鐵路安全線與擋車器的匹配設計研究

蔣志華

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

在鐵路設計中，安全線的設計是保障運輸安全的必要基礎條件，可避免當某一列車或調車組發生意外、停留車輛溜移時影響其他線路的列車或車輛安全。鑒于此，鐵路行業對安全線的設置條件做出了系列規定。但若出現列車、調車作業發生意外、或超速時，車輛與車擋發生碰撞，易造成車輛及車擋的損毀。為減小損毀、彌補安全線不足，設計了安裝在車擋前一定距離的擋車器等緩沖設備，起到緩沖作用[1]。基于擋車器阻擋車輛的受力原理，需在安全線平縱斷面設計方面進行相應的調整，以實現安全線、擋車器功能的系統性充分發揮，最大限度的保障運輸安全。本文謹以安全線與擋車器的相互匹配關系進行研究，并提出對安全性的設計新理念。

1 現行規程規范對安全線平縱斷面的設計要求

在下列規程規范中，對安全線的設置條件和位置都有相關要求，本文對此不再贅述，重點對安全線平縱斷面方面的設計要求進行研究探討。

(1)TG/01-2014、TG/01A-2017《鐵路技術管理規程》(以下簡稱《技規》)相關規定，第55條“安全線向車擋方向不應采用下坡道”[2]。

(2)TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》(以下簡稱《高規》)相關規定，第10.3.9條“鄰靠正線和到發線的安全線宜采用遠離相鄰正線和到發線的曲線型布置，并應設置雙側護輪軌”，“安全線的縱坡應設計為平道或面向車擋的上坡道”，“安全線尾部應設置車擋和緩沖裝置”[3]。

(3)TB 10099-2017《鐵路車站及樞紐設計規范》(以下簡稱《站規》)相關規定，第3.1.12條“安全線的縱坡應設計為平道或面向車擋的上坡道”，“安全線應設置雙側護輪軌，尾部應設置車擋和緩沖裝置，路基地段安全線尾部應設置止輪土基”[4]。

(4)鐵道第四勘察設計院主編《鐵路工程設計技術手冊-站場及樞紐》(以下簡稱《手冊》)相關規定，第三章第二節“一、車擋”第2條第(2)項，對彎軌式車擋“車擋前方5 m范圍內的線路要求做成面向車擋5‰左右的上坡”。“二、擋車器”中“安裝擋車器線路必須符合下列條件：擋車器滑行范圍無軌縫，并且在直線上”[5]。

2 擋車器受力特點

擋車器系安裝于車擋前的鋼軌上、對進入安全線的車輛進行緩沖阻擋的設備，擋車器按在鋼軌上安裝方式的不同分為固定式、滑動式；按受力點不同的初始消能方式分整體式、彈簧式、液壓式(關于擋車器的種類、型號、適用條件等可見廠家產品說明)。其設計受力點位于車鉤處、受力方向在平縱斷面上都是基于平行于軌道方向的，沒有產生其他方向的分力，可最大限度的發揮對車輛的阻擋作用。車列撞擊時，通過初始消能后(設油缸、彈簧消能為W)，繼續通過擋車器下部的阻尼器(摩擦阻力F)與在鋼軌上滑動的距離S共同形成制動功(A=F×S)，只要總制動功(W+A)大于車列的動能E=1/2mv2，即W+A≥E即可實現擋停車列(車輛基本阻力、風阻力、線路阻力等相對太小，且其作用也是起到減速作用的，可忽略)。一旦受力點、受力方向有差異，必將極大程度的減弱對車輛的阻擋作用，甚至造成對車輛和擋車器的嚴重損毀。擋車器正常受力情況，如圖1、圖2所示。

圖1 直線型平面受力示意圖

圖2 無變坡點型縱斷面受力示意圖

根據安全線防護的車列種類不同，進入安全線的車列總重和速度各有差異，在設計實踐中，擋車器一般安裝在車擋前5～15 m。根據在某廠的實際測試，1 000 t列車、5 km/h速度撞擊，某型號擋車器僅滑動了0.8 m，擋車器至車擋距離可根據實際需要按前文公式計算并考慮安全余量確定，理論計算 4 000 t、15 km/h撞擊液壓式擋車器需滑動22 m。一般考慮在行車線相鄰的安全線(含疏解聯絡線處)的車擋前采用10～15 m，在其余速度較低的安全線、貨場及段所的盡頭線可采用5～10 m。

