铁路线路与铁路信号4

第四章曲线轨道曲线轨道是铁路轨道的组成部分，在我国铁路线上，曲线轨道占有很大比重，特别是山区铁路所占比重更大。在一般地形条件下，曲线轨道约占正线延长的30%，山区曲线轨道约占50%以上。因此，研究曲线轨道特点及其养护维修方法，对保证列车平稳、安全和不间断地运行，具有特别重要的意义。曲线轨道是铁路轨道薄弱环节之一。与直线轨道相比，曲线轨道在构造上有以下特点：（1）在小半径曲线上，将轨距适当加宽，使具有较大轴距的机车车辆能顺利地通过。（2）在曲线外轨设置超高度，以平衡列车行驶于曲线上所产生的离心力，使内外轨受力均等，并保证旅客舒适。（3）在直线和圆曲线间设置缓和曲线，使列车进入或驶出曲线时能以平稳状态运行，不致产生突然的横向冲击力。（4）在曲线内轨上铺设缩短轨，使曲线内外轨接头保持对接的形式。（5）在曲线上的建筑限界，需进行适当加宽，以使列车安全运行。（6）曲线轨道在列车动力作用下，其平面位置容易发生变化，为了保证列车安全、平稳地运行，需要进行曲线加强及方向整正等工作，使曲线经常保持圆顺的良好状态。第一节曲线轨道的几何形位曲线轨道的几何形位是指曲线轨道的几何形状、相对位置和基本尺寸。曲线轨道几何形位的基本要素有：轨距加宽、外轨超高、超高顺坡、轨距加宽的平顺，以及曲线轨道的方向、高低和轨底坡等，均需符合各自的规定要求。列车通过曲线时，由于产生离心力，使钢轨所受的压力增大，磨耗增加，对轨道的动力及破坏作用也大于直线地段，因此，必须经常保持曲线轨道几何形位的正确性，以保证列车的安全运行。一、曲线轨距加宽1.轨距加宽计算机车车辆在轨道上行驶时，轮对和直线地段钢轨的相互位置如图4-1所示。从图中可以看出，直线轨距0S为：q0S式中q——轮对宽度——轮对与轨距间的间隙。图4-1直线地段轮对与轨距的关系由于轮缘和钢轨之间留有一定的间隙δ，从而，能使轮对在两股钢轨间自由滚动，不受卡阻。当机车车辆进入曲线地段后，轮对与轨距的相互关系就发生了变化，如图4-2所示。由于转向架上的两个轮对具有固定轴距，两根车轴只能保持相互平行的位置，因此，当通过曲线时，转向架的纵向中心线与曲线轨道中心线不能重合，因而引起转向架前一轮对的外侧车轮轮缘和后一轮对的内侧车轮轮缘压挤钢轨的状况，此时转向架在曲线上的轮轨相接形式称为“自由内接”。为防止固定轴距较大的轮对被轨道楔住或挤翻钢轨，对于小半径曲线的轨距应适当地予以加宽，以使机车车辆能顺利通过曲线，并使钢轨与车轮间的横向力最小，减少轮轨间的侧面磨耗。曲线轨距加宽的大小与曲线半径、机车车辆的固定轴距等有关。车辆自由内接通过曲线所需的轨距自S应为：SSmax外自fq式中maxq——最大的轮对宽度；外f——外矢距，其值为R2L2外f其中L——转向架固定轴距；R——曲线半径；S——轨距允许负误差，取2mm。若用0S表示直线轨道轨距，则曲线轨距加宽e应为：0S自Se即曲线轨距不应小于直线上的轨距。图4-2钢轨自由内接曲线半径越小，转向架顺利通过曲线所要求的矢矩值就越大。当f时，曲线轨距应较直线轨距适当加宽，此时，)(0fSS自，否则，轮对将被两股钢轨卡住，不能顺利通过曲线；当f时，曲线轨距与直线规矩相当，不必加宽。计算表明，对半径为350mm及以上的曲线轨道，轨距无需加宽就可以使机车车辆顺利通过，但通过300m半径的曲线时，轨距一般需要加宽。2.曲线轨距加宽的规定我国《铁路技术管理规程》对曲线轨距的加宽值做了如下规定：（1）新建、改建或成段更换钢筋混凝土轨枕的线路大修地段，按表4-1规定的标准进行轨距加宽。其他线路也应按表4-1规定的标准逐步改建，在未改建前可以维持旧的标准，如表4-2所示。新标准与旧标准相比，减少了曲线轨距加宽值，其目的是为了减少高速列车通过曲线时的摇摆，使列车运行更为平稳、安全。