（交通运输规划与管理专业论文）铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析.pdf

t h en e w d e s i g na n d c o n s t r u c t i o nc o s t sa n a l y s i so ff l e x i b l e r a i l w a yf o rt r a i nf e r r y at h e s i ss u b m i t t e dt o d a h a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y k a n y i n g ( t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i ex i n l i a n j u n e2 0 1 1 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，撰写成博 硕士学位论文= = 迭路整渡耋丝执道堑友塞毽基建造盛奎盆蚯：。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。 学位论文作者签名：煎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权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。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志 社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物 形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：阑锹 导师签 日期：沙，f 年乡月加 中文摘要 摘要 铁路轮渡系统使受水域阻隔的铁路线通过渡轮连接起来，将吊上吊下的装卸 方式改为滚上滚下的装卸方式，对比铁路、水路联运方式更加省时、节能。其中， 船岸连接是决定系统效率和效益的一个关键环节。在传统的铁路轮渡系统中，一 直采用在引桥上设置固定位置轨道线的形式。这种形式的铁路引桥兼容性差、利 用率低，是整个海铁联运系统效率的瓶颈所在。 本文基于将刚性连接桥和轨道柔性化的学术思想，在f d t - 1 ( f l e x i b l e d o u b l e r a i lt r a c k - 1 ) 型柔性连接轨道设计方案的基础上，提出了一种全新的柔性 连接轨道设计思路，简称f d t - 2 型柔性连接轨道。将其运用于铁路轮渡系统引桥 设计中，旨在改进陆上固定轨道和甲板上轨道的连接形式，提高铁路轮渡引桥对 靠泊船型的适应性，从而提高系统的利用效率，充分发挥铁路轮渡系统的优越性 并可提升渡轮二手船价值。 借助a u t o c a d 软件绘制f d t - 2 型柔性连接轨道的整体构造及各部件的设计方 案，初步探讨了各部件的加工方式及采用该种轨道的铁路轮渡装卸过程。定义了 轨道的主要形变参数和设计参数，运用解析几何原理推导了f d t - 2 型柔性连接轨 道弯曲变形过程中主要形变参数的表达式，以m a t l a b 软件为平台编制程序对其进 行数值分析，从几何角度证明该种轨道的可行性和实用性，并得出主要设计参数 的参考值。计算f d t - 2 型柔性连接轨道的整体体积，估算其建造成本。设置算例， 借鉴有无对比法的思想对新旧两种铁路轮渡引桥方案进行国民经济评价，得出两 方案在费用、效益方面的利弊。结果表明，采用f d t - 2 型柔性连接轨道的引桥设 计方案相对于传统引桥方案更具优越性。 关键词：铁路轮渡；柔性轨道；形变参数；设计参数；国民经济评价 英文摘要 a b s t r a c t t h et r a i nf e r r yc o n n e c t st h er a i l w a yl i n ew h i c hi ss e p a r a t e db yt h ew a t e rt oc h a n g e t h el o a d i n g u n l o a d i n gw a yf r o ml i f t - o n l i f t - o f ft or o l l o n r o l l - o f f c o m p a r e dw i t ht h e s e a - l a n dt r a n s p o r t a t i o n , i tb r i n g sm o r et i m e s a v i n ga n de n e r g ys a v i n g s h i p s h o r e c o n n e c t i o n , a sak e yl i n ki nt