3 安全線曲線型平面設計的危害分析

3.1 曲線型安全線對鄰線的危險分析

在現行《高規》、《站規》中，均有“鄰靠正線的安全線應采用曲線型布置”要求，但實際上，采用曲線型更增加了危險性或危害程度。

圖3 曲線型平面離心力示意圖

鄰靠正線、到發線的安全線較為常見，如圖3所示，且安全線往往與鄰線間距不大，一般在5.0～6.5 m的情況較為普遍。而安全線的長度一般不足100 m(有效長50 m)，采用曲線型的曲線半徑也就較小。如采用的曲線型彎向靠近鄰線(正線、到發線)，則車擋與鄰線間距會減小，且造成車擋背后沖向鄰線，更增加了對鄰線的危險性。如曲線型彎向遠離鄰線，那么車輛快速沖進安全線時，其離心力作用(F=M×V2/R)增加車輛對軌道的側向力，甚至可能引起車輛倒向鄰線，也增加了對鄰線的危險性(雖然也有論文提出安全線在靠近鄰線側設置超高以緩解離心力并避免向鄰線傾覆，但超過設置多少合適，未有研定，文獻[6])。鑒于此，在與正線、到發線相鄰時，不應采取曲線型設計。

3.2 曲線型對擋車器的危害性

曲線型平面受力示意，如圖4所示，安全線設為曲線型時，車輛因位于曲線上，撞擊擋車器的作用力方向與擋車器的正常受力方向間有夾角β，由于車列總重大、并有一定速度，根據E=1/2mv2，可見其動能巨大，即使夾角很小，也使得正向分力F1=F×cosβ大為減弱、且形成的側向分力F2=F×sinβ較大，該側向分力F2對車鉤、擋車器、軌道均可能造成破壞性損毀。

圖4 曲線型平面受力示意圖

因此，安全線設計為曲線型設計多有安全隱患，應采用直線型設計，尤其是在鄰靠正線、到發線位置的安全線，至少在靠近車擋的后半部分必須為直線。車輛撞擊擋車器時，車輛必須位于直線上。

一般普速客車長度22 m并考慮車鉤，動車組的頭車(第一個車體)長度一般在25.7～27.6 m，擋車器前一個車長(按30 m計)至車擋應為直線，擋車器安裝位置距車擋一般最大為15 m，考慮相關安全余量，安全線車擋前至少應有50 m直線段。

4 安全線縱斷面設計應采用整坡，避免設置變坡點

安全線縱斷面如采用凸型，如圖5所示，那么車輛撞擊擋車器時，受力點上移，如坡度代數差較大時可能車鉤不能撞擊在擋車器的受力區域，使得擋車器作用無效，也可能使得車鉤扭壞；如坡度代數差較小，將產生向上的分力F2，即使擋車器的作用力方向與擋車器的正常受力方向間有夾角β較小，由于車列總重大、并有一定速度，根據E=1/2mv2，可見其動能巨大，也使得正向分力F1=F×cosβ大為減弱，難以實現阻擋車列的作用目的；且形成的向上的側向分力F2=F×sinβ較大，該向上的側向分力F2引起擋車器上拔軌道，可能造成擋車器拉裂、軌道拔起的破壞性損毀。

圖5 凸型縱斷面受力示意圖

安全線縱斷面如采用凹型，如圖6所示，原理與凸型相似，同樣造成阻擋作用減弱難以實現阻擋車列的作用目的；分力F2受力方向向下，可能造成擋車器擠壞、軌道凹陷的損毀性后果。

圖6 凹型縱斷面受力示意圖

因此，安全線縱斷面設計為應采用一個整坡，避免設置變坡點，或者至少在靠近車擋的后半部分必須為整坡，也即安全線車檔前至少應有50 m整坡段(安全線可不考慮豎曲線)。

5 對設計規范的修改建議

根據上述研究分析，按設計規范要求安裝了擋車器等緩沖設備后，為保障運輸安全，更好地發揮這些設備的作用、有利于設備的多次反復使用，對安全線的平縱斷面在相關規范[7-8]中存在的不足應進行適當的修改調整，建議修改為如下內容：

安全線尾部平面應采用直線型，困難情況下也應保證車擋前50 m為直線。安全線尾部縱斷面應采用一個整坡，至少車擋前50 m應為一個坡度。