表4-1曲线轨道轨距加宽标准（新）曲线半径（m）加宽值（mm）R≥3500350＞R≥3005R＜30015表4-1曲线轨道轨距加宽标准（旧）曲线半径（m）加宽值（mm）R≥6500650＞R≥4505450＞R≥35010R≤30015（2）曲线轨距的最大加宽值为15mm，而轨距的允许误差规定与直线轨距相同，即宽不超过6mm，窄不超过2mm，故曲线轨距的最大值为1456mm，最小值为1433mm。（3）机车车辆由曲线外股钢轨导向，为保证曲线外股钢轨圆顺，规定曲线轨距加宽值应加在内股。所以，曲线轨距加宽的方法是将曲线外轨保持在原来的位置上，而把内轨向曲线中心方向移动规定的加宽量。曲线轨距的测量部位、测量工具和测量方法与直线轨距相同。3.曲线轨距加宽递减有加宽的曲线轨距与直线轨距间，应使轨距均匀递减。由加宽了的曲线轨距向直线轨距的过渡，按下列规定办理：（1）有缓和曲线时，轨距加宽应在整个缓和曲线内递减，使其与超高顺坡和正矢递减三者同步。无缓和曲线时，则由圆曲线的始终点开始向直线递减，递减率一般不得大于1‰，即每1m距离内，轨距递减不得超过1mm。如图4-3、图4-4所示。图4-3缓和曲线内的轨距递减图4-4圆曲线向直线的轨距递减（2）复曲线的两曲线轨距加宽不相等时，应在正矢递减范围，即半径变化点前后各10m范围内，从较大轨距加宽向较小轨距加宽均匀递减，如图4-5所示。（3）两曲线轨距加宽按1‰递减，终点间的直线长度应不短于10m。不足10m时，如直线部分的两轨距加宽相等，则直线部分保留相等的加宽；如不相等，则直线部分从较大轨距加宽向较小轨距加宽均匀递减，如图4-6所示。图4-5复曲线的轨距递减图4-6两曲线间的轨距递减在困难条件下，站线上的曲线轨距加宽，允许按不大于2‰递减。（4）特殊条件下的轨距加宽递减，铁路局可根据具体情况规定，但不得大于2‰。二、曲线外轨超高1.设置超高的目的当列车通过曲线时，由于离心力的作用，使得外侧车轮轮缘挤压外轨，造成两股钢轨磨耗不均，同时，车体向外倾斜，使旅客感到不舒适，货物移位，严重时还会导致列车倾覆或挤翻外轨使车辆颠覆。因此，为了平衡离心力，保证列车通过曲线时的安全，现行的办法是将曲线外轨轨枕下的道床加厚，使外轨适当抬高如图4-7所示，列车内倾并借助其重力产生一个向心的水平分力来抵消离心力，从而使得由于这个离心力所产生的各种不利因素得以消除或减轻。这种外轨与内轨的高差，叫做曲线外轨超高。由此可知，曲线设置外轨超高的目的是：（1）防止车辆通过曲线时向外侧倾倒。（2）使内外两股钢轨所受的垂直压力大致相等，垂直磨耗均匀。（3）使列车安全平稳通过曲线，增加旅客舒适度。2.超高量的计算曲线的外轨超高量是根据列车通过曲线时产生离心力的大小确定的。离心力和列车速度的平方成正比，和曲线的半径成反比，所以，曲线半径愈小，行车速度愈高，离心力就愈大，需要设置的外轨超高量也就愈大。通常，曲线的外轨超高量h可用下列公式计算：Rvh208.11式中h——外轨超高量（mm）；0v——通过曲线的列车平均速度（km/h）；R——曲线半径图4-7曲线外轨超高F—离心力；h—超高值；1S—内外轨中心距（1S=1500mm）；a—轨顶线与水平线面倾角在运营线上，外轨超高计算结果为5mm的整倍数。当计算值小于10mm时，可考虑不设外轨超高。不同半径和速度条件下的曲线外轨超高度值列于表4-3中。在新线上设置超高时，因尚未运营无法测得平均速度v0值，一般采用设计文件中规定的最高行驶速度的80%作为平均速度进行计算，故：RvRvh2max2max6.7)8.0(8.113.曲线最大超高限度对行驶高速列车的线路来说，曲线超高应尽量定得大些，但也要有一个最大限度。因为，曲线上设置超高过大时，当列车以低速通过或因故在曲线上停车，必会产生一个较大而又未被平衡的向心力，造成车体倾斜，装载的易滚易滑货物可能移位，严重时将使列车倾覆而丧失稳定。因此，既允许未被平衡的欠超高来限定超高，为避免丧失稳定又必须限定超高最大值。