（交通运输规划与管理专业论文）新型铁路柔性轨道可行性分析.pdf

中文摘要 摘要 作为一种特色交通运输方式，铁路轮渡为特色区域环境下增加运力、降低运 输成本提供了一种全新的思路，但其装卸效率低下和对环境的适应性差一直是其发 展的瓶颈，而铁路轮渡的装卸是通过铺设有铁路的栈桥实现的，因而对栈桥设计 方案做出改进，无疑对提高轮渡装卸效率意义重大。 通过阅读大量文献，本文首先回顾铁路轮渡的发展历程，总结出现阶段轮渡 建造的最新技术以及实际运营中存在的问题，进而从管理和技术的角度对轮渡系 统改进以及未来发展方向提出若干建议。 结合原有栈桥技术特点，对新型栈桥方案柔性轨道进行受力和变形量的 分析，应用力学原理研究柔性轨道在力和力矩作用下的弯曲变形规律，推导出柔 性轨道弯曲变形量与受力大小或力矩大小的函数关系式以及柔性轨道段在进行船 岸对接时的整体弯曲几何关系和轨道间隙变化量的计算公式，利用有限元分析软 件a n s y s 的a p d l 语言，用命令流的方式进行对柔性轨道整体建模、仿真计算和 查看结果。分析结果表明，柔性轨道弯曲所需要的力或力矩并非很大，在实际中容 易实现，且其形变程度在工程安全范围内，可采用这种方法进一步参数化分析轨 道承载力的影响因素。 关键词：铁路轮渡；栈桥；柔性轨道；有限元理论 英文摘要 a b s t r a c t a sac h a r a c t e r i s t i cw a yo ft r a n s p o r t a t i o n , t r a i nf e r r yp r o v i d e san e wt r a i no f t h o u g h ti ni n c r e a s i n gc a p a c i t ya n dl o w e r i n gt r a n s p o r t a t i o nc o s t sf o rc h a r a c t e r i s t i c s r e g i o n a le n v i r o n m e n t , b u ti t s i n e f f i c i e n th a n d l i n ga n dp o o ra d a p t a b i l i t yt ot h e e n v i r o n m e n th a v ea l w a y sb e e nc o n s t r a i n i n gi t sd e v e l o p m e n t ，a n dl o a d i n ga n d u n l o a d i n g o fr a i l w a yf e r r ya c h i e v et h r o u g ht h et r e s t l ew h i c hh a st h el a y i n go f r a i l ，t h u si m p r o v i n g t h et r e s t l ed e s i g nh a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h ef e r r yl o a d i n g a n du n l o a d i n g t h r o u g hal o to fd o c u m e n t sr e a d i n g ，t h ea r t i c l ef i r s tr e v i e w st h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so ft h er a i l w a yf e r r y , a n ds u m m a r i z e su pt h el a t e s tc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h e f e r r ya s w e l la sa c t u a l o p e r a t i o n a lp r o b l e m s ，a n dt h e n m a k e san u m b e ro f r e c o m m e n d a t i o n sa b o u ti m p r o v i n gt h ef e r r ys y s t e ma sw e l la st h ed i r e c t i o no ff u t u r e d e v e l o p m e n tf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm a n a g e m e n ta n dt e c h n o l o g y c o m b i n e dw i mt h et e c h n i c a lf e a t u r e so ft h eo r i g i n a lt h er a i l w a yf e r r y , t h et h e s i s m a k e sa n a l y s i so ft h en e wt r e s t l ep r o g r a mi nf o r c i n ga n dd e f