提高列車速度的理論與線路平面參數(shù)

1、提高列車速度的理論與線路技術條件提速對策提速對策最小平曲線半徑及其行車動力學參數(shù)最小平曲線半徑及其行車動力學參數(shù)高速鐵路最小平曲線半徑高速鐵路最小平曲線半徑制約提高速度的技術因素制約提高速度的技術因素 討論題討論題 為了提高列車的速達性，必須提高其物理能力，即提高最高允許速度、曲線限速、過岔速度、加速和減速性能等。但是，構成鐵路系統(tǒng)的車輛、線路電力、信號等各種基礎因素是錯綜復雜的，成為提高速達性的障礙，必須設法消除這些障礙。從大的方面來分析，制約提高速度的技術因素有軟性制約因素和硬性制約因素之分；硬性制約因素包括：動力運轉性能，制動性能，列車運行平穩(wěn)性，集電性能，列車控制等；軟性制約因素包括：

2、法規(guī)規(guī)定，舒適度，環(huán)境標準等。（a）動力運轉性能當克服走行阻力（空氣阻力、滾動阻力和坡道阻力）的驅動力不足時，速度就難以提高。車輛的功率增加，不僅涉及成本問題，而且，在物理方面還有動力裝置的單位功率和安裝空間的制約問題。另外，還有加大驅動力，車輪仍舊打滑，無法產(chǎn)生加速力的粘著限度問題。由于粘著系數(shù)具有隨速度提高反而降低的趨勢；另一方面，走行阻力是隨速度提高而增大的（空氣阻力是與速度平方成正比增加），因此，從粘著力和走行阻力要達到平衡的粘著性能來分析，存在著一個速度限界。法國TGV高速列車創(chuàng)造了515.3km/h輪軌鐵路最高試驗速度 (b)制動性能 速度問題首先是以能使列車安全停止為前提條件的，

3、從安全角度出發(fā)，希望制動距離盡可能地短些，但是，迫使車輪停止轉動的力不斷增大，一旦超過鋼軌和車輪間的粘著限度時，車輪將會打滑，無法產(chǎn)生減速力，這種限度是客觀存在的?？梢哉f，依靠鋼軌和車輪間粘著來實現(xiàn)制動的情況中，提高粘著性能是提高制動性能的關鍵。制動性能是構成信號安全系統(tǒng)的基礎。如果想提高速度，在提高制動性能的同時，必須調整運輸安全系統(tǒng)。 (c)運行的平穩(wěn)性 車輛和線路之間的相互關系決定運行的平穩(wěn)性。作為車輛特性，當運行速度達到某個程度時，車輛會突然發(fā)生左右方向的自激振動，這種現(xiàn)象稱為蛇行運動。為了不發(fā)生蛇行運動，需要選擇和確定運行裝置的各項技術參數(shù)。即使不發(fā)生蛇行運動，如果達到高速運行時，由

4、于車輛和軌道不平順之間的相互作用，也會使車輪作用在鋼軌上的力（輪重和橫壓）發(fā)生變化，發(fā)生“輪重減載”現(xiàn)象，這樣，不僅加劇了軌道的破壞，甚至還有發(fā)生脫軌的危險，因為輪重和橫壓是由于車輪和鋼軌相互作用而產(chǎn)生的，所以，在提高速度時，必須同時考慮軌道構造和車輛構造。在軌道構造方面，要設置合理的轉向架的轉動阻力，適應于小半徑曲線中的運行條件，要設計減少軌道負擔的車輛構造。由于車輛通過曲線時，受到離心力的影響，所以，通過曲線的速度受到曲線半徑的限制。如果處理好超高度、欠超高和緩和曲線長度之間的關系，在保證平穩(wěn)性和舒適度的前提下，仍有可能提高曲線限速。 (d)集電性能 電氣化運輸靠地面供應電力，集電性能決定

5、于車輛和接觸網(wǎng)之間的相互關系。受電弓和接觸網(wǎng)構成一個振動系統(tǒng)，當高速運行時，受電弓對于接觸網(wǎng)的追隨性降低了，有時會發(fā)生火花，最不利情況下還會發(fā)生中斷電流現(xiàn)象。因此，在提高速度時，必須把受電弓和接觸網(wǎng)看成一體，從而獲得盡可能穩(wěn)定的集電系統(tǒng)。 (e)列車控制 為了便于線路上的所有列車安全運行，必須具有能控制列車間隔和速度的信號保安系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是以制動性能為基礎的。在考慮提高速度時，必須將制動性能和行車安全系統(tǒng)視為整體，千方百計地加以改善。另外，列車的運動能量是和速度的平方成正比，提高速度后，萬一發(fā)生相撞時，受害程度也會和速度平方成正比增加。因此，隨著列車提高速度，有必要加強列車控制方面的安全度。

