铁路运营基础第二-铁路线路总结 PPT课件

4 14 2020 1 第二章铁路线路 铁路选线与既有线改造 第一部分铁路线路第一节铁路线路的组成第二节铁路的平面和纵断面第三节限界第二部分铁路选线总论第一节铁路选线设计的基本任务与步骤第二节铁路选线设计工作的演进第三节铁路运量第三部分既有线改造 4 14 2020 2 第一节铁路线路的组成 原因 信号设备反映线路的状态信号设备安装在线路设备上 转辙机 道岔 轨道电路 钢轨 线路定义 机车车辆走行的通路叫线路 是机车车辆和列车运行的基础 线路组成 轨道下部建筑铁路线路是由路基 桥隧建筑物和轨道组成的一个整体工程结构 4 14 2020 3 第一节铁路线路的组成 一 有砟轨道线路定义 也称上部建筑 它由钢轨 轨枕 道床 道岔和联结零件 防爬设备等组成 如下图 4 14 2020 4 第一节铁路线路的组成 道床定义 道床是铺设在路基面上的道碴 碎石或砂子 层 作用 道床铺设于路基之上 轨枕之下 它作为轨排的基础 应具有以下功用 1 将机车车辆的荷载通过钢轨 轨枕并经过道床的扩散作用分散于路基面上 起着保护路基的作用 2 具有良好的排水性能 这对减轻轨道的冻害和提高轨道的承载能力非常重要 3 提供一定的弹性和浮力 起到缓冲和减振的作用 4 用来保持轨道的平顺性和轨向 阻止轨枕移动钢轨 4 14 2020 5 第一节铁路线路的组成 道床的材料 必须质地坚韧 吸水度低 排水性能好 耐冻性能强 不易风化 不易压碎 磨碎和捣碎 不易被风吹走和被水冲走 用作道床材料的有碎石 熔炉矿碴 筛选卵石及粗砂和中砂等 我国铁路多数采用碎石道碴 随着列车运行速度的变化 石灰岩道碴容易碎成细粒和粉末并与水结合成硬块 我们称之为板结 增加了轨道的刚度 加剧了机车车辆对轨道的冲击振动作用 因此 在我国繁忙干线和快速与高速客运专线上 都要采用质地坚硬的火成岩道碴 如花岗岩 砂岩 玄武岩等经过破碎筛选而成的道碴 4 14 2020 6 第一节铁路线路的组成 道床的断面 道床断面包括道床厚度 顶面宽度及道床边坡三个主要特征 1 道床厚度应根据作用在道床顶面上的轨枕压力在道床内部的传递性及路基的承载能力来决定 道床厚度 系指直线上或内轨中轴下枕底道碴处于压实状态时的厚度 桥梁上道碴槽内碎石道床厚度不得小于25cm 改建困难条件下 不得小于20cm 4 14 2020 7 第一节铁路线路的组成 2 道床的顶面宽度主要取决于轨枕长度 其在轨枕两端伸出的部分称为道床肩宽 它的存在是为阻止石碴受到列车振动而从轨枕下挤出 以保持道床紧密状态和足够的横向阻力 我国的道床肩宽 在普通线路上定为20 30cm 在无缝线路上定为40 45cm 为了提高横向阻力 还可根据需要将道床肩堆高15cm 3 自道床顶向引向路基顶面的斜坡称为道床边坡 其大小对保证道床的坚固稳定有十分重要的意义 道床边坡的稳定性取决于道碴材料的内摩擦角和粘聚力 也与道床肩宽有一定的联系 4 14 2020 8 第一节铁路线路的组成 道床变形 弹件变形 发生在列车荷载作用下 当荷载卸除 变形即恢复 永久变形 在变形恢复过程中残留下来并随着列车荷载重复作用的次数增加而积累的变形 轨道结构的破坏 道床下沉可分为初始急剧下沉和后期缓慢下沉阶段 道床的下沉 特别是不均匀下沉 是轨道结构破坏的主要形式之一 道床不均匀下沉的结果导致轨道不平顺的产生 因而影响列车运行的平稳 4 14 2020 9 第一节铁路线路的组成 钢轨 4 14 2020 10 第一节铁路线路的组成 钢轨的功用 钢轨的功用 在于支撑并引导机车车辆的车轮 直接承受来自车轮的力 以及为车轮的滚动提供最小阻力的表面 在电力牵引或自动闭塞区段 钢轨还可以兼供轨道电路之用 4 14 2020 11 第一节铁路线路的组成 钢轨的质量和长度 钢轨类型习惯上以 每米质量数 来表示 我国铁路采用的钢轨类型主要有75kg m 60kg m 50kg m 43kg m 质量越大 表示截面的强度特性越高 世界各国铁路自行确定钢轨类型 苏联铁路的钢轨类型为50kg m 65kg m 75kg m 美国干线上采用的钢轨为132RE 66kg m 136RE 