o r m i n g ，a n ds t u d i e dt h e b e n d i n gd e f l e c t i o nw i t hf o r c ea n d o rb e n d i n gm o m e n t se x e r t e du p o nr a i l sb a s e do nt h e t h e o r yo fe n g i n e e r i n gm e c h a n i c s t h ef o r m u l a t i o nf o rd e t e r m i n i n gt h e b e n d i n g d e f l e c t i o no fa n dc o r r e s p o n d i n gf o r c ea n d o rb e n d i n gm o m e n t so nt h ef l e x i b l er a i l w a y w a sp r e s e n t e da n dw ep r e s e n tt h eg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i po fa n dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a s o fe x p a n s i o no rc o n t r a c t i o no ft h es p a c eb e t w e e nt w oa d j o i n i n gr a i l si nt h ef l e x i b l e r a i l w a yb e i n gb e n d e dt ol i n kt w or a i l w a y st h a ta r en o ti nas t r a i g h tl i n e w i t ha p d l l a n g u a g eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，w ed e a lt h ec u r v e df l e x i b l e r a i l w a yw i t hm o d e l i n g ，s i m u l a t i n ga n dv i e w i n gr e s u l t s t h er e s u l t so f t h i sr e s e a r c hs h o w t h a tt h ef o r c ea n d o rb e n d i n gm o m e n t sn e e d e dt op r o d u c et h en e c e s s a r yd e f l e c t i o no f t h er a i l w a yw e r ea l s oq u a n t i t a t i v e l yc a l c u l a t e dt or e v e a lt h e i ro r d e ro f m a g n i t u d ei nr e a l w o r l da n dd e f o r m a t i o nd e g r e eo f s e c u r i t yi su n d e rt h ec o n t r o lo ft h ef r a m e w o r ko ft h e 英文摘要 p r o j e c t ，t h i sm e t h o dc a n b eu s e di nt h ef u r t h e ra n a l y s i so fo r b i t a lp a r a m e t e r so fb e a r i n g c a p a c i t yf a c t o r s k e yw o r d s ：t r a i nf e r r y ：t r e s t l e ；f l e x i b l er a i l w a y ；f e a 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 堑型迭整耋丝熟道互征丝筮逝：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表 的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：莉、乌旨 学位论文版权使用授权书 日期：砌9 年7 月日 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意学校有权将本学位论文加入全国优秀博 硕士学位论文共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守此规定。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密砂( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：嗣崭宁导师签 日期：2 0 。