h er a i k o a df e r r ys y s t e m , d e t e r m i n e st h ee f f i c i e n c ya n d e f f e c t i v e n e s so fs y s t e m t r a d i t i o n a l l y , f i x e dt r a c k sa r es e to nt h et r e s t l e t h i sf o r mo f t r e s t l eh a sp o o rg e n e r a l i t ya n di n e f f i c i e n tu s e ，w h i c hi sb o t t l e n e c ko ft h ew h o l es e a l a n d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e me f f i c i e n c y ： ， b a s e do nt h ea c a d e m i ct h o u g h tt h a tm a k i n gt h er i g i dt r e s t l ea n dr a i l w a yf l e x i b l e a n do nt h ed e s i g ns c h e m eo ff d t - 1 ( f l e x i b l ed o u b l e - r a i lt r a c k 1 ) ，at o t a l l yn e wd e s i g n c o n c e p t i o no ff l e x i b l er a i l w a yw h i c hi sc a l l e df d t - 2f o rs h o r ti sp r e s e n t e d w h e nu s e d i nt h ed e s i g no ft r e s t l e ，i tc a ni m p r o v et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ef i x e dt r a c k so nt h e l a n da n dd e c kt or a i s et h ea d a p t a b i l i t yb e t w e e ns h i p sa n dr a i l w a yt r e s t l e sa n dt h eu s e e f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h e nt h es u p e r i o r i t yo ft h er a i l r o a df e r r yw i l lb eb r o u g h ti n t o f u l lp l a ya n dt h ev a h eo fs e c o n d - h a n df e r r yw i l lb ei n c r e a s e d t h ep a p e rd r a w st h ew h o l es t r u c t u r eo ff d t - 2a n dd e s i g ns c h e m eo f e a c hp a r tw i t h a u t o c a d ，s t u d i e st h ep r o c e s s i n gm e t h o d so fa l lt h ep a r t sa n dt h el o a d i n g - u n l o a d i n g p r o c e s sb a s e do nt h i s k i n do fr a i l w a yp r e l i m i n a r i l y , d e f i n e st h ek e yd e f o r m a t i o n p a r a m e t e r sa n dd e s i g np a r a m e t e r so f t h ef l e x i b l er a i l w a y , a n dd e r i v e st h ee x p r e s s i o n so f t h em a i nd e f o r m a t i o np a r a m e t e r sw h e nt h ef l e x i b l er a i l w a yi sb e n d i n g m a t l a bs o f t w a r e i su s e da st h ep l a t f o r mt ot h en u m e r i c a la n a l y s i sp r o g r a mo ft h e s ep a r