6、 (a) 規(guī)定 在部令、部內規(guī)則、標準和指導等各層次中都有許多規(guī)定，比如緊急制動距離、最小曲線半徑等標準。此外，限制速度的規(guī)定隨著技術水平的提高和列車運行條件的變化，將會有很多可以修改的地方。特別是車輛重量（輪重、簧下質量等）和軌道破壞之間有關因果關系的研究正在不斷深化，如這些研究進一步深入，就有可能修改現(xiàn)行的有關速度和軌道結構的規(guī)定。這些研究和修改將有利于節(jié)省經(jīng)費和提高速度。 (b)舒適度 過去，作為通過曲線時舒適度標準定為左右方向穩(wěn)態(tài)加速度值不超過0.08g。最近，研究開發(fā)了陀螺式測定器，從而可以在車內正確測定車體旋轉角速度。從舒適度角度出發(fā)，車體旋轉角速度的目標取為5/s以下。根據(jù)這個標

7、準可以修改有關緩和曲線長度的規(guī)定。對于非擺式車體的一般車輛，也有可能大幅度提高曲線限速。在現(xiàn)行規(guī)定中容許的未被平衡超高度（未被平衡的離心加速度）是根據(jù)舒適度限度的標準(0.08g)計算得到的，其中考慮了車輛彈簧的撓度，還留有若干余量。隨著技術水平的提高和人們對加速度的感覺隨時代共同變化，這些規(guī)定應有進一步修改的余地。 (c)環(huán)境標準 環(huán)境問題是鐵路提高最高允許速度時的最大課題，鐵路建設達到環(huán)境標準已成為鐵路線提速的關鍵。列車以高速進入隧道時，在相反的洞口會發(fā)生沖擊聲，為了緩和這種沖擊聲，在隧道入口處采取了設緩沖墻等措施，但是，在進一步提高速度時，這個問題仍舊是一個制約因素。 建設成本也是一個控

8、制提速的制約因素。制約提速的技術因素解決后，成本成為最大的制約因素。伴隨著提速，即隨著車輛和地面設備等基礎因素水平不斷提高，成本也會增加，如何從技術上控制這些成本的增加即成為關鍵問題了。在具體提速時，應極力減少車輛和地上設備的追加投資，還應極力控制動力費和養(yǎng)護費的增加。 1、 粘著性能的改善 粘著性能對于加速和減速性能起著決定作用。粘著性能對于加速和減速性能起著決定作用。為了使粘著系數(shù)盡可能增大，必須改善粘著條件，其方法有為了使粘著系數(shù)盡可能增大，必須改善粘著條件，其方法有二種：一種為加強輪軌之間接觸的狀態(tài)管理，以提高粘著系二種：一種為加強輪軌之間接觸的狀態(tài)管理，以提高粘著系數(shù)，這種方法稱為表

9、面管理；表面管理的途徑包括凈化車輪數(shù)，這種方法稱為表面管理；表面管理的途徑包括凈化車輪踏面和加強鋼軌表面管理。凈化車輪踏面常采用清掃器和研踏面和加強鋼軌表面管理。凈化車輪踏面常采用清掃器和研磨器；鋼軌表面管理包括波形打磨、幾何線型維護以及軌面磨器；鋼軌表面管理包括波形打磨、幾何線型維護以及軌面增加增粘材料等。增加增粘材料等。另一種為控制作用于車輪上的力（驅動力或者制動力），從另一種為控制作用于車輪上的力（驅動力或者制動力），從而獲得穩(wěn)定、高值的粘著系數(shù)。這種方法稱為粘著力控制。而獲得穩(wěn)定、高值的粘著系數(shù)。這種方法稱為粘著力控制。常用的粘著力控制方法有使用交流電機和直流分激電機兩種常用的粘著力控

10、制方法有使用交流電機和直流分激電機兩種。通過選擇發(fā)揮這些電機特性的適當控制方法，減少空轉時。通過選擇發(fā)揮這些電機特性的適當控制方法，減少空轉時的扭矩，從而提高粘著性能。的扭矩，從而提高粘著性能。此外，減少輪重變化、增加列車軸數(shù)和運輸條件的改善也是此外，減少輪重變化、增加列車軸數(shù)和運輸條件的改善也是十分重要的增粘途徑。十分重要的增粘途徑。 鐵路車輛的粘著制動就是在車輪上施加使其停止旋轉的力，使車輪踏面和軌頭表面的接觸面產(chǎn)生一個和前進方向相反的粘著力，從而達到減速、停車的目的。如何獲得較大的粘著力是提高制動性能的決定因素。提高制動性能實現(xiàn)高速化的有以下對策： (a)有效地利用粘著力 2、 制動性能