1 9 r 年7 月乡日 新型铁路柔性轨道可行性分析 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 地球的表面积由7 0 的水和3 0 的陆地组成，水路与铁路是长距离、大批 量运输的两种最主要的现代化运输方式。铁路轮渡，顾名思义就是利用渡轮将火 车及机动车辆运过江河湖海，而这种渡轮是设有机动车特种处所和火车车辆装载 处所的特殊船舶。即陆上铁路运输遇有天然水域屏障不能直达，转去利用水上或 海上轮渡，从而不必对货物和旅客组织换装换乘，便可直接载运铁路车辆从此岸 驶抵彼岸，把两端铁路线有机地连接成为一体的运输方式。 铁路轮渡运输是陆地铁路运输与水上船舶运输相结合的产物，是近代一种创 新性的运输方式。综观铁路轮渡的发展【1 】，一是由于铁路为水域所阻，采用轮渡 作为铁路的一种衔接方式，二是铁路轮渡往往在铁路需要在陆上绕道而行的两 个车站间建设，起缩短运距，补充路网，提高运能的作用，三是国际间运输取水 路捷径，以避免过境他国造成的不便与延误，求得经济合理，四是由于政治上的 原因，两国间利用轮渡避开他国而直接联系。 铁路渡轮的装卸是通过铺设有铁路的栈桥实现的。轮渡栈桥是连接陆地铁路 与铁路渡船，并可适应渡船浮动的特殊桥梁，是火车上下渡船的通道，是轮渡工 程的核心和安全的关键。目前在铁路轮渡上【2 】，一般将主甲板作为载车甲板，甲 板上根据船宽大小排列数条铁道线，用于船桥对接的引桥位置是固定的，船舶只 能根据其位置进行停泊，受天气和船型的影响较大。为了能够多装载车辆，要求 渡轮有较大的甲板面积，即要求船舶有较大的长度和宽度。扩大甲板面积就增加 了船舶尺度，增加了船舶造价，与此同时使引桥的横截面积加宽，增加了技术难 度和建造成本；而且只设一层装载甲板的火车渡轮，其载重量利用率很低，这就 使火车轮渡的使用效率降低，在一定程度上抵消了火车轮渡系统在投资经济性方 面的优点。 目前，国外跨海铁路轮渡主要集中在德国、丹麦、瑞典、芬兰等欧洲国家【3 】， 栈桥设计理念和经验已十分成熟，栈桥提升设备采用液压升降油缸，电气控制系统 绪论 为自动化控制。由于上述地区潮差小，栈桥长度较短，因而可以采用单孔桥建造，单 孔桥跨度在6 0m 左右，但其后果却是栈桥施加在渡船支座上的荷载已经达到了 渡船无法再承受的程度，因此，在这些栈桥上必须设置配重来降低压船荷载。与陆 地相连接的陆区桥可以选用较大的跨度，而与渡船相连接的船区桥则应尽可能短， 以便把渡船支座上的荷载减到最小。然而，在欧洲和中国的栈桥设施之间存在着 很大的区别。中国的潮差大，单孔桥已无法满足所需的栈桥长度，必须采用两孔以 上的桥梁，才能适应渡船装载作业过程中的潮差变化。 烟大铁路栈桥轨道设计，引进当今世界栈桥最先进技术德国p a h l 公司 专利“一对五 滑动道【4 】。实现了一股道上桥与船上五股道连接，使船桥轨道 平面布置紧凑，船桥分界合理，既满足渡船轨道长度要求，又减小了渡船艉门宽度， 有利于渡船艉门设计。同时减小了道岔咽喉区的宽度和长度，使栈桥平面布置成 梯形，减轻了栈桥自重，节省了栈桥工程。但是目前应用此技术的船桥对接依然是 以轨道固定的引桥为前提的，这就对码头和天气的要求较高，对靠泊船舶的兼容 性较差，同时渡轮的类型也有一定的要求。 在此背景下，为加强铁路轮渡的灵活性，将装卸过程中天气与海浪的影响因 素降到最小，同时提高对船型的兼容性，提高装卸效率，降低轮渡系统建造成本， 改进现有的渡轮引桥建造方案无疑意义重大。 1 2 国内外研究现状 作为一种创新性的海陆联运方式，铁路轮渡已经有1 5 0 多年的发展历史，其 作为一种特色交通运输方式，为特色区域环境下增加运力、降低运输成本提供了 全新的思路，在国内外正在快速发展。 铁路轮渡融合了陆上铁路运输与海上船舶运输等多方面的技术交叉，是多学 科交叉的系统工程。烟大轮渡的建造集目前世界轮渡建造的最新技术于一身，其 自2 0 0 4 年全面开工，2 0 0 7 年投入试营运时，关键技术已基本定型：两桥一坡技术， 一对五滑动道岔技术，液压蓄能器技术，机械连接支承技术( 支座或连接) ，全 焊下承式梯形平面正交异性板钢梁技术，液压电气控制技术等。 目前世界上铁路建造技术已较成熟，重载铁路、高速铁路等均已投入使用【5 】， 但由于船桥对接的特殊性，此类技术无法应用到栈桥建造上。国内有关栈桥建造 2 新型铁路柔性轨道可行性分析 工艺的研究文献相对较多，比较有代表性的有铁道第三勘察设计院桥梁处的李凤 芹，中铁渤海铁路轮渡有限责任公司的易滨华以及烟大铁路轮渡系统主要设计师 王俊峰等，但其均以引桥固定为研究前提，即船桥对接的路轨固定在同一位置。 大连海事大学谢新连教授早在上世纪末率先提出一种应用柔性轨道来建造 引桥路轨的设计方案：一种以短轨构成，并在短轨之间预留一定伸缩间隙的新型 柔性连接轨道【2 】。轨道的一端固定在陆地，另一端为活动端，通过转换装置可以 灵活与渡轮甲板上铁轨连接在一起，从而加强了火车轮渡的灵活性。 1 3 研究思路及方法 全文共六章，分为四大部分： 第一部分包括前两个章节，这一部分分析了本文研究的背景，通过阅读国内 外大量参考文献，了解了铁路轮渡的基础知识，是整篇文章的理论基础。具体内 容包括：回顾铁路轮渡的发展历程，对其系统构成和技术特点作简要概括；介绍 了铁路轮渡装卸作业流程和相关管理机制，对现阶段轮渡建造的最新技术做出总 结，对铁路轮渡未来发展方向做出预测。 