a m e t e r st op r o v e t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h er a i l w a y t h e nt h es u g g e s t e dv a l u er a n g e so fk e y d e s i g np a r a m e t e r sa r eg i v e n t h ep a p e rc a l c u l a t e st h et o t a lv o l u m eo ft h er a i l w a y ， e s t i m a t e st h ec o s to fi t sc o n s t r u c t i o n , t h e ns e t sac a l c u l a t i o ne x a m p l ef o rt h en a t i o n a l e c o n o m i ce v a l u a t i o no ft h et w od i f f e r e n tp r o g r a m si nw h i c ht h en e wa n dt h et r a d i t i o n a l t r e s t l ea r ea d o p t e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gt h et h o u g h to f w i t ha n dw i t h o u tm e t h o d s f o r r e f e r e n c e r e s u l t sa b o u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w op r o g r a m si nc o s t s a n db e n e f i t sa r ep r e s e n t e dw h i c hs h o wt h a ti ti sm o r es u p e r i o ra d o p t i n gf d t - 2f l e x i b l e r a i l w a yt h a nt r a d i t i o n a lt r e s t l e k e yw o r d s ：t r a i nf e r r y ；f l e x i b l er a i l w a y ；d e f o r m a t i o np a r a m e t e r s ；d e s i g n p a r a m e t e r s ；n a t i o n a le c o n o m i ce v a l u a t i o n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及研究意义l 1 1 1 课题来源1 1 1 2 背景介绍。1 1 1 3 研究意义3 1 2 国内外研究现状4 1 - 3 论文主要研究内容6 1 4 论文研究结构6 第二章f d t - 2 型柔性连接轨道的基本结构和工作机理8 2 1 机械零件设计要求及步骤8 2 3 轨枕设计方案1 0 2 4 推拉机构设计方案1 1 2 4 1 扭力传动轴结构11 2 4 2 丝套结构1 2 2 5 零部件组装方式及工作机理1 3 2 6 零部件加工方式1 4 2 7 铁路轮渡装卸过程描述1 4 第三章f d t - 2 型柔性连接轨道主要形变参数推导1 6 3 1 柔性轨道弯曲变形情况分析1 6 3 3 柔性轨道半边的形变参数表达式推导1 9 3 3 1 偏转角度计算2 0 3 3 2 曲率半径计算2 0 3 3 3 自由端偏移量计算2 1 3 3 4 轨缝间隙变化量计算2 1 3 4 柔性轨道整段的形变参数表达式推导2 2 第四章主要形变参数数值分析及设计参数的设计参考值2 4 4 1 问题假设及数值分析影响因素2 4 4 2 程序设计2 5 4 3 主要形变参数计算结果及数值分析2 5 4 3 1 形变参数值随轨枕宽度b 值变化而变化的分析2 6 4 3 2 形变参数值随轨枕间隙2 d 值变化而变化的分析2 8 目录 4 3 3 限定偏转角度口以下要求的轨枕数量分析3 0 4 4 设计参数设计参考值31 第五章f d t - 2 型柔性连接轨道的投资成本分析3 3 5 1 材料质量估算3 3 5 1 1 体积计算：3 3 5 1 2 轨道选材3 9 5 1 3 轨道整体质量估算3 9 5 2 建造成本估算4 1 5 2 1 建造成本组成4 1 5 2 2 材料成本4 2 5 2 3 加工费用4 2 5 3 国民经济评价4 2 5 3 1 国民经济评价概述4 2 5 3 2 算例描述4 3 5 3 3 费用4 4 5 3 4 效益j 4 7 5 3 5 总结一51 第六章结论与展望5 2 6 1 研究成果和结论5 2 6 2 进一步研究展望_ 5 3 参考文献5 4 攻读学位期间公开发表论文5 8 致谢- j 5 9 铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析 1 1 研究背景及研究意义 第一章绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目( 编号：5 0 7 7 8 0 2 9 ) ：刚性连接桥与轨道 的柔性化理论研究及其试验验证。 