11、和行車保安系統(tǒng)的改善制動性能和行車保安系統(tǒng)的改善 車輪和鋼軌之間的粘著限度是隨著鋼軌表面情況而有很大的車輪和鋼軌之間的粘著限度是隨著鋼軌表面情況而有很大的離散性。如提高制動力，滑行現(xiàn)象也將隨著期望的粘著系數(shù)離散性。如提高制動力，滑行現(xiàn)象也將隨著期望的粘著系數(shù)的增大而提高。一旦產(chǎn)生滑行，車輪踏面會有扁疤，車輪和的增大而提高。一旦產(chǎn)生滑行，車輪踏面會有扁疤，車輪和鋼軌之間就會發(fā)生較大沖擊，加劇對輪軌的損傷。因此，作鋼軌之間就會發(fā)生較大沖擊，加劇對輪軌的損傷。因此，作為有效利用粘著力的方法，可考慮將制動力和粘著特性合在為有效利用粘著力的方法，可考慮將制動力和粘著特性合在一起加以控制。在日本新干線電動

12、車組中，即是使減速度沿一起加以控制。在日本新干線電動車組中，即是使減速度沿著粘著特性曲線那樣對制動力進行控制的。為了防止粘著系著粘著特性曲線那樣對制動力進行控制的。為了防止粘著系數(shù)增加導致滑行，必須在列車上設置防止滑行的機構，檢測數(shù)增加導致滑行，必須在列車上設置防止滑行的機構，檢測滑行趨勢。一旦出現(xiàn)滑行，立即暫時緩解制動力；滑行趨勢。一旦出現(xiàn)滑行，立即暫時緩解制動力；(b)增加粘著的對策增加粘著的對策 為了提高高速區(qū)域的制動性能，必須研究提高粘著系數(shù)的對為了提高高速區(qū)域的制動性能，必須研究提高粘著系數(shù)的對策。在日本新干線中，制動時把清掃車輪踏面的研摩器壓到策。在日本新干線中，制動時把清掃車輪踏

13、面的研摩器壓到車輪上，從而增加粘著。在法國車輪上，從而增加粘著。在法國TGV中，是通過合并使用附中，是通過合并使用附掛車的踏面制動器和盤式制動器（其中踏面制動器僅在掛車的踏面制動器和盤式制動器（其中踏面制動器僅在200km/h以下起作用），結合清掃車輪踏面，來承擔一部分制以下起作用），結合清掃車輪踏面，來承擔一部分制動力。動力。這種制動方式是在清除車輪踏面上的污染膜同時，利用車輪這種制動方式是在清除車輪踏面上的污染膜同時，利用車輪踏面的粗糙化，在使鋼軌表面的污染膜破壞，從而達到提高踏面的粗糙化，在使鋼軌表面的污染膜破壞，從而達到提高粘著系數(shù)的目的。需要進一步研究研磨器的成份，使硬質粒粘著系數(shù)的

14、目的。需要進一步研究研磨器的成份，使硬質粒子附著于車輪踏面上，從而增加車輪和鋼軌之間接觸面的固子附著于車輪踏面上，從而增加車輪和鋼軌之間接觸面的固體接觸部分，以便進一步增加粘著的效果。體接觸部分，以便進一步增加粘著的效果。增粘研磨器使車輪踏面粗糙化，與此同時則增加了磨耗，因增粘研磨器使車輪踏面粗糙化，與此同時則增加了磨耗，因此，研磨器應采用不致使高速列車的車輪踏面產(chǎn)生異常磨耗此，研磨器應采用不致使高速列車的車輪踏面產(chǎn)生異常磨耗的器材。目前使用的研磨器材料有：鐵燒結、合成材料和率的器材。目前使用的研磨器材料有：鐵燒結、合成材料和率燒結等。在高速化的發(fā)展過程中，研究開發(fā)有效的增粘制動燒結等。在高速

15、化的發(fā)展過程中，研究開發(fā)有效的增粘制動研摩器是最重要的研究課題。研摩器是最重要的研究課題。 (c)采用非粘著的制動系統(tǒng)采用非粘著的制動系統(tǒng) 對于粘著制動，存在著粘著性能的限度。為了獲得限度以上對于粘著制動，存在著粘著性能的限度。為了獲得限度以上的減速度，可采用不依賴于輪軌間粘著的制動系統(tǒng)，如電磁的減速度，可采用不依賴于輪軌間粘著的制動系統(tǒng)，如電磁吸附制動和渦流制動等。電磁吸附制動曾在日本信越線橫川吸附制動和渦流制動等。電磁吸附制動曾在日本信越線橫川輕井間的大坡道中，作為專用機車的停留制動而被使用輕井間的大坡道中，作為專用機車的停留制動而被使用過；在其它國家也有許多使用實例。過；在其它國家也有許