第二部分为第三章，是对柔性轨道做理论分析。首先归纳总结了栈桥的主要 技术特点，在此基础上提出柔性轨道的概念，对其作业方式作简要说明；接着应 用力学原理研究柔性轨道在力和力矩作用下的弯曲变形规律，推导出柔性轨道弯 曲变形量与受力大小或力矩大小的函数关系式以及柔性轨道段在进行船岸对接 时的整体弯曲几何关系和轨道间隙变化量的计算公式，为下文进行软件仿真提供 理论依据。 第三部分为四五两章，是关于柔性轨道模型的建立与仿真。应用有限元分析 软件有4 种创建模型的方法：实体建模法、直接建模法、输入在c a d 系统中创建 的实体模型、输入在c a d 系统中创建的有限元模型。通过分析比较，本文的实 体几何模型利用a p d l 语言采用直接建模的方法，由于轨道具有对称性，所以可 采用整体模型由单个组成单元复制而成的方法直接生成有限元模型。对所建模型 进行单元类型定义和约束载荷处理后，对其进行求解和结果分析。 第四部分总结全文的研究成果和结论，并提出研究不足和今后的发展方向。 3 铁路轮渡发展概况 第2 章铁路轮渡发展概况 2 - 1 铁路轮渡概述 铁路轮渡系统又称火车轮渡系统【6 】，简要来说，就是将整列火车在陆地铁路 端点进行分组拆解，通过火车机车分组牵引运上渡船，进行绑扎固定，然后通过 渡船将火车摆渡过一定距离的水域( 江河、湖泊、海域等) ，抵达铁路另一端点， 再使用火车机车牵引下船，经过连接，重新成为整列火车运行于陆地路网。 2 1 1 铁路轮渡产生背景 长期以来，作为主导运输方式的铁路运输和海上运输承担着大部分的物资运 输任务，二者发挥作用的领域不同，各有特点，相互之间没有交集f 7 1 。 海上运输主要有以下优点： ( 1 ) 航路是天然存在的，开辟航路不需花费大量资金，日常维修的费用也 比较节省，同时海上航线是水平的，没有高山与洼地，因此，船舶的行驶不必消 耗额外的燃料； ( 2 ) 海上航线的通过能力一般不受限制，在主航线上可以有多条航线通行 ( 3 ) 海洋是一个连续的水体，中间不必经过转运，船舶可以直接到达大陆 沿海及岛屿； ( 4 ) 运送的货物品种不受限制，各种形态以及形状的物品都可靠海上运输； ( 5 ) 船舶容积大，一船载重几万吨、十几万吨，很适宜量大、体重的笨重 货物远距离运输。 ( 6 ) 运费低，按照规模经济的原理，由于运量大，航程远，与其它运输方 式相比，分摊到每货运吨的货运成本最低。 但海上运输也有其不足之处：一是速度慢，海洋运输速度仅快于内河航运， 远慢于航空、公路、管道和铁路运输；二是受天气条件影响较大，抵御风险能力 较差，遇到恶劣天气，需及时改变航向或推迟航期，否则船只有遇难之危险；三 是海运过程中货物装卸等会耗费相当长的时间，使得运输效率降低，因此如何提 高运输效率成为备受关注的问题。 4 新型铁路柔性轨道可行性分析 铁路运输作为另一种主要运输方式有许多优点：一般不受气候条件的影响， 可保障全年的正常运输；运量较大，速度较快，有较高的连续性，转运过程中的 可能风险较小；办理铁路货运手续比海洋运输简单。但是铁路运输也有其缺点： 受轨道和道路的限制，受地域的限制，距离较远的地方运送的时间较长等。 在十九世纪的英国，铁路系统的发展已经日臻完善，并且随着铁路系统的发 展，人们开始从一种全新的角度审视不同的运输方式。运输已经从最初的解决自 然资源地区分布不均衡、生产力与消费群体的分离以及地区间商品品种、质量、 性能、价格差异的问题转换为如何更有效、更便捷地完成实体转移。 长期以来，对于一些由于受地理条件限制，如陆地距离比较远而海上距离很 近的地方，急需一种提高运输效率、缩短运输时间的运输方式。综合以上两种运 输方式优点的铁路轮渡系统就是在这种需求下产生发展起来的。与海上运输和铁 路运输相比，。铁路轮渡系统主要有以下的优点： ( 1 ) 充分利用天然水系，克服修建陆上铁路在地理上所无法克服的各种困难， 集中水( 海) 运、铁路、集装化和不间断运输等优点，发挥综合优势，促进合理 化运输。 ( 2 ) 铁路轮渡运输航线，一般均选取跨越江河湖海的最短径路，运输距离大 大缩短，使货物和旅客的送达时间加快，运输效率提高。 ( 3 ) 载运的铁路车辆在渡轮上直接驶上卸下，货物不需进行换装，既减少了 所运货物在运输途中因装卸可能造成的不必要损失，又节省了装卸作业费用和船 舶装备的运营支出。 ( 4 ) 车船直接衔接，作业简便，渡轮在港换装时间短、周转快，同时也不需 要增加港口堆场、仓库设备的建设和货物仓储保管费用。 ( 5 ) 铁路轮渡设施的建设，相对于铁路水( 海) 底隧道或大桥建设周期短、 投资省，在投入运营后能够在较短时间内还本，见效快。 ( 6 ) 国际联运铁路轮渡，按照各国之间协商一致的运输组织办法实现直达联 运，可以减少经过陆路运输的过境边防、海关检查手续，在跨越几个国家运输时 尤为便利。 铁路轮渡发展概况 2 1 2 铁路轮渡系统组成部分 铁路轮渡系统是一项综合现代运输方式的工程，涉及铁路、港口、船舶、航 运等多行业，是集土木建筑、工程结构、岩石、海洋气象水文地质、工程经济、 运输规划与组织、机械、电力、通信信号、安全监控以及环境保护等多种专业技 术为一体的系统工程，而且这些行业以及专业技术均需要以铁路运输为核心与纽 带予以统一起来，组成有机整体。 