1 1 2 背景介绍 水路运输与铁路运输分别是水上和陆上长距离、大批量运输的最主要、最经 济的运输方式，均具有运输量大、成本低、效率高的优点。铁路轮渡运输是水上 船舶运输与陆地铁路运输相结合的产物，是近代一种创新性的运输方式。 铁路轮渡，顾名思义就是利用渡轮将机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【1 1 。具体说来，即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轮，进行绑扎系固，然后由渡轮将其运输过一定距 离的水域( 江河、湖泊、海域等) ，抵达陆地铁路另一端点，再使用火车机车将车 厢牵引下车，进行连接，重新成为整列火车运行于陆地铁路网。 铁路轮渡系统有如下优点： ( 1 ) 铁路轮渡使受水域阻隔的铁路线通过渡轮连接起来，起到缩短运距、补 充路网、提高运能的作用； ( 2 ) 将吊上吊下的装卸方式改为滚上滚下的装卸方式，实现直达运输，避免 铁路、水路联运途中两装两卸、效率低、周期长、损耗大、成本高的缺点，具有 低碳优势。一般轮渡运输与经陆上运输相比，运输费用至少能节省1 3 t 2 】； ( 3 ) 车辆直接装上渡轮，作业简便，渡轮在港换装时间短，不需要港口增加 堆场、仓库设备和货物仓储保管费用【2 】； ( 4 ) 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收回投资，见效快； 绪论 ( 5 ) 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 合理与政治便利 1 】。 十九世纪3 0 年代，英、美等国就开始用船运送轨道车辆跨越江河。1 8 5 0 年， 以“l e v i a t h a n 号为代表的具有现代技术特征的火车渡轮投入苏格兰的c n a n t o n b u m t i s l a n d 航线上营运【3 】。n - - 十世纪初，铁路轮渡已经成为北美铁路系统中的重 要组成部分，关于铁路轮渡建设与研究成果的文章也越来越多【4 7 】。二十世纪7 0 年代中期，欧美国家的专家提出了将铁路轮渡作为现代国际运输系统中的一种重 要连接方式这一理念。这种理念越来越受到重视，并一直持续到9 0 年代初。这一 时期设计和建造了许多火车渡轮，仅在7 0 年代后期运力就增加了近7 2 【8 9 1 ，标 志着具有直达运输优点的国际铁路货运开始了繁荣扩张的新时则1 0 】。 据统计，目前世界上已建成的铁路轮渡航线约有7 0 余条，分布在2 0 多个国 家，主要集中在欧洲和北美洲，跨海轮渡航线占多数【2 1 。我国铁路轮渡的运用较西 方晚8 0 多年【1 1 1 ，经过近几十年的发展，我国在铁路轮渡应用技术方面已经达到了 世界先进水平【1 2 - 17 1 。 尽管铁路轮渡存在诸多优点，经过一百多年的发展，基于铁路轮渡的“穿越 国境运送 【1 8 19 】的概念却没有如期望的那样广泛发展，特别是与后来出现的集装 箱化和汽车滚装运输相比，铁路轮渡技术几乎处于停滞状态。导致这种现象的主 要原因是船舶装载利用率低和船桥之间兼容性差，这两个原因在一定程度上都归 咎于在港口使用的连接引桥缺乏灵活性。此外，建设越来越多的桥梁和隧道更加 凸显了铁路轮渡的缺点，使铁路轮渡航线的数量在过去2 0 一3 0 年里有所减少，如 o r e s u n d ，g r e a tb e l t ，f e h m a mb e l t 和e n g l i s hc h a n n e l 等航线f 2 0 1 。从而使铁路轮渡 的发展受桥梁、隧道，甚至更好的公路、汽车渡船的影响很大【l9 1 。 通过对相关文献的查阅，发现现有铁路轮渡技术和系统存在的主要问题是 2 1 - 2 4 1 ： ( 1 ) 只设一层装载甲板的火车渡轮，其载重量利用率远远低于一般货船。 为提高装载量而扩大甲板面积，就会增加船舶尺度，导致渡轮造价大幅度上升， 而且这样做也不能真正提高其载重量利用率； ( 2 ) 增加载车甲板层数，则需要在船上设置重型起重设备，这不仅增加了 渡轮的造价，也大大增加了装卸作业的时间、费用和复杂性； 铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析 ( 3 )引桥上使用的固定轨道要求接船端的轨道位置与数量必须同载车甲板 接桥端的轨道位置与数量严格一致。