16、多使用實例。 (d)改善信號保安體系改善信號保安體系 在最高時速達在最高時速達200km/h以上時，采用機載信號系統(tǒng)以上時，采用機載信號系統(tǒng) (e)列車防護列車防護 采用無線電裝置作為預警系統(tǒng)，以乘務員在列車上發(fā)報為主采用無線電裝置作為預警系統(tǒng)，以乘務員在列車上發(fā)報為主，同時車載系統(tǒng)與道口防護開關相結合。如果巡道養(yǎng)護人員，同時車載系統(tǒng)與道口防護開關相結合。如果巡道養(yǎng)護人員攜帶無線電裝置，就可以從地面來阻止列車運行。攜帶無線電裝置，就可以從地面來阻止列車運行。 (f)道口對策道口對策 采用定時報警控制裝置。采用定時報警控制裝置。提高線區(qū)的防災保安水平，根據(jù)線區(qū)實際情況采取相應措施提高線區(qū)的防災保

17、安水平，根據(jù)線區(qū)實際情況采取相應措施（1）列車走行的安全性 如果考慮轉動車輪在鋼軌側面的爬上情況時，那么滑下的力等于滑上力與摩擦力的和。可以用下列公式表示： 車輛的走行安全性中脫軌和傾覆是主要問題。顛覆和列車通過曲線時的狀態(tài)有密切關系，此處，主要考慮脫軌的問題。 從而可推導出下列納達爾公式： 式中：Q橫壓 ；P輪重；輪緣角；摩擦系數(shù)一般稱Q/P為脫軌系數(shù)。 當=60，=0.30時，Q/P=0.94；這時相當于輪重的94% 以上的橫壓在工作，車輪的輪緣沿著鋼軌側面邊滾動邊爬軌。但是，車輪爬軌必須有一定的作用時間（約1/20秒），當作用時間是瞬時，即使Q/P大，也不致發(fā)生脫軌現(xiàn)象。在脫軌系數(shù)的容許

18、限度中再保留20%的余量，可以得到下列判別標準：Q/P0.8 （t0.05 秒），Q/P0.04/t （ t0.05 秒）有時，即使橫壓不太大，由于輪重減載也會發(fā)生脫軌現(xiàn)象。如曲線地段的超高不足，超高過量，風的影響，車體的橫向振動，以及車輛和軌道的平面扭曲等都會引起輪重減載。從安全角度考慮，相對于平均輪重，是以靜態(tài)的輪重減載60%以下，動態(tài)的輪重減載80%以下為目標。車體左右振動加速度和脫軌系數(shù)之間有很高的相關性。對于二軸貨車，為了使其脫軌系數(shù)不超過0.8，希望車體左右振動加速度在0.4g以下。高速化時，為了不降低走行安全性，必須避免出現(xiàn)過大的橫壓和輪重減載現(xiàn)象。 （2）列車走行的平穩(wěn)性 車輪

19、在直線走行過程中，當列車達到一定速度時，車體會發(fā)生左右方向的自激振動，即發(fā)生蛇行運動。這種蛇行運動不僅降低舒適度，而且，構成破壞軌道的因素，誘發(fā)脫軌的危險性。正確地確定車輛各種技術參數(shù)和彈簧系的各種參數(shù)，可以提高發(fā)生列車蛇行運動的臨界速度。為了使高速走行中不發(fā)生蛇行運動，正確地選擇影響走行平穩(wěn)性的車輛有關參數(shù)和增加平穩(wěn)性的方向。此外，加大轉向架轉向阻力，提高軸箱前后支撐剛度，也可以使產(chǎn)生蛇行運動的臨界速度得到提高。但是，這一系列阻止發(fā)生蛇行運動的要素中，例如：延長固定軸距、加大轉向架轉動阻力、提高軸箱前后支撐剛度等，同時也會惡化車輛通過曲線時的性能。所以，在決定車輛有關參數(shù)的過程中，要考慮在使

