第二章 铁路设计

第二章铁路设计的基本原则第一节铁路总体设计一、我国铁路设计工作的发展过程经历了设计管理由外人把持到自主设计的一个过程，其中著名的京张铁路就是我国自主设计的第一条铁路。京张铁路创新：1、33‰的最大坡度2、人字形展线方式3、采用1435mm的标准轨距4、最早的设计规范与管理规程•专业勘测设计队伍的成立•铁路设计规范的多次修改•航测、遥感、计算机辅助设施的广泛采用二、铁路选线设计的基本任务(1)根据国家政治、经济、国防的需要，结合线路经过地区的自然条件、资源分布、工农业发展等情况，规划线路的基本走向，选定铁路的主要技术标准。(2)根据沿线的地形、地质、水文等自然条件和村镇、交通、农田、水利设施等具体情况，设计线路的空间位置(平面、立面)，并在保证行车安全的前提下，力争提高线路质量，降低工程造价，节约运营支出。(3)与其他各专业共同研究，布置线路上各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、涵洞、路基、挡墙等，并确定其类型或大小，使其总体上互相配合，全局上经济合理，为进一步单项设计提供依据。三、铁路基本建设程序大中型建设项目预可行性研究可行性研究初步设计施工图设计工程施工和设备安装验交投产后评估决策阶段设计阶段四、铁路总体负责制总体设计负责人专册负责人经济与运量行车组织地质桥涵隧道站场机务设备车辆设备给水排水通信信号电力房屋建筑施工组织及概算线路、路基及轨道《铁路技术管理规程》(简称《技规》)《铁路线路设计规范》(简称《线规》)《列车牵引计算规程》(简称《牵规》)五、铁路设计中应遵循的规程与规范第二节铁路运量一、客货运量的意义1、客货运量是设计铁路能力的依据。2、客货运量是评价铁路经济效益的基础。3、客货运量是影响线路方案取舍的重要因素。二、客货运量的调查和预测设计线的吸引范围是设计线吸引客货运量的区域界限，设计线客货运量的调查和预测，都是在吸引范围内进行的。吸引范围直通吸引范围地方吸引范围直通吸引范围直通吸引范围是路网中客货运量通过本设计线运送有利的区域范围。以运距最短来划分范围地方吸引范围地方吸引范围是在设计线经行地区内，客货运量要由设计线运送有利的区域范围。按运量由设计线运送运价最低的原则来确定（含水运、公路运输的比较）。三、铁路选线设计所需要的运量参数•货运量•货物周转量•货运密度•货流比•货运波动系数•零担、摘挂、快运货物和旅客列车1、货运量货运量C是设计线(或区段)一年内单方向需要运输的货物吨数，应按设计线(或区段)分上、下行分别由下式计算：C＝∑Ci(104t/a)式中Ci——某种货物的年货运量(104t/a)货物周转量是设计线(或区段)一年内所完成的货运工作量，可由单方向一年内各种货运量(t/a)与相应的运输距离(km)按下式计算：＝∑(×)(t·km/a)2、货物周转量ZCHZCHiCiCiLiL410左图为侯月线开行5000吨重载列车3、货运密度货运密度CM是设计线(或区段)每km的平均货物周转量：式中CM——设计线或各区段的货物周转量(104t·km/a)；L——设计线(或区段)的长度(km)。)/(104akmkmtLCCHZM4、货流比设计线上、下行方向的货运量不均衡时，应区分为轻车方向和重车方向。货流比是轻车方向货运量CQ与重车方向货运量CZ的比值，即:ZQQZCCQZ5、货运波动系数由于生产和消费的季节性等原因。设计线的货运量在一年内各月份并不相等。一年内最大的月货运量和全年月平均货运量的比值称为货运波动系数，以β表示。设计线必须完成运量最大月份的运输任务，所以在计算铁路能力时，应考虑货运波动系数的影响：全年月平均货运量一年内最大的月货运量零担列车是运送地方零散货物的列车，在中间站办理零担货物的装卸，一般运行于一个区段内。摘挂列车是运送地方整车货物的列车，在中间站办理货车甩挂和到货场取送车作业，一般运行于一个区段内。