这就使渡轮与引桥之间相互的兼容性或者通 用性很差； ( 4 ) 采用多股固定轨道和道岔或转辙器时，要求引桥有较大的宽度( 与船 宽接近) 。引桥宽度大，则其自重大，升降所需功率也必然增大，增加了技术难度 与建造成本。 ( 5 ) 火车渡轮运输过程中，需要将轨道车辆牢固地绑扎在船舱中，以避免翻 滚，特别是在开敞水域的航线上。 另外，火车渡轮是一种高度专用化船舶，为适应特定航线上码头和其他相关 基础设施的要求，设计中不可避免地受到特定尺度的限制，如甲板高度。许多火 车渡轮的设计都受限于原有的码头设施【2 5 2 6 1 。由于火车渡轮的建造技术复杂、使 用寿命期长，因而完全有可能使一个多用途火车渡轮的设计结果具有严重缺陷， 例如，“t r e l l e b o r g ”号【2 7 】。火车渡轮与普通商船相比还有一个重要的差异是， 不进行重大改装就转移到其他航线上营运的可能性很小，即不适应变化着的市场 需求，因此其二手船价值非常有限【1 9 1 。这些问题使船、桥的使用效率都大为降低， 在很大程度上抵消了铁路轮渡系统在运输质量和经济性方面的优点，也使这种运 输方式一直难于广泛应用，甚至出现了萎缩现象。 由上述分析可知，改进现有的船、桥设计方案是提高铁路轮渡船舶装载利用 率，改善船桥之间的兼容性，实现铁路轮渡系统运输经济性的解决途径。 1 1 3 研究意义 本文提出了一种轨枕与钢轨连成一体，通过轨枕互相铰接而形成轨道，依靠 设在轨枕端部的传动轴传递扭矩并实现轨道整体弯转的新型柔性轨道构造方案。 给出了新型柔性轨道弯曲变形过程中主要形变参数的表达式，说明新型柔性轨道 的可行性和设计原理，得出其主要设计参数的参考值。通过对新型柔性轨道的国 民经济分析，得出其与传统设计方案在费用、效益方面的利弊。 本文的研究意义在于如下两方面： ( 1 ) 改进铁路轮渡引桥轨道设计方案，提高轮渡系统效率 世界上沿海岛屿和海峡很多，在这些地方大都有连接两岸路网、便利两岸之 3 绪论 间开展大规模运输的迫切需要【2 8 】。通常，在不宜建设桥梁的情况下，可能有建设 隧道和轮渡航线两种选择，而轮渡方案往往又是最经济的选择。 因此，尽管铁路轮渡存在一些固有缺憾，这种运输形式仍然具有生命力，必 需突破现有技术局限，开发更先进的船桥连接技术。新型柔性轨道的使用将会提 高引桥对靠泊船舶的兼容性，提升渡轮二手船价值，使铁路轮渡系统充分发挥自 身优势，建立高效水陆有轨联运大系统。 ( 2 ) 提出新型柔性轨道设计思路，为轨道交通等改进提供新思想 本文创造性地提出了新型柔性轨道设计思路，除可用于铁路轮渡系统引桥轨 道设计外，也可为城市轨道交通、铁路运输等其他轨道运输方式提供系统改进的 新思想。对铁路轮渡系统技术的后续研究及其他轨道运输方式的研究具有启发性。 ， 1 2 国内外研究现状 多年来，国内外专家、学者在船、岸连接领域做过多种尝试2 9 3 0 1 ，对提高铁 路轮渡系统的绩效也有不同程度的贡献，但至今尚未改变铁路轮渡传统的技术模 式，造成实践中专船专线、运力不能在不同航线之间灵活调配的结果。人类对海 铁联运的迫切需求和现有技术、理论的局限性形成了一个突出的矛盾。只有突破 这种局限性，才能实现海铁联运的大发展。而突破这一局限的途径在于船、桥连 接理论和技术的创新。 通过对铁路轮渡运输系统现有技术的分析，认为传统上人们一直利用刚性的、 固定的桥梁、铁路连接船岸或不同载体。如果桥梁和铁路能够具有柔性、可以在 运用中挠曲，就可能产生特殊的效果和用途。从而提出将刚性连接桥柔性化3 1 1 、 将轨道柔性化的学术思想和探索方向。基于这种学术思想，文献 3 2 1 3 7 中提出并 研究了一种柔性连接引桥和以弹性短轨和轨枕构成、并在短轨之间预留一定伸缩 间隙的柔性连接轨道的全新设计方案，简称为f d t - 1 ( f l e x i b l ed o u b l e r a i lt r a c k - 1 ) 型柔性连接轨道。 文献 3 2 1 中提出了一种多层甲板、多线路、大装载量的铁路渡轮船型和与之相 匹配的码头引桥路轨设计方案，提出了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。能够使大型公路、铁路车辆运输滚装船方便地与码 头连接桥相匹配，是发展大装载量铁路渡轮和进一步提高铁海铁联运系 4 铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析 统运转效率的关键。 文献1 3 4 、【3 5 1 对f d t - 1 型柔性连接轨道弯曲变形的几何关系进行了理论研 究和数值分析，推导了柔性轨道段在进行船岸对接时的整体弯曲变形几何关系和 轨道间隙变化量的计算公式，计算了柔性轨道在不同弯曲变形状态下各弯曲变形 参数的对应数值。从几何角度证明了这种新方案的可行性。 