20、用速度范圍內不發(fā)生問題的前提下，盡可能降低發(fā)生蛇行運動的臨界速度，從而改善列車通過曲線的性能。 (3)防止輪重變化的對策 輪重極端地變大和極端地變小不僅會加快車輪和軌道的破壞和疲勞。而且有誘發(fā)脫軌的危險性，因此，必須千方百計地避免上述兩種現(xiàn)象。另外，輪重變化也會降低粘著性能。 另外，減少車輛簧下質量和簧間質量，也可以減輕軌道的負擔，節(jié)省軌道維修費用。因此，在國外高速列車車輛中，使車輛軸承、軸箱等都小型化，齒輪等驅動裝置都輕量化，高速車輛與普通車輛相比，簧下質量減輕了10%左右。同時，降低軌道彈性系數(shù)，消除鋼軌踏面上細小的凹凸不平順也是重要的。 (4)降低轉向橫壓的對策 為了提高走行的安全性和平

21、穩(wěn)性，在減少輪重變化的同時，降低橫壓也是重要的對策。當有轉向架的車輛通過曲線時，轉向架在鋼軌的引導下，在轉向過程中會產(chǎn)生橫壓。這種橫壓由兩種因素產(chǎn)生：一種是幾何學的因素，即車軸延長線不通過曲線中心而產(chǎn)生的。另一種是構造上的因素，即車體和轉向架之間存在旋轉阻力（為了防止車輛蛇行運動，需要存在某程度的旋轉阻力）。轉向架通過曲線的情況大致如下：當車輛進入緩和曲線時，轉向架的第1軸輪緣接觸外軌，因其反力使轉向架轉向。這時，車輪即向外軌移動曲線軌距加寬的量值；由于車輪踏面有坡度，因而發(fā)生左右車輪直徑差，輪軸自行旋轉，幫助轉向架轉向。轉向橫壓隨轉向架構造和車體支承形式不同而有差異。定性的傾向和曲線半徑成反

22、比增大，例如：在R=200m的曲線上，轉向橫壓大致是R=400m曲線上轉向橫壓的2倍。 增大車輪的踏面坡度，降低相對于轉向架框架的輪軸支承剛度，可以使列車在曲線走行時，輪軸的徑向能對著曲線中心，從而提高輪軸的自然掌舵性。但是，自然掌舵轉向架進入直線運行時，容易發(fā)生蛇行運動。為了控制前后軸同相位的蛇型運動，在自然掌舵轉向架上設計了用聯(lián)桿把車軸端部連接起來的機構。另一種降低轉向橫壓的對策是采用無搖枕轉向架。無搖枕轉向架是通過轉向框架上安裝的空氣彈簧來直接支承車體，所以，可以由空氣彈簧來吸收轉向架的旋轉變位。因為結構中沒有以往轉向架的搖枕梁，所以成為無搖枕梁轉向架。無搖枕梁轉向架不僅構造簡單、重量輕

23、，而且和過去的旁撐方式相比較，轉向旋轉阻力小，通過曲線的橫壓也小。另外，把車輪踏面設計成圓弧型，當車輛通過曲線時，這種圓弧形踏面可以進一步加大左右車輪的輪徑差，使車輛圓滑地通過曲線，對降低橫壓有明顯效果。無搖枕轉向架、軸箱的彈性支承、車輪圓弧型踏面形狀、徑向轉向架技術等，明星改善了走行性能，從而減輕了軌道的負擔，提高了列車的舒適性。 （5）高速化中軌道的對策 (a)軌道承載能力 提高行車速度將會增加鋼軌、軌枕、道床等軌道材料的負擔。其中，限制列車提高速度的重要因素是鋼軌的彎曲應力或路基壓力。現(xiàn)行的軌道理論實際上就是關于速度和軌道參數(shù)（鋼軌的類型、軌枕數(shù)量、道床厚度）的最佳選擇。從該理論出發(fā)，如

24、需提高列車速度，則應采取下列對策。*使鋼軌彎曲應力變小，即增大鋼軌斷面系數(shù)ZR（使用重型鋼軌），或減小鋼軌彎曲力矩Mmax，即降低車輛輪重，縮小軌枕間距; 減少路基壓力Pmax； 減小道床厚度系數(shù)，即增加道床厚度。日本的新干線上隧道和橋梁比重大，所以采用了板式軌道。法國和西德的高速新線中路塹、路堤較多，所以采用的是有道碴軌道。在有碴軌道線路中，除一部分橋梁區(qū)間外，都使用雙塊型軌枕，雙塊型軌枕的端面接近單根型軌枕的一倍，從而保證了軌排的橫向穩(wěn)定性。 (b)軌道破壞 與軌道破壞直接有關的因素有：列車荷載、軌道構造、軌道材料的狀態(tài)等，即：破壞系數(shù)（）荷載系數(shù)(L)構造系數(shù)(M)狀態(tài)系數(shù)(N)荷載系數(shù)

