.88D.92RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS我国铁路的标准轨距是1435mm。从图中可以看出，一台机车的轮子数为12个，从图中可以看出，一货物车辆的轮子数为8个。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS铁路线路是机车车辆和列车运行的基础，而各类车站则是办理旅客运输和货物运输的生产基地；机车是牵引列车的基本动力，各种类型的车辆是运送旅客或货物的工具；铁路信号和通讯设备是保证列车运行安全和提高运输效率的重要手段。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS铁路线路是机车车辆和列车运行的基础。铁路线路是由路基、桥隧建筑物和轨道组成的一个整体工程结构。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS在建筑一条铁路之前，必须进行调查研究和勘探工作，并从若干个可供比较的方案中选出一个最优方案来进行设计。铁路建设的三个阶段：前期工作阶段：主要进行方案研究、初测和初步设计工作。基本建设阶段：主要进行定测、技术设计和施工图设计，最后进行工程施工、验交投产。投资效果反馈：铁路运营若干年后，有建设单位会同有关部门，对工程质量、技术指标和经济效益等考察验证，以评价设计和施工质量。2.1.1铁路的勘测设计2.1铁路线路的平纵断面RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS2.1.2铁路等级及主要技术标准铁路主要技术标准包括：正线数目、限制坡度、最小曲线半径、牵引种类、机车类型、机车交路、车站分布、到发线有效长度和闭塞类型等。这些标准是确定铁路能力大小的决定因素，一条铁路选用不同的标准对设计线的工程造价和运营质量有重大影响，同时又是确定设计线的工程标准和设备类型的依据。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS铁路线路在空间的位置是用它的中心线来表示的。线路中心线是指距外轨半个轨距的铅垂线AB与两路肩边缘水平连线CD交点O的纵向连线。如下图所示：2.1.3铁路线路的平面和纵断面图3－2－2线路横断面RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS图3－2－3线路平面图3－2－4线路纵断面线路中心线在水平面上的投影，叫做铁路线路的平面，表明线路的直、曲变化状态；线路中心线展直后在铅垂面上的投影，叫铁路线路的纵断面，表明线路的坡度变化。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS2.1.3.1铁路线路的平面及平面图（1）曲线要素的组成铁路线路在转向处所设的曲线为圆曲线，其基本组成要素有：曲线半径R，曲线转角α，曲线长L，切线长度T，缓和曲线长度L0。线路的平面由直线、圆曲线以及缓和曲线组成。图1-2线路曲线地段1.曲线要素RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS（2）曲线要素的计算直接根据数学公式可以得出：曲线长度：切线长度：1）不考虑缓和曲线时图1-3无缓和曲线的曲线地段2）设有缓和曲线时图1-4设有缓和曲线的曲线地段在设计有缓和曲线时，涉及几个参数：β0——缓和曲线角；p——内移距；m——切垂距RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS曲线长度：切线长度：图1-4设有缓和曲线的曲线地段式中：β0——缓和曲线角，p——内移距，m——切垂距RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS2.圆曲线小半径曲线对运营不利，这是因为：1）限制列车运行速度，增加轮轨磨耗，降低轮轨间的粘着系数，增加列车运行阻力；2）增加轮轨设备和维修工作量，增加轨道设备和维修工作量，增加线路长度。其中，限制列车运行速度一项，影响到铁路线路的运营能力，也是我们关注的重点。（1）曲线半径对运营的影响RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS用数学公式表达：（1）列车运行速度与曲线半径的关系式中：V——列车运行速度，km/h；h——曲线外轨超高，mm；R——曲线的半径，m（2）曲线上列车最大限制速度由公式可知，曲线半径数值一定时，影响列车运行速度的因素是曲线外轨超高度数值h。曲线外轨超高度的最大容许值，在单线铁路上一般取150mm，另外可以考虑一定量的欠超高度，但以不影响乘客的舒适度为限。则上公式(1-8)可以改写为：RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS3.缓和曲线为保证列车安全，使线路平顺地由直线过渡到圆曲线或由圆曲线过渡到直线，以避免离心力的突然产生和消除，常需要在直线与圆曲线之间设置一个曲率半径变化的曲线，这个曲线称为缓和曲线，如下图所示为设有缓和曲线的铁路曲线。图曲线设置RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS（1）缓和曲线的特点缓和曲线介于直线与圆曲线之间，是一个过渡区域。缓和曲线的特点为：1）曲线半径从无穷大逐渐减小到圆曲线的半径R，或从圆曲线的半径R逐渐增加到无穷大；2）运行中列车的离心力逐渐增加或逐渐降低；3）轨距加宽值逐渐增大或逐渐减小；4）曲线外轨超高逐渐增大或逐渐减小。缓和曲线的特点，目的都是更好地确保列车通过曲线时的安全、平顺，以及乘客乘坐舒适。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS（2）缓和曲线方程式我国铁路常用的缓和曲线属于三次抛物线型，其方程式为：式中：y——缓和曲线上任意点的纵坐标，m；X——缓和曲线L任意点的横坐标，m；R——圆曲线半径，m；L0——缓和曲线长度，m。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS（3）缓和曲线的设置缓和曲线应有足够的长度，在这个长度内，需完成曲线的外超高顺坡过程。