表4-3曲线外轨超高（mm）曲线半径（m）平均速度303540455055606570758085909510010511011512020055709512025040607595120300355065801001203503040557085100120400253545607590105120450253040556580951105002030405060708510011555020253545556575901051206002025304050607085951101257001520253540506570859511012080015202530354555657585951101201000101520253035405060657585951051201200101015202530354050556570809010011012015005101520253035404550556570808595105115180051015152025303035404555606570808595200055101520202530354045505560657080852500551010151520252530354045455055607030005510101015152020253030354045505055400055551010101515202025253030354040我国《铁路线路维修规则》规定：曲线地段外轨超高，双线铁路不得超过150mm，单线铁路不得超过125mm。这是考虑到双线铁路和单线铁路行车条件的不同，双线铁路按上下行分开行车，同一曲线上的行车速度相差较小，因而最大超高可以大一些；单线铁路由于两方向上的运量不同，以及线路坡度的影响，上行和下行的行车速度往往相差较大，故外轨超高最大值应小一些。对高速铁路的最大超高值：单一高速铁路用180mm；高中速共线为150mm。外轨超高是按列车平均速度计算确定的，而曲线上的外轨超高一经设置，便成为一种固定设施。但实际运行的列车速度有快有慢，很少与平均速度相同，如列车的运行速度超过平均速度时，就会产生未被平衡的欠超高。因此，每趟列车通过曲线时，都不同程度地存在着未被平衡的向心或离心加速度α。旅客的舒适度是用未被平衡的横向加速度来衡量的，国内外通过大量试验来测试未被平衡横向加速度与旅客舒适度的关系，积累了许多资料，表4-4为我国实测得到的未被平衡横向加速度与旅客舒适度的关系。为保证旅客一定的舒适度，我国铁路规定未被平衡横向加速度α值为：山区单线铁路不得大于0.6m/s2；在坡度小于或等于6‰的单线铁路或任何坡度的双线铁路不得大于0.4m/s2～0.5m/s2；特殊情况下不得大于0.6m/s2；新建铁路不大于0.5m/s2。表4-4未被平衡横向加速度与旅客舒适度)/(2sma多数旅客的舒适程度0.40基本感觉不出来，意识不到在曲线上运行0.50有感觉，但比较舒适0.60感觉有横向力，比较容易克服0.73明显感觉有横向力，但上能克服0.87感觉有较大横向力，需有意识保持平衡，走路难1.00感觉有很大横向力，站立不稳，不能行走根据允许的未被平衡横向加速度就可确定允许的欠或过超高值，两者的相互关系为：gaSh1式中h——未被平衡欠或过超高值（mm）；1S——内、外轨中心距离（1500mm）；a——未被平衡横向加速度（0.4m/s2～0.6m/s2）；g——标准自由落体加速度（9.81m/s2）。a=0.42/sm时，mmh6181.94.01500；a=0.52/sm时，mmh7681.95.01500；a=0.62/sm时，mmh9281.96.01500。按最高行车速度检算，我国快速线路的未被平衡欠超高允许值规定为：一般地段75mm；困难地段90mm；个别情况110mm，且应尽量少用。对于过超高也有限定值，其值为50mm。对高速铁路其建议值为：欠、过超高之和允许值，一般条件110mm，困难条件140mm；实设超高与欠超高之和允许值，一般条件220mm，困难条件260mm。4.外轨超高