25、(L)車輛系數(shù)（K）通過總重（T）列車速度（V）軌道破壞反映為高低不平順、方向不平順、軌距不平順橫壓Q和輪重P相互作用等。方向不平順、軌距不平順、橫壓和輪重可定量掌握相應的允許限度，從而控制軌道破壞。高低不平順占軌道破壞的主要部分，將由此引起的軌道破壞控制在一定范圍內的關鍵是減小構造系數(shù)M，或者減小車輛系數(shù)K。通過加強軌道結構，即使鋼軌重型化、采用預應力混凝土軌枕、增加軌枕根樹、加厚道床等，可使構造系數(shù)變小。另外，車輛系數(shù)K隨輪重、簧下質量減小而減小，根據(jù)走行部分的參數(shù)和特性而變化。 (c)養(yǎng)護和維修軌道幾何狀態(tài)養(yǎng)護和維修軌道幾何狀態(tài) 一般地說，速度愈高，軌道不平順的允許值應該愈小。從宏觀上考

26、慮，速度和方向不平順之間的關系可以由Birmann公式表示：f=400/V式中：f軌道不平順的容許限度(mm)； V列車速度(km/h)由上式可得，當速度為200km/h時，軌道不平順的容許限度為2mm；當列車速度為300km/h時，容許限度為1.3mm；速度越高，容許限度越小。另外，根據(jù)日本的研究經(jīng)驗，高低不平順的限度還與各種波長有關。在高速鐵路上，必須嚴格監(jiān)控長波長的軌道不平順。如果車輛保持不變，對于波長2550m的長波長方向不平順，在300km/h時的管理值必須比200km/h時的管理值嚴格2倍以上。法國TGV進行380km/h高速運行試驗時，鋪設軌道時的標準為：方向2mm，高低5mm（

27、在18m距離內）。當軌道穩(wěn)定以后，高低不平順的標準為：用10m平均弦測量為3mm（成為10m弦正矢的1/2）；用31m弦測量為8.5m（半振幅為6mm）。為了保持軌道良好的技術狀態(tài)，除了實行軌道不平順檢測和管理外，還實行以舒適度為主的振動加速度的管理。管理目標值為（全振幅加速度值）：新干線中，以安全性為主的提高速度判定標準值：上下振動為0.5g，左右振動為0.4g。把判定標準的一半作為管理目標值，那么，上下振動為0.25g，左右振動為0.2g。對于既有線中的優(yōu)等列車，上下振動、左右振動的半振幅都為0.13g。 由于下列原因,需限制通過曲線的速度：(a)顛覆的危險當列車通過曲線時，車輛的離心力是

28、隨著速度提高而增大的。當其和重力的合力脫離軌道中心時，在車輛中心處就作用有一個向曲線外側的力（未被平衡離心力）；當這個力變大，加上受風或振動的影響，就有可能發(fā)生顛覆事故。(b)軌道破壞未被平衡離心力變大，雖然不致發(fā)生顛覆事故，但是，由于輪重和橫壓都變大，則促進了軌道的磨耗和破壞。(c)舒適度惡化未被平衡的離心力變大，會使舒適度惡化。因此，要根據(jù)曲線半徑限制列車的速度。 （一）、最小平曲線半徑計算公式（一）、最小平曲線半徑計算公式 最小曲線半徑是影響高速行車舒適，安全的主要因素之一。最小曲線半徑是影響高速行車舒適，安全的主要因素之一。最小曲線半徑的選定應考慮行車速度，地形條件和機車牽引最小曲線半

29、徑的選定應考慮行車速度，地形條件和機車牽引種類等因素。其中行車速度是選定最小曲線半徑的主要依據(jù)種類等因素。其中行車速度是選定最小曲線半徑的主要依據(jù)。高速客運專線的最小曲線半徑高速客運專線的最小曲線半徑 R 是根據(jù)客運最高速度是根據(jù)客運最高速度 VK以以及最大超高值及最大超高值 hmax和允許欠超高和允許欠超高hQ，按下式算得：按下式算得： 客貨共線或高中速共線高速鐵路的最小曲線半徑客貨共線或高中速共線高速鐵路的最小曲線半徑R是根據(jù)客運是根據(jù)客運最高速度最高速度VK和貨運（中速客車）最高速度和貨運（中速客車）最高速度VH（Vz），），以及允以及允許欠超高許欠超高hQ和允許過超高和允許過超高hG，