同时，应该满足以下两点运营要求：1）车轮的轮缘不致爬上内轨外轨超高的坡度限制为：式中:Kmin——机车或车辆最小轮缘高，mmDmax——机车或车辆最大固定轴距,mm当以轮缘最小高度28mm及最大固定轴距6.5代入，得到：在实际取值中,i0一般不大于2‰，以保证车轮轮缘无爬上内轨危险。此时计算出缓和曲线长L0为:RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS2）保证乘客乘座舒适当列车从直线段进入缓和曲线范围内运行时，外侧车轮在外轨上逐渐升高；当列车从圆曲线段进入缓和曲线范围内运行时，外侧车轮在外轨上逐渐降低。如果升降速度过快，会引起乘客的不舒适感设。设以f（mm/s)表示外侧表示外侧车轮升降速度，则存在如下关系式：通常规定，在一般地段，f=32mm/s；在困难地段，f=40mm/s。可以反推出：在选线设计中，缓和曲线的长度可以按照下表取值：RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS曲线半径（m）Ⅰ级铁路Ⅱ级铁路Ⅲ级铁路（1）（2）（3）（1）（2）（3）（1）（2）40003030202020202020300040302030202020202500504020303020202020006050304030202020150080704050403030201200100805060503030301000120100607060404030800150120709070405040700150120907040405040600140110901109060606055014011090130110707050500130100901301008070604501201008012010080808040012090801209080907035011090701109070100703001008070100702509070RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS（1）定义转向相同的相邻两曲线称为同向曲线。转向相反的相邻两曲线称为反向曲线。介于两同向曲线间或两反向曲线间一般不太长的直线，称为夹直线。设置夹直线的目的：保证行车运行平顺；确保乘客乘坐舒适感。4.同向曲线、反向曲线、夹直线图1-5同向曲线与夹支线图1-6反向曲线与夹支线RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS（2）三者约束条件1）超高的设置及其变化过程无论同向或反向曲线，曲线外轨都要设置超高，而在直线地段则不设超高。超高的变化过程是“从有到无、从无到有”。2）超高带来的影响超高将引起车身倾斜度和外轮竖向加速度的不断变化，使机车车辆的转向架弹簧发生振动和车身发生横向摇摆。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS3）如何克服影响为保持列车运行的平顺，保证乘客乘坐的舒适感，车身摇摆和弹簧振动应控制在容许程度之内。A.为了控制车身摇摆的程度，一般规定，夹直线长度应能容纳2～3辆客车，即50～70m。B.为了控制车辆转向架弹簧振动的程度，应使第二次振动（车辆通过第二个曲线的ZH点进入第二个曲线时）发生在第一次振动（车辆通过第一个曲线HZ点进入夹直线时）消失之后。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS在线路设计中，夹直线的最小长度值见表铁路等级一般地段困难地段Ⅰ8040Ⅱ6030Ⅲ5025RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS基本阻力：列车在空旷地段沿平、直轨道运行时所受到的阻力。包括车轴与轴承之间、轮轨之间以及钢轨接头对车轮的撞击阻力等。基本阻力在列车运行时总是存在的。附加阻力：列车在线路上运行时，受到的额外阻力，如坡道阻力、曲线阻力、起动阻力等。附加阻力随列车运行条件或线路平、纵断面情况而定，阻力方向与列车运行方向相反。5.曲线附加阻力RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS曲线附加阻力：当列车通过曲线时，由于惯性力的作用，外侧车轮轮缘紧压外轨，使其磨耗增大。又由于曲线外轨长于内轨，外轮在外轨上的滑行等原因，运行中的列车所受阻力比在直线上所受阻力大，两者之差称为曲线附加阻力。曲线附加阻力大小常用下公式计算：（N/KN）Rr600式中：ωr——单位曲线阻力（N/KN）R——曲线半径（m）600——据试验得出的数据。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS根据可知曲线半径愈小，曲线附加阻力愈大，还会给运营工作带来以下不利影响：（表区间线路最小曲线半径）（N/KN）Rr600RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS用一定的比例尺，把线路中心线及其两侧的地面情况投影到水平面上，就是铁路线路平面图。线路平面图和纵断面图是铁路勘测设计、施工和运营的重要文件。6.铁路线路平面图图线路平面图RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS线路纵断面由平道、坡道及设于变坡点处的竖曲线组成。2.1.3.2铁路线路的纵断面及纵断面图图坡道坡度及坡道附加阻力示意图1.坡道的坡度及竖曲线坡度是一段坡道两端点的高差h与水平距离L之比，用i‰表示，如下图所示。RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS关于线路纵断面的名词(动画)RAILWAYENGINEERINGCONSPECTUS当列车在上坡道上运行时，受到由坡道引起的阻力，称为坡道附加阻力。机车车辆的质量Q(t)的重力Qg(N)可以分解为垂直于坡道的分力N和平行于坡道的分力Wi。垂直分力N由轨道的反作用力抵消了，平行分力Wi，就成为坡道附加阻力。机车车辆的坡道附加阻力Wi可用下列公式计算：Wi＝Qg×sinα＝Qg×tanα＝Q×g×i×1000＝Q×g×i2.坡道附加阻力列车平均每吨质量所受到的坡度阻力称为单位坡道阻力ωi，其计算公式如下：