作为一种特色运输方式，铁路轮渡系统融合了铁路、栈桥、渡船及港口等多 方面的技术，是专业性极强的系统工程【6 】，一般主要由铁路子系统、栈桥子系统、 港口子系统和渡船子系统4 个核心子系统组成，如图2 1 ，并且通过4 个子系统 和后方配套设施之间很强的对应关系，充分发挥系统内部各个部分的能力，促进 整体能力的发挥利用。 图2 - 1 铁路轮渡系统架构图 f i g 2 1s y s t e ma r c h i t e c t u r ed i a g r a mo ft r a i nf e r r y 1 ) 铁路子系统 铁路子系统是以列车上下船舶作业为主的专为铁路轮渡服务的铁路设施，一 般有铁路引线工程、轮渡站、机车车辆、轨道结构以及通信信号、电力工程几大 部分组成。轮渡站类型主要有横列式站型( 图2 2 ) 、纵列式站型( 图2 3 ) 和混 合式站型( 图2 _ 4 ) 等。 6 新型铁路柔性轨道可行性分析 捌发麓 图2 - 2 横列式轮渡站平面布置示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cl a y o u to fb a r - t y p ef e r r yt e r m i n a l 黼 t 黼 下 图2 3 纵列式轮渡站平面布置示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cl a y o u to f t a n d e m - t y p ef e r r yt e r m i n a l 图2 4 混合式轮渡站平面布置示意图 f 追2 - 4s c h e m a t i cl a y o u to f h y b r i d - t y p ef e r r yt e r m i n a l 2 ) 栈桥子系统 铁路栈桥是陆地铁路与渡船、固定设备( 岸上) 与相对移动设备( 渡船) 的 7 铁路轮渡发展概况 惟一接口，是整个轮渡系统的核心工程，也是影响装卸效率的关键所在。铁路栈 桥必须适应渡船浮动，这是它与普通栈桥的最大区别，即在作业状态下，铁路栈 桥要适应潮汐、渡船横倾、纵倾、斜倾和干舷等变化，需要铁路栈桥与渡船随动， 确保栈桥轨道高度随着水位的涨落及装卸时渡船重量的变化而实时地动态调整， 从而使陆地上及渡船上的轨道平面及纵断面通过栈桥始终相连i 保证列车上下船 作业安全；在非作业状态下，栈桥必须提升到指定位置，以便渡船靠离码头或栈 桥维修保养。所以无论从应用、技术还是管理角度都对铁路栈桥提出了较高的要 求。栈桥子系统一般由桥墩、桥台、跳板梁、升降控制系统和栈桥信号控制系统 组成。 3 ) 港口子系统 从范围上讲，港口主要包括水域和陆域两部分，承担了渡船靠泊、与栈桥衔 接进行货物装卸的重要功能。港口水域是指与渡船进出港、停靠及港口作业相关 的水上区域，其主要设施一般包括航道、港池、锚地、防护建筑物及导助航设施 等。港口陆域是指从事与港口功能相关服务的陆上区域，其主要设施包括码头、 库场、铁路、公路、港区道路、装卸和运输机械等生产设施以及为满足物流服务 的相关设施等。 4 ) 渡船子系统 铁路渡船是铁路车辆、货物及旅客的运载工具，铁路轮渡系统的又一关键部 分。铁路渡船是一种高技术、多功能、高附加值的渡船，集客船和列车、汽车滚 装船的要求于一体【8 】。渡船船型要根据国际上列车渡船船型的现状和发展趋势进 行研究和选择。渡船不仅是铁路轮渡航行中的重要载体，同时还是装卸作业中的 关键部件，联系港口、栈桥等子系统的纽带。渡船子系统涉及船型、推进系统、 安全性装备、渡船与港桥的接口和渡船结构等方面的内容，各部分在设计、建设 和应用的过程中都会相互影响和关联，以形成统一和谐的渡船子系统。 铁路轮渡系统的物理网络架构是指铁路轮渡系统的物理设备之间的连接方 法及其相互关系，如铁路子系统中的待渡场和栈桥之间，栈桥子系统和港口子系 统等，其具体架构图如图2 5 所示： 8 新型铁路柔性轨道可行性分析 图2 5 铁路轮渡系统的物理网络架构图 f i s 2 - 5p h y s i c a ln e t w o r ks l n l c t u r eo fr a i l w a yf e r r ys y s t e m 2 1 3 铁路轮渡作业流程 铁路轮渡系统是由四大子系统组成的，其主要的作业分别发生在四大子系统 内部与四大子系统之间的衔接操作，分别为靠泊前的准备作业、分界站接发列车、 站内到发调车作业、站内分组作业、船桥港联合作业等。 铁路轮渡系统的运行流程嗍1 0 】：首先在一个港口进行列车装卸作业，作业完 成以后，栈桥升起，渡船离港，航行结束以后，到达另一个港口，渡船进港，栈 桥落下，然后另一端的列车作业。 铁路轮渡各子系统的逻辑结构图如图2 - 6 所示： 9 铁路轮渡发展概况 豳霄遂接 3 交夏连攘 图2 6 铁路轮渡子系统的逻辑结构图 编解作业、靠泊作业装卸作业离港作业 f i g 2 6p h y s i c a ln e t w o r ks t r u c t u r eo fr a i l w a yf e r r ys y s t e m 铁路轮渡系统的整个运作过程主要分为四步【6 】，分别描述如下： 上船的列车由技术作业站运行至到发场，然后按照渡船上每股道的容车数量 分组，并送到待渡场待渡，同时渡船进港。