30、按下式計算的按下式計算的 可見，當速度一定時，確定最小曲線半徑的關鍵是：曲線地可見，當速度一定時，確定最小曲線半徑的關鍵是：曲線地段外軌超高和未被平衡的離心加速度標準值。段外軌超高和未被平衡的離心加速度標準值。 （二）最大超高（二）最大超高 .安全條件所確定的最大超高度 SD當軌道超高設置為0，軌道面處于水平狀態(tài)時，作用于曲線外側的離心力和重力的合力偏離軌道中心；其偏離程度可用安全系數(shù)來表示a， 顯然合力作用線在二分之一軌距范圍內是有利的，即， 也即 。 線路設計中通過設置軌道外側設置超高，來抵消未被平衡離心加速度；當曲線外軌超高大于0時，車體所受合力如下圖：ShSS/2從安全的角度考慮，當車

31、輛在設有超高的曲線中停車或低速通過時，如果從曲線外側來風不會使車輛向內側顛覆；取車體向內側顛覆的安全系數(shù)為n，即重力作用在軌頂面1/2n以內， 則相應的最大超高應滿足：日本運行高性能列車的新干線，取安全系數(shù)為3，相應的S=1435mm，H=1370mm，并考慮25%的裕量，相應的最大超高為219mm。國內外經(jīng)驗證明，輪軌鐵路按安全系數(shù)取3所確定的最大超高值，是能滿足運營安全要求的。 根據(jù)我國鐵道部科學研究院對我國三種有代表性的車輛YZ22型客車，P60型棚車及G17型罐車進行的試驗研究結果，保證安全的最大超高值以貨車中的罐車在重車時為最小，其值為344(mm)，如果考慮安全系數(shù)1.5，則為34

32、41.5=229(mm)。 確定曲線最大超高還應考慮到當列車在曲線上停車時，旅客對處于傾斜車體里的舒適度反映，以及車輛處于傾斜狀態(tài)下時機構的可靠性條件等。 我國鐵道科學研究院的試驗表明，輪軌系統(tǒng)客運專線實設超高允許值不應大于200mm。它主要受停車時旅客乘坐舒適度要求所限。當實設超高為200mm時，列車在曲線上停車時，部分旅客感到站立不穩(wěn)，行走困難且有頭暈不適之感。 國外客運型輪軌高速鐵路資料為： 日本新干線： 期望 180mm，最大 200mm； 法國TGV： 期望 180mm，最大 200mm 美國客運專線；期望 203mm，最大 229mm 為了實現(xiàn)高速行車，曲線半徑的標準要求很高。允許

33、適當?shù)那烦叽嬖?，則可降低曲線半徑標準，或同樣的曲線半徑標準可以提高運行速度。允許欠超高的確定，應使未被平衡的離心力對車輛傾斜的影響盡可能小，對軌道的偏載盡可能小 1)從安全性方面考慮欠超高從安全性方面考慮欠超高 如車輛向外側顛覆的安全系數(shù)取4，（危險率為25%），則合力作用點在軌距的1/8以內， 相應的欠超高應滿足：日本運行高性能列車的新干線，取安全系數(shù)為3，S=1435mm，H=1370mm，相應的最大欠超高為：175mm。 可見，允許欠超高的大小，與軌距的平方成正比，與車輛的重心高度成反比。確定允許側向未被平衡離心加速度標準，還應考慮高速行車的側向風力作用、側向振動加速度和高速會車時的側

34、向力作用的影響。根據(jù)輪軌系統(tǒng)的研究成果，在最不利情況下，這些側向作用力的影響和離心加速度引起傾覆一起對軌道面設置超高引起的穩(wěn)態(tài)傾覆起抵消作用。以未考慮這些因素的側向穩(wěn)態(tài)欠超高標準作為設計限制值，是偏于安全的。 2）從舒適度方面考慮欠超高）從舒適度方面考慮欠超高 旅客乘車舒適度是衡量列車通過曲線時運營質量好壞的一個最直觀的指標， 國外高速鐵路通過實驗，確定未被平衡的離心加速度的取值標準，從而確定欠超高的允許值范圍。英國和美國的試驗結果表明，當欠超高達到178mm時，絕大多數(shù)乘客沒有不舒適的感覺;法國鐵路在未經(jīng)改造的既有線上，列車以200km/h的速度通過曲線，產(chǎn)生的欠超高達到103mm，乘客認為

35、舒適度是允許的。 日本1986在中央東線用183系電車進行試驗的結果來分析，在車內測定的左右方向穩(wěn)態(tài)加速度值相對于未考慮彈簧影響計算出來的未被平衡離心加速度約大20%；因此，根據(jù)舒適度限度考慮的0.08g計算出來的欠超高115mm中應留有20%的余地。這樣，日本在新干線上實際采用的欠超高值為：90mm，相當于=0.06g 法國試驗研究表明，在頻率1/5Hz時，均方根值為0.05g的加速度是可以容忍的；在水平方向經(jīng)過3小時30分鐘，旅客尚未感到疲勞 我國鐵道部科學研究院的試驗結果表明，當欠超高達到75mm時，絕大多數(shù)乘客的不舒適在輕微感覺以下。綜合分析結果國內外的研究試驗結果，鐵科提出的研究成果