文献【3 6 从力学角度研究了新型柔性轨道在力和力矩作用下的弯曲变形规律。 推导了柔性轨道受力和力矩共同作用及受纯力矩作用时，弯曲变形量的表达式。 计算了在轨道实际可能的变形范围内，产生不同变形量所需要的力或力矩的大小。 计算结果表明其量级并非很大，在实践中易于实现。从而从力学角度证明了f d t - 1 型柔性连接轨道的可行性。 文献 3 7 1 对柔性轨道相关理论进行了综合阐述。通过全面分析海铁联运系统， 提出海陆的连接或货物转运环节是阻碍其提高效率的瓶颈。指出新型柔性连接轨 道可以用来改善引桥与不同类型的铁路渡轮的兼容性。并提出了一个以船岸连接 桥和柔性轨道为关键技术的海铁联运一体化新型运输系统模型，以有效克服现有 的瓶颈，提高海铁联运的效率。 这种全新方案带来的直接好处包括： ( 1 ) 提高引桥的综合效用，简化桥上轨道的布局形式； ( 2 ) 火车渡轮大型化，增加装载量、降低单位运输成本； ( 3 )引导铁路车辆和广泛应用的海运集装箱结构形式的改造，综合两者的 优点，开发新型货运单元，开展轨道集装箱滚装运输新模式； ( 4 ) 有助于彻底改善大宗货物水陆联运的效率、效益和节能、环保水平； ( 5 )突破火车渡轮只能在给定航线上运行的传统模式，通过允许运力的自 由调配，增强运能对运输需求变化的适应性，在全球范围内建立水陆一体化综合 运输系统【3 8 1 。 文献 3 9 1 以m a t l a b 软件为平台模拟了一种采用新型柔性连接轨道的铁路渡轮 的装卸过程，探讨、研究了使用这种关键技术进行铁路车辆装卸过程的模拟，推 导出固定轨道，柔性轨道的轨迹位置表达式和机车、车辆的运动定位计算公式， 同时计算出采用柔性轨道的铁路渡轮装卸过程的总时间。通过对铁路渡轮装卸过 程的计算机模拟，将新型柔性连接轨道在铁路渡轮中的应用直观地展现出来，也 绪论 将可以用于与现有系统作业过程的对比分析。 文献 4 0 】介绍了f d t - 1 型柔性连接轨道的几何形位名称术语及相关参数，列举 了柔性轨道几何形位的基本要素，推导了柔性轨道预留轨缝的计算公式，分析了 预留轨缝设置的问题。 1 3 论文主要研究内容 本文在前人研究的基础上，提出f d t - 2 型柔性连接轨道，着重对其基本结构、 主要形变参数表达式、设计参数设计参考值的范围、投资成本等问题进行了研究。 研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 首先介绍了f d t - 2 型柔性连接轨道的基本构造和主要零部件组装特征， 指出其在轨枕和钢轨的形式、功能、连接方式方面与普通轨枕、钢轨的明显差别， 然后说明了其工作原理及零部件加工方式。 ( 2 ) 系统定义了f d t - 2 型柔性连接轨道的主要形变参数，运用解析几何方法 推导出其计算表达式。 ( 3 ) 列举数值分析的假设条件和影响因素，设计m a t l a b 程序对主要形变参数 进行数值分析，得出主要形变参数随设计参数改变而改变的规律，从几何角度证 明这种设计方案的可行性，并确定设计参数的设计参考值。 ( 4 ) 通过国民经济评价方法，应用有无对比法的思想，设置算例对比采用 f d t - 2 型柔性连接轨道的引桥与传统模式引桥各自的优劣。 1 4 论文研究结构 本文分为六章，依次为第一章绪论，第二章f d t - 2 型柔性连接轨道的基本结 构和工作原理，第三章f d t - 2 型柔性连接轨道的主要形变参数推导，第四章主要 形变控制参数数值分析及设计参数的设计参考值，第五章f d t - 2 型柔性连接轨道 的投资成本分析，第六章结论与展望。 第一章绪论，介绍铁路轮渡系统的发展历程，目前存在的问题与关键技术， 国内外的研究现状，提出论文的研究意义及研究内容。 第二章f d t 0 2 型柔性连接轨道的基本结构和工作机理，借助三维示意图及二 维零件图介绍了f d t - 2 型柔性连接轨道轨枕及推拉机构的设计方案及特性，说明 了其工作机理及加工方式。 铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析 第三章f d t - 2 型柔性连接轨道主要形变参数推导，定义了柔性轨道的主要形 变参数，将柔性轨道从反曲点处分为两部分，以其中一部分( 即与固定端相连接 的半边) 为例进行柔性轨道形状参数表达式的推导，进而得出柔性轨道整段形状 参数的表达式。 第四章主要形变控制参数数值分析及设计参数的设计参考值，设定数值分析 前提和影响因素，以m a t l a b 为平台设计程序计算形状参数变化情况，确定设计参 数的设计参考值范围。 第五章f d t - 2 型柔性轨道的投资成本分析，计算柔性轨道整体体积，进而得 出材料成本。对传统轨道加工费用的相关数据进行合理估计，得出柔性轨道的加 工费用，从而进行建造成本分析。采用有无对比法的思想，通过算例进行国民经 济评价，得出采用f d t - 2 型柔性连接轨道的引桥与传统模式引桥在费用、效益方 面的不同，证明采用f d t - 2 型柔性连接轨道的引桥对国民经济贡献更大。 