进港前，相关作业人员通过渡船子系 统与港口子系统的信息共享机制，完成相关信息的采集和分析，为渡船靠岸做好 准备工作。此时，在渡船子系统内部，开始安排解除车辆绑扎措施，绑扎工具定 置存放等工作事项，并提前打开列车舱艉门。待渡船完成带缆作业，将开始渡船 子系统与栈桥子系统的对接作业。 渡船靠岸后，与栈桥进行机械连接。当滑动道岔转换到位并锁闭后通过栈桥 信号控制系统发送连接成功信息，此时渡船上进行解绑扎作业，具备装卸作业条 件后，渡船开出允许上船信号。 1 0 新型铁路柔性轨道可行性分析 待渡场信号楼收到栈桥发出的允许上船信号后，开放信号机。上栈桥信号机 开放后，单机上栈桥进渡船，然后牵引列车下渡轮，待渡场开放防护信号后回到 待渡场。第二次作业时，栈桥上的进路保持不变，机车沿同一条路推送一列车上 栈桥，在渡轮上摘挂后，单机退出渡船。此时栈桥值班员重新动作道岔，开放新 进路后，单机重上渡轮牵引另一列车下船，待开放放行信号后回待渡场。最后一 次作业时，栈桥上的进路保持不变，机车推送一列车上栈桥，在渡轮上摘挂后， 单机退出渡轮。待渡场开放防护信号后，单机返回待渡场。 上下船作业完毕后，将待渡场的车组转送至到发场集结串编，再由到发场发 送至邻近的技术作业站。同时，待列车完成渡船内的编组，并绑扎固定完毕后， 渡船子系统向栈桥子系统发送脱离信号，栈桥升起、列车舱艉门关闭，栈桥、船 的脱离工作完成，渡船驶出港口。 2 1 4 轮渡系统技术要求 铁路轮渡系统应满足以下基本技术要求【6 】： ( 1 ) 船、桥、港合理的平纵面布置。渡船子系统、栈桥子系统和港口子系 统三者之间的合理布置是铁路轮渡系统中的总接口问题，主要包括船桥连接处轨 道平纵面布置、港桥的平纵面布置问题等。 ( 2 ) 合理的护舷及布缆方式。铁路轮渡渡船的作业面同时出现在渡船的艉 部和侧部，由于其接口关系为渡船艉部与铁路栈桥连接、渡船侧面分别于汽车活 动栈桥和旅客栈桥连接，接口位置紧密，安全性要求高，因而在作业时必须同时 避免渡船在外界因素影响下沿船纵向或横向飘离码头。 ( 3 ) 合理干舷变化控制。1 9 6 6 年国际载重线公约中对干舷的变化控制 范围做了详细的规定。在铁路轮渡系统实施的过程中，对渡船的设计要充分考虑 船舶干舷的变化范围并能很好的控制。 ( 4 ) 船舶的纵横倾角控制。船舶的合理纵横倾角控制可有效减小船桥搭接 处的干舷变化范围，缩短栈桥长度，对节省系统工程造价起关键作用。渡船的列 车重量大、横向重量分布远，所以为了缩短上下渡船时间，横倾角度应该严格控 制。 ( 5 ) 确定靠泊方式以及靠泊速度。为了满足铁路的运输能力和安全正点的 铁路轮渡发展概况 要求，铁路渡船要快速便捷地靠、离码头，靠船速度比普通码头的靠船速度要高。 对解决靠泊速度及撞击能量问题的研究，主要包括渡船靠泊速度论证，各种靠泊 速度下的撞击能量研究，码头前沿底床防冲刷研究三方面。 铁路轮渡系统具体实施的关键技术包括铁路主要技术条件以及作业方式研 究、轮渡渡船关键技术研究、港口工程关键技术研究、铁路栈桥关键技术研究等。 ( 1 ) 铁路主要技术条件以及作业方式研究：铁路引线工程、铁路轮渡站与 轮渡码头的总体布置原则、轮渡站布置图形作业方式、各系统铁路线路平面布置 结构及信号及电力工程等方面的内容。 ( 2 ) 轮渡渡船关键技术研究：轮渡运营作业条件研究、铁路轮渡船型研究 与主尺度优化、铁路轮渡安全性研究、铁路轮渡结构设计优化研究、铁路轮渡货 舱通风以及消防研究等内容。 ( 3 ) 港口工程关键技术研究：渡船港内停泊允许运动量、单双体船型性能 分析比较、火车渡船主尺度研究及优化、船舶纵横倾斜以及摇摆特性、甲板结构 设计计算技术等。 ( 4 ) 铁路栈桥关键技术研究：铁路栈桥主要技术标准以及设计载荷研究、 栈桥结构形式以及支座形式研究、铰接板设计研究、铰接板焊接性能以及制造工 艺研究、铁路栈桥升降控制系统研究以及铁路栈桥动静载荷实验等方面的研究内 容等。 2 1 5 铁路轮渡系统管理机制 针对轮渡的特点，考虑到铁路列车及货车的上船过海对运输组织是一个新的 课题，因此要管理好轮渡运输，必须将铁路的管理机制与海上运输的管理理念有 机地结合起来【l ，关键要把握好5 个方面的要素 ( 1 ) 建立一套港航安全管理体系 公司应建立、实施并保持包括以下功能要求的安全管理体系：确立公司的安 全与环境保护方针：明确公司、指定人员和船长等机构、人员的责任与权利( 尤 其要声明赋予船长在处理安全和防止污染事务中的绝对权力) ：保证资源和人员 的供应：制定船岸操作方案，做好应急准备：对不符合规定的情况、事故和险情及 时报告和分析处理：加强船舶和设备的维护。 1 2 新型铁路柔性轨道可行性分析 铁路轮渡系统安全监控体系架构图如下 图2 7 铁路轮渡系统安全监控体系架构图 f i g 2 - 7s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r ed i a g r a mo fr a i l w a yf e r r y ( 2 ) 坚持设备国产化，确保设备正常和高效运转 由于铁路轮渡在国内发展较晚，涉及铁路轮渡的船、桥、港的核心设备设施 多为国外进口产品，这些产品虽然技术性能先进，但存在成本高、配件到位周期 长、设备拆卸限制多等弊端，为保证配件的及时更换，进口设备配件的国产化问 题亟待解决。