快运货物列车是运送鲜活或易腐货物的列车，为缩短旅途时间，这种列车很少停站，其他普通货物列车要停站待避，使其不停车通过。旅客列车是运送旅客的列车。这些列车的对数，应根据经济调查资料分析确定。6、零担、摘挂、快运货物和旅客列车四、设计年度铁路的设计年度一般分为近、远两期，近期、远期分别为铁路交付运营后第五年和第十年；必要时，也可增加初期，初期为交付运营后第三年。各期运量均应通过经济调查确定。铁路的建筑物和设备，应根据设计年度的运量分期加强，使铁路设施的能力与运量增长相适应。这样，既能满足日益增长的运输要求，又可节约铁路建设的初期投资。对于可以逐步改、扩建的建筑物和设备，应按近期运量和运输性质确定，并考虑预留远期发展的条件对于不易改、扩建的建筑物和设备，应按远期运量和运输性质确定。多年来，我国许多干线铁路一直处在不停地改、扩建之中，这些改、扩建工程包括增加车站、双线插入、局部复线、软化坡度、通信信号改造、增建第二线或电气化等各种方式。五、客货运量调查不准确或设计年度过短带来的问题1、南昆铁路体现20世纪90年代设计、筑路水平的西南大动脉南昆铁路，东起南宁，西至昆明，北接红果，全长898公里，为国家I级干线电气化铁路。南昆铁路设计年输送能力，近期1000万吨，远期2000至3000万吨。南昆铁路1997年开通运营，2001年大部分区段平图能力利用率达到94％，能力己处于饱和状态。造成南昆线能力饱和，及需改建的原因主要是由于运量调查的不准确和设计年度过短造成。2、西康铁路2001年1月8日，新世纪伊始，西部又一条铁路大动脉西安--安康线开通运营。全长267.49公里的西安--安康线是国家一级电气化铁路干线，途经陕西省7个市县。它的开通运营对实施西部开发、加速沿线地区社会进步具有重要意义。图为第一列火车通过全长18.46公里的中国第一隧道－－秦岭隧道。下图：西康铁路铲河特大桥左图：西康铁路秦岭隧道西康铁路2001年1月开通运营，当年限制区段的平图能力利用率达到100％，需要开放原设计预留的车站。修建第二线也己提上日程。3、广深铁路广深铁路先将单线改造并增建第二线，1987年建成复线，1990年开始研究将复线改造为我国第1条准高速铁路，1994年建成准高速复线和第三线，近年来广深公司又酝酿修建第四线。广深线现阶段有三条铁路，即准高速双线铁路和一条单线铁路。由于单线铁路的运能相当有限，以致普速列车和货物列车经常被安排在准高速线路上行驶，这给准高速铁路线的运行速度及安全系数均带来影响。按照方案，广深铁路第四线计划把单线铁路也变成双线。4、浙赣铁路浙赣铁路起于杭州站，止于湖南株洲，横跨浙、赣、湘三省。其中浙江段全长294.2公里。浙赣铁路自20世纪80年代初开始，对既有线增设会让站、双插、结合整治水害进行复线改造等。1997年全部复线正式开通，改建跨几个五年计划，“十一五”又计划进行提速与电气化改造，投资需要近百亿元。浙赣铁路电气化改造投资105亿元，已于2004年6月全面开工，建成后将成为我国现代化水平最高的电气化铁路。目前时速80公里，2005年10月前完成提速后，时速将达200公里。届时，从杭州到衢州只需1.5小时。第三节牵引计算一、列车运行的各种阻力列车运行阻力基本阻力附加阻力机车单位基本阻力车辆单位基本阻力起动阻力坡道附加阻力曲线附加阻力隧道空气附加阻力1、基本阻力一台机车牵引一定质量的列车在线路上运行，即使在平直坡道上，由于轮轨之间，机车车辆各活动部分之间，以及车体与四周空气之间的摩擦、冲击、振动必然会产生一定的阻力，这种阻力称为列车运行的基本阻力。⑴基本阻力影响因素•列车运行速度•线路状况•机车车辆构造⑵基本阻力的表示方法单位基本阻力即单位机车或车辆质量所受的阻力。机车单位基本阻力车辆单位基本阻力牵引惰力00d牵引惰力00d经验公式中各阻力均表示为速度的函数。