36、為：允許欠超高值，客貨共線鐵路一般地段為70mm，相當于未被平衡的離心加速度為 0.045g；困難地段為90mm，相當于未被平衡的離心加速度為 0.063g。京滬高速鐵路的研究結果：以鐵道科學研究院為第一承擔單位的課題組，在綜合分析國外資料的基礎上，結合京滬高速鐵路考慮高中速混跑的特點，并考慮到側向風力等因素的作用，允許的最大欠超高值的取值留有20%的余地。建議的未被平衡的離心加速度標準為：一般地段0.045g，困難地段0.065g。 3）國際標準化組織的評價指標）國際標準化組織的評價指標 國際標準化組織（ISO）將ISO2631標準用于人體對全身振動暴露的評價。其中ISO2631/1，用于對

37、全身側向振動的評價。 根據(jù)國際通用標準-ISO2631/1，當振動作用時間為16min時，側向均方根加速度值為1.85 m/s2，相應的側向加速度允許值為1.5 m/s2。當振動作用時間為25min時，側向均方根加速度值為1.25m/s2，相應的側向加速度允許值為1.0m/s2。當振動作用時間為1小時時，側向均方根加速度值為0.85m/s2，相應的側向加速度允許值為0.68 m/s2。當振動作用時間為2.5小時時，側向均方根加速度為0.5 m/s2，相應的側向加速度允許值為0.4m/s2。當振動作用時間為3.5小時時，側向均方根加速度為0.37m/s2，相應的側向加速度允許值為0.3m/s2。

38、 允許的最大過超高值主要由運行安全、乘坐舒適度和經(jīng)濟合理性三個條件確定。受車輛運行安全、乘坐舒適度要求的值的確定，與欠超高值確定原理基本相同。區(qū)別僅在于后者是車輛向曲線外側傾斜，而前者是向曲線內側傾斜。據(jù)美國、日本等國的實驗結果，可以認為欠超高的值與過超高的值相近。國內外所作的相關實驗結果可知，在靜態(tài)下過超高達到150mm時，部分“旅客”已稍有不舒適感覺；所以滿足安全、舒適的過超高值可取100150mm（0.07g0.1g）的標準。對于高速鐵路，國際鐵路聯(lián)盟對客貨共線運行的輪軌系統(tǒng)中建議的未被平衡的過超高限制值為30-90mm，相當于未被平衡的向心加速度為0.02g0.06g；我國鐵路專家們在

39、京滬高速鐵路標準研究中建議:允許過超高值的確定，一般地段取70mm，相當于未被平衡的向心加速度0.05g；困難地段取90mm，相當于未被平衡的向心加速度0.06g。 采用擺式列車是提高曲線限速的有效舉措。目前世界上已有很多國家采用擺式列車，成功地提高了客運速度。著名的擺式列車有瑞典的X2000、意大利的 ETR450、西班牙的 Talgo、日本的381、德國的6llDMV等。擺式客車的傾擺系統(tǒng)有兩種，一是利用客車在曲線上運行產(chǎn)生的離心力，使車輛自動向曲線內側傾擺的無源擺動，傾擺角度僅35；二是當客車進入曲線時，利用液壓或氣壓伺服系統(tǒng)，使車輛向曲線內側傾擺的有源擺動，其傾擺角度可達89。我國廣深

40、鐵路公司1998年引進瑞典的X2000模式列車為有源擺動，最大傾擺角度為8.5；西南交通大學正在研制的擺式客車最大傾擺角度為8，因傾擺時外側彈簧被壓縮，故有效傾擺角度約6.5，可產(chǎn)生170mm的附加超高，提高曲線限速35%左右。 從圖可見，采用擺式列車時，作用在旅客身上的未被平衡的離心加速度為： 又因為：又因為： 則：則： 欲使作用在旅客身體上的未被平衡離心加速度為0，則擺式列車擺動角為時，能補償?shù)那烦邽椋?擺式車輛的傾斜角度和補償未被平衡的離心加速度表示相同的意義，例如，車體傾斜5補償未被平衡離心力是0.087g。從加在車體上的未被平衡離心加速度中減去0.087g，剩余部分就是旅客所感受到的未被平衡的離心加速度。 根據(jù)擬定的行車動力學參數(shù)，即可確定高速鐵路最小平曲線半徑取值標準。（一）、主要要決定因素的取值（一）、主要要決定因素的取值1. 速度目標值速度目標值1）單一高速線路速度目標值根據(jù)國家的鐵路發(fā)展政策