第六章结论与展望，总结了本文的研究成果，并提出了后续研究工作的方向。 f d t 一2 型柔性连接轨道的基本结构和工作机理 第二章f d t - 2 型柔性连接轨道的基本结构和工作机理 2 1 机械零件设计要求及步骤 由于各种各样的原因，机械零件会失效，即丧失正常的工作能力，如断裂、 过大的残余变形、零件的表面破坏、破坏正常工作条件引起的失效等。为保证零 件达到正常使用的标准，设计时需满足以下几种基本的要求4 1 1 。 ( 1 ) 避免在预定寿命期内失效的要求。即满足适当的强度、刚度，具有一定 的耐磨性、振动稳定性和耐热性等； ( 2 ) 结构工艺性要求。即在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来， 并便于装配； ( 3 ) 经济性要求。即采用轻型的零件结构以降低材料的损耗，采用少余量或 无余量的毛坯或简化零件结构以减少加工工时，采用廉价且供应充足的材料来代 替贵重材料以降低材料费用等； ( 4 ) 质量小的要求。一方面可以节约材料；另一方面对于运动零件来说，可 以减小惯性，改善动力性能，降低作用于构件上的惯性载荷； ( 5 ) 可靠性要求。即在规定的使用时间( 寿命) 内和预定的环境条件下，零 件能够正常完成其功能的概率。 机械零件设计的大体步骤如下： ( 1 ) 根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构； ( 2 ) 根据机构的工作要求，计算作用在零件上的载荷； ( 3 ) 根据零件类型、结构和载荷，分析零件可能的失效形式，确定零件的设 计准则； ( 4 ) 选择零件材料； ( 5 ) 根据设计准则进行有关计算，确定零件的基本尺寸； ( 6 ) 进行零件的结构设计； ( 7 ) 校核计算； ( 8 ) 画出零件的工作图，编写计算说明书。 本文提出了一种全新的引桥轨道设计方案，由于载荷及柔性轨道弯曲变形后 的形变参数范围目前难以确定，因此方案中只给出了设计思路并未给出零件的具 8 铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析 体尺寸。 2 2f d t - 2 型柔性连接轨道整体设计方梨4 2 】 柔性连接轨道要实现岸上固定轨道与船上不同固定轨道的对接，则需要在一 定范围内产生弯曲。这就要求柔性连接轨道的设计方案与传统轨道有较大区别， 通过特殊设置可以实现柔性轨道整体的可控弯曲，并易于实现，且满足安全性等 要求。 在f d t - 1 型柔性连接轨道原型基础上，通过进一步的分析研究，提出一种轨 枕与钢轨刚性连接成一体，通过轨枕中部互相铰接而形成轨道，依靠设在轨枕两 端的传动轴传递扭矩并实现轨道整体弯曲的新型柔性轨道构造方案，简称为f d t - 2 ( f l e x i b l ed o u b l e r a i lt r a c k - 2 ) 型柔性连接轨道。 f d t - 2 型柔性连接轨道主要由轨、枕一体化的轨枕和推拉机构等两部分组成， 见图2 1 。轨枕沿轨道延伸方向铺设。f d t - 2 型柔性连接轨道与传统轨道设计方案 的主要不同点在于轨枕与钢轨一体化，轨枕与轨枕( 即，钢轨与钢轨) 之间留有 适当间隙，并通过轨枕中部的铰接孔和销轴连接。轨枕两端设有凹槽，设在轨枕 端部的推拉机构用于控制轨枕之间的夹角，即控制轨道整体的弯曲程度。柔性轨 道各组成部分构件形式及其功能如图2 1 。 图2 1f d t - 2 型柔性连接轨道整体构造 f i g 2 1t h ew h o l es t r u c t u r eo ff d t - 2 9 _ f d t 一2 型柔性连接轨道的基本结构和工作机理 2 3 轨枕设计方案 f d t - 2 型柔性连接轨道系统中的轨枕和钢轨的形式、功能、连接方式与普通轨 枕、钢轨均有明显差别，其钢轨与轨枕刚性连接成一体。钢轨的主要功能是对行 走车轮导向和将车轮载荷传递给下面的轨枕，因此钢轨的断面形状可以简化，以 便降低重量和制造成本。本文中，仍采用普通钢轨的设计方案，加工时，可进行 简化。轨枕的主要功能是将钢轨上传导下来的力更加均匀地传递给下面的支撑平 面，并且利用轨枕两端设置的推拉机构改变相邻轨枕之间的夹角。轨枕两侧设有 凹槽，用以安装推拉机构，并在轨道弯曲时，为推拉机构留出活动余量。轨枕中 部两侧设有铰接孔，一侧单孔，一侧双孔。装配时，相邻轨枕单孔一侧与双孔一 侧配合，通过销轴连接。考虑到轨道经常弯曲，且曲率半径有可能较小，轨距可 以在标准值的基础上适当增加，如增加1 5 咖【4 3 1 。轨枕的具体设计形式见图2 2 。 ( a ) 轨枕单孔一侧 ( a ) s i n g l e - h o l es i d eo f t h es l e e p e r 1 0 铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析 ( b ) 轨枕双孔一侧 ( b ) d o u b l e - h o l es i d eo f t h es l e e p e r 图2 2 轨、枕刚性连接成一体的轨枕 f i g 2 2t h es l e e p e ri n t e g r a t e d 谢n lr a i l st h r o u g hr i g i dc o n n e c t i o n 2 。4 推拉机构设计方案 推拉机构主要由扭力传动轴、丝套、联轴套三个构件组成。 2 4 1 扭力传动轴结构 扭力传动轴由左、右旋螺纹、圆柱接头、方柱接头组成，为了便于加工和操 作，左、右旋螺纹之间留有螺纹退刀槽，退刀槽两侧螺纹方向相反。联轴套与扭 力传动轴的圆柱接头通过定位螺丝相连，圆柱接头上的螺丝浅孔应该在安装现场 定位后加工。扭力传动轴的具体设计见图2 3 。 图2 3 扭力传动轴 f i g 2 3t r a n s m i s s i o ns h 心f o rt o r q u e f d t - 2 型柔性连接轨道的基本结构和工作机理 2 4 2 丝套结构 丝套内部设有螺纹，分为左、右旋螺纹两种丝套。丝套置于轨枕端部的凹槽 内，与轨枕端部凹槽的上接合面采用顶丝连接，下接合面采用圆形键连接，便于 轨道弯曲时丝套与轨枕产生一定角度。扭力传动轴穿过丝套并通过联轴套将扭矩 传递给相邻的下一个扭力传动轴，同时将产生的推力或拉力通过丝套传递给轨枕。 丝套具体设计见图2 4 。 图2 4 右旋螺纹丝套 f i g 2 4w i r es e t so fd e x t r a lt h r e a d 2 4 3 联轴套结构 联轴套为联轴器的一种，主要用来连接轴与轴，以传递运动和转矩。工作中， 始终把两轴连接在一起，停止工作时，需通过拆卸的方法才能使两轴分离。联轴 器按照有无补偿轴线偏移能力，分为刚性联轴器和挠性联轴器【4 l 】。 f d t - 2 型柔性连接轨道系统中，联轴套连接两个相邻的扭力传动轴并单纯传导 转角和扭矩。联轴套两端内侧分别为圆柱形光孔和方形光孔，分别与扭力传动轴 的圆柱接头、方柱接头连接。扭力传动轴的方柱接头在轴向与联轴套产生相对位 移，因此联轴套属于挠性联轴器。 联轴套的具体设计见图2 5 。 1 2 铁路轮渡柔性轨道新方案及其建造成本分析 图2 5 联轴套 一二一 f i g 2 5j o i n ts l e e v ef o rt r a n s m i s s i o ns h a l l 2 5 零部件组装方式及工作机理 将轨枕和推拉机构中的零部件制造好后，运到铁路轮渡码头现场组装成图2 1 所示的柔性连接轨道，并安置在光滑的支撑平面( 一般为桥面) 上。柔性轨道接 陆端第一根轨枕与陆上固定轨道连接并固定不动，另一端是自由端，可以在力或 力矩的作用下在轨道平面内左右弯曲，呈现出柔性。在柔性轨道接陆端设置动力 机构。驱动柔性轨道弯曲的力或力矩来自于安装在轨枕两端的推拉机构。在与陆 上固定轨道连接的第一根轨枕处输入操作动力，即在轨枕两端扭转第一根扭力传 动轴。 在推拉机构中，扭力传动轴上的圆柱形接头插入联轴套的圆柱形孔内，通过 定位螺丝固定连接；扭力传动轴上的方柱形接头以滑动配合的方式插入另一个联 轴套的方形孔内，两者纵向可以相对移动，但转角锁定。扭力传动轴转动带动联 轴套转动，通过联轴套的转动带动后续相连的扭力传动轴转动，实现轨道沿线上 所有扭力传动轴同步转动。 在扭力传动轴转动的过程中，丝套固定在轨枕的凹槽内，不随之旋转，但丝 套内部的螺纹与扭力传动轴上螺纹之间的相对转动使丝套与扭力传动轴之间形成 轴向相对位移。由于扭力传动轴跨接相邻轨枕上的两个丝套，且两个丝套上的螺 纹相反( 与扭力传动轴两端的螺纹方向配合) ，合理设置轨枕两端扭力传递轴上螺 纹的方向，使扭力传动轴旋转时推拉轨枕以中间连接销轴为圆心微量旋转，一端 的轨枕间隙减小，另一端的轨枕间隙增大，即同一条线上传动轴带动的轨枕端部 1 3 f d t - 2 型柔性连接轨道的基本结构和工作机理 产生移动，或同时靠近或同时疏远。此时，丝套与轨枕相对位置发生变化，两者 形成一定的微小角度。通过这种方式使得轨道曲率产生变化，进而实现整条轨道 的柔性。 从理论上看，与f d t - 1 型柔性连接轨道相比，f d t - 2 型柔性连接轨道的轨枕 连接方式和推拉弯曲方式能够消除弯曲轨道需要施加的弯轨外力和由此引起的钢 轨、轨枕内应力。 2 6 零部件加工方式 上述f d t - 2 型柔性连接轨道各部件的设计方案与传统机械部件有一定的差别， 因此需要根据类似零部件的加工方式进行改进，设计合理的加工流程。 本文给出参考思路，实际加工流程应全面考虑部件具体设计方案及工艺要求 后再行确定。轨枕采用一体化铸造而成，扭力传动轴参照一般轴类零件加工方式， 采用车削，即工件旋转作主运动，车刀作迸给