⑶列车基本阻力与列车平均单位基本阻力列车基本阻力为机车基本阻力与车辆基本阻力之和，计算方法如下：•牵引运行时的列车基本阻力：•惰力运行时的列车基本阻力：000QPWdddQPW0000W•全列车的平均单位基本阻力为：牵引运行时：惰力运行时：式中：P-----机车质量Q-----牵引质量QPQP000QPQPddd0002、附加阻力当列车在坡道上、曲线上、隧道内运行时，还会产生一定的附加阻力，称为坡道附加阻力、曲线附加阻力、隧道空气附加阻力。⑴坡道附加阻力列车在坡道上运行时，其重力产生垂直于轨道的与平行于轨道的两个分力。F2=q.g.sinα(N)由图可知:因α很小，可以认为：Sinα=tanα将机车、车辆的质量单位由（t）改为kg，可得下式：F2=1000q.g.tanα(N)坡度值一般以千分率表示，tanα=i/1000F2=q.g.i(N)因单位阻力的定义为单位质量阻力，故坡度单位附加阻力ωi为：iqgiigq=10i⑵曲线附加阻力曲线附加阻力是由于列车在曲线上运行，加剧了轮缘与钢轨之间的摩擦，同时，车轮与钢轨之间产生纵向的和横向的滑动，所以引起额外的阻力。注：曲线附加阻力大小和曲线半径R(m)直接相关。曲线附加阻力的计算一般采用经验公式：=A/R(N/t)现行规范中采用：A=6000，=6000/R(N/t)rrrrKKR5.103.57则：r经验公式①当曲线长度大于列车长度时为列车质量其中：qLKtNRqLWNqLRWKLlrlrrlrrl105)/(6000)(6000列车平均单位曲线阻力设列车长度为Ll(m)，列车每延米的质量为q(t/m)，则列车的质量为Ll·q(t)②当曲线长度小于列车长度时lrlrlrrrrrlLLKRqLWqKRWKL10560006000或：Ll③如果列车处于n个曲线上，且列车全长范围内的曲线转角总和为lrL105⑶隧道空气附加阻力列车在隧道内运行时，由于空气受隧道约束，不能向四周扩散，前面的空气压力增大，尾部空气稀薄，空气与列车表面及隧道表面产生摩擦。因之，作用于列车上的空气阻力远郊空旷地段为大，增加的空气阻力称为隧道附加空气阻力。单位隧道空气附加阻力以表示，计算式由试验确定。s⑷附加阻力换算坡度及加算坡度因为坡道附加阻力=10i(N/t)，我们可以认为列车在曲线上行驶所产生的曲线附加阻力是在一个坡度的坡道上行驶时产生，且：1010rrrrii1010ssssii同理，隧道内：、分别称为曲线、隧道附加阻力换算坡度，或称为曲线、隧道当量坡度。iririsi线路纵断面上每一坡段的坡度i与该坡道上的曲线、隧道等附加阻力换算坡度之和称为加算坡度，即：加算坡度：对应的单位加算阻力为：jisrjiiii（‰）srij（N/t）加算坡度我国采用如下的试验公式来计算列车、车辆的起动阻力。①机车单位起动阻力②货车的单位起动阻力如果：，取50(N/t))/(430tNiqq)/(50tNq)/(50tNq⑸起动阻力在新线设计及运营线上，一般是按列车在限制坡道上，以机车的计算速度作等速运行为条件来确定牵引质量；快速线上，有时按列车在平直道上的最高速度运行，并保有一定的加速度余量为条件来确定牵引质量；在旧线改建设计及某些运营线上，有时需要按动能闯坡方式来确定。二、牵引质量牵引质量就是机车所牵引的车列质量，也称牵引吨数。基本阻力附加阻力10ix0基本阻力附加阻力10ix0机车车辆质量P质量G机车的牵引力为Fj，等速运行时，可知：00(10)(10)xxWPiGi则总阻力为：00(10)(10)()yjxxFPiGiN1、牵引质量的计算牵引质量计算式为：0010()10yjxxFPiGti[例2—1]韶山3型电力机车，牵引滚动轴承货车，求限制坡度为9‰时的单机牵引质量。解：查表2—1得到：jjV=48km/h,F317800N,P=138t2、牵引净载和列车长度的计算1sp