因此，除了在设计和更新改造中尽量使用先进的国产技术外，对已 使用的国外设备，应进行系统地分类、研究和改造，通过具有权威的国内设计检 验机构的验证，逐步过渡在国内生产制造，确保此类设备在损耗后能及时、经济、 可靠地更换。 ( 3 ) 完善各类应急预案。 为确保各种紧急情况下铁路轮渡的有序可控，铁路公司应对船舶碰撞、搁浅、 火灾、迸水、车辆移位、人员落水搜救、油污染、恶劣天气、人员受伤、暴力、 机舱事故、主机失灵、舵机失灵、电源故障、弃船等紧急情况进行了标识，并分 1 3 铁路轮渡发展概况 别制定出具体的应急措施和预案。 ( 4 ) 协调处理好各方面关系，建立良好的外部环境 海上轮渡运输是铁路运输中的新生事物，在工作业务上，对外涉及到海事局 ( 处) 、船级社、交通厅( 局) 、海峡办、气象局、公安局( 所) 、防疫部门、 动植物检疫部门等多家单位，这些单位分别主管签证、培训、审核、船检、安检、 运价、防疫等业务，轮渡方面必须及时按要求做好各方面的准备，认真落实相关 规定，否则，随时都可能影响正常开航。 ( 5 ) 整合船港综合效力，确保效益最大化 铁路轮渡具有专用船舶、专用航道、专用码头的独特资源优势，要实现轮渡 效益最大化，就必须整合船港的综合效力。由于铁路渡轮能同时运载火车、汽车 和散客，因此，必须根据车源、客源的市场变化和船舶抗风能力等级，合理地安 排开点和班次，并做到合理调度、优化配载，最大限度地利用船舶运力【1 2 】。 2 1 6 现阶段轮渡建造的最新技术 目前我们国家在轮渡技术方面已处于世界先进水平，烟大轮渡更是集世界上 最先进的轮渡建造技术为一身，以它为例简要分析相对以往轮渡建设在技术方面 的创新【l 习： ( 1 ) 采用“两桥一坡”自动调节技术，摒弃传统设计中采用跳板梁的概念【1 3 1 。 通过液压电器控制系统，使两桥桥面在作业过程中，始终保持直线状态，如桥与 船连接、随动，共同承担因潮位、波浪、载荷引起渡船纵横倾的变化，与传统的 多跨栈桥、多坡度的状态相比，省去了调桥程序，在作业中不会因为坡度不能满 足要求而调桥，提高了作业效率和安全保障。 ( 2 ) 引进当今世界栈桥最先进技术“一对五 滑动道岔( 渡船为五股道， 而港口引线为一股道) 。使船桥轨道平面布置达到最优化。 1 4 新型铁路柔性轨道可行性分析 图2 8 栈桥轨道平面布置( 单位：n - f i l l ) f i g 2 8l a y o u to f t r e s t l eb r i d g e ( 3 ) 采用液压蓄能器技术代替传统的平衡重装置减少栈桥压船力。大大简化 了栈桥提升架布置，使得结构设计更加简洁合理。 ( 4 ) 采用机械联接支承技术。为实现栈桥升降转动功能和与渡船随动功能， 在陆区桥与桥台、陆区桥与船区桥、船区桥与渡船、栈桥与升降油缸、滑动道岔 与钢梁之间，共设置了1 5 种、5 3 个机械联接支承( 支座或连接) ，其中有3 6 个 免维护球面关节轴承、5 个半球形动装置，承受来自全部荷载引起的各种内力， 并通过液压控制系统实现与船随动，自动作业，且横倾角5 。，结构不破坏。 ( 5 ) 栈桥采用全焊下承式、梯形平面、正交异型板钢梁技术【1 4 1 。为与“一对 五 滑动道岔相匹配，减少栈桥面积，本桥首次采用梯形平面、纵横梁体系、正 交异性桥面板、全焊接下承式钢板梁结构，具有刚度大、整体性好、重量轻的优 点。 ( 6 ) 液压电气控制技术。采用c p u 热备冗余、冗余光纤电缆连接、自动切 换的可编程控制原理的设计理念，假如两个c p u 中的一个发生故障，另一个自 动接管这个控制系统 ( 7 ) 厚板焊接和热处理工艺。连接陆区桥与船区桥的叉形构件和芯板、陆区 桥接陆端支座孔板、船区桥液压油缸吊耳等连接部件，大多为厚钢板焊接( 5 0 1 2 0 r a m ) 而成，特别是叉形构件和芯板处的整体熔透对接焊缝和角接焊缝，施焊 1 5 铁路轮渡发展概况 空间狭小，焊缝密集，结构刚性大，如何控制焊接变形，消除残余应力，是本桥制 造中一大难点”】。本桥首次采用板厚板焊接技术和整体热处理工艺，成功地解决 了这个难题。 ( 8 ) 栈桥整体拼装精度控制工艺。本栈桥体积大，机加工件多，整体拼装和 架设安装精度要求高，制造安装难度很大。经过反复分析研究，确定了“梁体控外， 支座控轴”的拼装方案。即先主梁正确定位，控制好整体尺寸，然后安装横梁、 纵梁、桥面板的工艺顺序。铰接板镗孔和支座安装，关键是控制支座和连接板镗 孔的精度，采用工地二次加工、精确测量、模具定位、适度进钻、控制进刀量、 最后研磨等措施，确保镗孔精度，从而保证整体拼装质量。 2 2 国内外主要铁路轮渡运行现状 2 2 1 世界铁路轮渡总体分布情况 自1 8 5 0 年英国在苏格兰的福思湾开通世界上第一条铁路轮渡线以梨1 6 】，在 一个半世纪以来，铁路轮渡得到世界上许多国家重视和发展。据不完全统计，目 前世界各国通航运营的铁路轮渡有七八十条，欧洲约占4 5 、北美及亚洲约占 3 0 、南太平洋地区约占2 5 ，航线总长约1 4 万多公里，其中，跨海轮渡航线 5 0 多条，其余为沿江或跨江、河、湖泊的航线【 】。世界各国的铁路轮渡线主要 集中在欧洲波罗的海、北海、黑海、里海及地中海地区，北美的太平洋、大西洋 沿岸及大湖区。 ( 1 ) 欧洲由于自然地理条件及经济发展状况，欧洲是使用铁路轮渡最早、航 线数量最多、发展最快的地区。北欧斯堪的纳维亚半岛地区与欧洲大陆之间被波 罗的海和北海阻隔，这一水域是世界上铁路轮渡运输最发达的地区之一。 ( 2 ) 北美洲北美洲中、北部的大湖区，是世界上利用内陆湖泊水域组织铁路 轮渡运输最活跃的地区【1 8 1 。1 9 6 4 年通航，位于太平洋海域的从美国西海岸华盛 顿州的西雅图到阿拉斯加州的惠蒂尔的铁路轮渡，全程2 5 9 2 公里，是世界上最 长的轮渡运输线。 ( 3 ) 南美洲南美洲的几条铁路轮渡线都集中在阿根廷境内，沿巴拉那河航行。 其中，最主要的航线是从首都布宜诺斯艾利斯到伊维奎，长2 3 0 公里。 1 6 新型铁路柔性轨道可行性分析 ( 4 ) 亚洲亚洲地区铁路轮渡运输发展起步较晚。日本、印度尼西亚等岛国轮 渡线数量较多，相对比较发达，其他国家和地区，如印度、缅甸、孟加拉国等， 都有数量不多的内湖、沿江、跨海的铁路轮渡线。 ( 5 ) 大洋洲大洋洲地区主要的铁路轮渡线有两条：一条是澳大利亚的墨尔本 跨越巴斯海峡、与南端塔斯马尼亚岛上的斯坦利连接的铁路轮渡线，长约6 0 0 公 里；另一条是新西兰跨越库克海峡的惠灵顿一皮克顿的铁路轮渡线，全程9 4 公里， 把新西兰南北两岛连成一体。 ( 6 ) 非洲非洲大陆的所有铁路轮渡，都集中在东非地区乌干达、坦桑尼亚、 肯尼亚的维多利亚湖上。 2 2 2 中国铁路轮渡发展现状 我国具有较多的河流，较长的海岸线，较大的海峡，为了解决铁路跨江、过 海问题，铁路轮渡在中国应运而生。自1 9 3 3 年中国建成了连接津浦和沪宁铁路 的第一条铁路轮渡一南京铁路轮渡以来【湖，中国铁路轮渡已有着7 0 多年的历 史。目前，有江阴铁路轮渡、粤海铁路轮渡和烟大铁路轮渡三条铁路轮渡线在运 营。我国也是世界上少数同时拥有内河和跨海铁路轮渡的国家之一。 ( 1 ) 江阴铁路轮渡 江阴铁路轮渡线全长6 公里，从北岸的靖江跨越长江至南岸的江阴。为适应 长江水位变化，江阴轮渡在南北岸各建有五孔活动栈桥，水位变化时，可以通过 升降系统调节栈桥的高度与倾斜度，保证与渡轮平整对接。配备两条渡轮，船长 1 3 4 6 米、宽1 7 6 米，设置3 股轨道，可一次渡运2 7 节货车箱。 ( 2 ) 粤海铁路轮渡 2 0 0 3 年1 月7 日，中国第一条跨海铁路轮渡粤海铁路轮渡正式通航。 粤海铁路轮渡起始雷州半岛南端的海安，横跨琼州海峡，终至海南岛的海口，全 长2 6 公里。渡船设有两层载货甲板，主甲板为开敞式列车甲板，共建与栈桥轨 道形成四对四相对应的4 股铁路轨道，每股轨道长约1 4 5 米，可装载每节长1 4 米 的货物列车加节，也可装载每节长2 6 5 米的旅客列车1 8 节；第二层甲板为汽车 甲板，可装载汽车5 6 辆：渡船后半部设置旅客舱室，可搭乘旅客1 3 6 0 人。列车、 汽车和旅客通过不同的栈桥，从船艉、船左右舷分别进入渡船。 1 7 铁路轮渡发展概况 ( 3 ) 烟大铁路轮渡 。 烟大铁路轮渡，纵贯渤海海峡，全线长1 8 9 公里，是我国铁路网“八纵八横 之一的东部沿海铁路大通道的重要组成部分。烟大铁路轮渡是我国海上航线最长 的铁路轮渡，也是世界上第3 5 条百公里以上的海上轮渡。烟大铁路轮渡渡船是一 艘可载列车、汽车、旅客的多用途滚装船，配备吊舱式电力推进系统，抗风浪能 力为八级，服务航速为1 8 节，其主甲板为铁路甲板，布置5 条股道，每条容车 数1 0 辆，装卸采用艉进艉出的方式。上甲板为汽车甲板，可以载重汽车5 0 辆， 进出采用侧进侧出。客舱应能搭载旅客4 8 0 人。该渡船也是世界上第一艘采用纵 倾调整系统的客滚船，此系统可有效减少船桥搭接处的干舷变化范围。 随着中韩海运贸易近年来日益升温，在山东半岛与韩国间建设铁路轮渡的呼 声越来越高【2 0 】。中亚五国及外高加索地区拥有丰富的自然资源，却很难找到出海 口，这些国家和地区急于打通欧亚大陆的陆路通道；同时，将中亚各国连接起来， 把在里海沿岸采掘的天然气资源经中国内陆送到中国沿海和日本及韩国，这一工 程对在中国境内打造新的能源带和国际综合运输中心枢纽十分有利。目前中韩间 航运工具主要为集装箱班轮，韩国出口欧洲的货物大部分从连云港上岸，但货物 需要多次装卸，如果韩国与山东半岛间的铁路轮渡建成，这些货物就能通过火车 直接运到山东半岛上岸，且节省了装卸费用。首尔与釜山间有高速铁路与高速公 路，而釜山至日本下关的轮渡早已运营，下关有高速铁路、公路向北延伸，与北 海道有海底隧道相通，所以，中韩铁路轮渡一旦实现，就意味着日本最北端的火 车可以不用卸货，通过日本本土、韩国、中国穿越欧亚大陆直达欧洲鹿特丹，而 作为东西往来货物停顿点的胶东半岛必将成为欧亚大陆桥向朝鲜半岛和日本列 岛延伸的世界级航运枢纽。 2 3 铁路轮渡运行中存在的问题 铁路轮渡作为近代以来新兴的一种联运方式，集结了海运和铁路运输的诸多 优点，尽管发展迅速，但同时也存在一定的问题2 1 脾】，例如地方保护政策分配 货源客源导致渡轮的利用率过低，从而严重浪费经济资源；配套设施相对滞后， 宣传力度不够等，同时其航行中的安全隐患