68kg m 及l33RE 66 5kg m 总的趋势是世界各国铁路的钢轨类型向重型发展 以适应日益繁重的运营条件 为了减少钢轨接头 应尽量采用长的钢轨 但世界各国铁路的钢轨长度都限制在一定的范围内 苏联的标准钢轨长度为25m 德国为15m 60m 70m三种 美国为11 89 23 96m 我国的标准采用25m和12 25m两种 对于75kg m钢轨只有长度为25m的一种 4 14 2020 12 第一节铁路线路的组成 钢轨接头处可将相邻两根钢轨用夹板连接 夹板形状如图所示 也可采用焊接的方法将钢轨连接在一起 钢轨接头斜坡支承型双头对称式夹板 4 14 2020 13 第一节铁路线路的组成 采用悬空的方式支承在轨枕上 如图在两根钢轨的端跟留有8 10mm间隙 称为轨缝 使钢轨热胀冷缩有一定的余地 但是 钢轨接头的存在 中断了连续的轨线 车轮经过钢轨接头 便会产生剧烈的冲击振动 为了消灭钢轨接头 采用焊接方式把钢轨连接起来 使钢轨的长度远远长于标准长度 就就是目前世界各国普遍采用的无缝线路 这为改善列车运行创造了有利的条件 4 14 2020 14 第一节铁路线路的组成 钢轨的伤损 钢轨在使用过程中常因发生裂纹 折断和磨耗等伤损而不到使用期限就将需更换 因此 钢轨的伤损是铁路上的一个突出问题 严重影响了行车安全 常见的伤损有轨腰螺栓孔裂纹 轨头核伤和轨头剥离等等 图中 轨头核伤是最危险的伤损 它会在列车荷载重复作用下而使钢轨突然断裂 因此 要用高科技装备的探伤车 超声波深伤车 定期检查 4 14 2020 15 第一节铁路线路的组成 钢轨磨耗是钢轨的另一种伤损形式 它主要有垂直磨耗 侧面磨耗和波形磨耗等 垂直磨耗 不论在直线或曲线上都存在 侧面磨耗主要发生在曲线的外股钢轨上 图中为比较严重的侧面磨耗 但随着列车速度的提高 列车左右摆动使直线上的两股钢轨也产生交替侧磨 4 14 2020 16 第一节铁路线路的组成 轨枕 4 14 2020 17 第一节铁路线路的组成 轨枕的功用 轨枕是轨下基础部件之一 它的功用是支承钢轨 保持轨距和方向 并将钢轨对它的各种压力传递到道床上 因此 轨枕必须具有坚固性 弹性和耐久性 轨枕的分类 轨枕按其使用部位可以分为 用于区间线路的普通轨枕用于道岔上的岔枕用于无碴桥上的桥枕 按材料可以分为 木枕 木枕用量逐渐减少混凝土枕 混凝土枕在我国铁路上广泛应用 4 14 2020 18 第一节铁路线路的组成 无论使用哪一种轨枕 对轨道电路来说 都要求它对钢轨有很好的电气绝缘 在曲线处除用轨枕保持轨距外 还加装有轨距杆 使调整好的轨距不变 设有轨道电路时 轨距杆要实行电气绝缘 我国普通轨枕的长度为2 5m 道岔用的岔枕和桥梁上用的桥枕 其长度有2 6 4 85m等多种 每公里线路上铺设轨枕的数量 一般在1440 1840根之间 应结合运量和行车速度等运营条件而确定 4 14 2020 19 第一节铁路线路的组成 联结设备 联结零件可分为接头联结零件和中间连接零件 接头联结零件作用 联结钢轨与钢轨间的接头 组成 鱼尾板 螺栓 螺帽 弹性垫圈等 4 14 2020 20 第一节铁路线路的组成 中间联结零件作用 将钢轨紧扣在轨枕上 分类 木枕用和钢筋混凝土用 木枕用中间联结零件 型弹条扣件 4 14 2020 21 第一节铁路线路的组成 钢轨接缝处必须保持的缝隙叫做轨缝 当温度变化使钢轨产生伸缩时 它可以起调节作用 在装有轨道电路的区段 轨道电路的两端要在钢轨接缝处装上电气绝缘 叫做钢轨绝缘 在轨道电路中间的钢轨接缝处 要用导接线把接缝两边的钢轨连接起来 以便使钢轨阻抗稳定不变 更好地导通信号电流 由此可见 钢轨接缝越少 对轨道电路越有利 在轨缝处安装的钢轨绝缘与钢轨类型有关 例如有50kg m钢轨用的钢轨绝缘 60kg m钢轨用的钢轨绝缘等 4 14 2020 22 第一节铁路线路的组成 防爬设备 线路爬行 因列车运行时纵向的作用 使钢轨甚至带动轨枕产生纵向移动 这种现象叫线路爬行 危害 轨缝不均 轨枕歪斜 对轨道造成极大破坏 危及行车安全 防爬措施 安装防爬器和防爬撑 4 14 2020 23 第一节铁路线路的组成 在曲线地段 由于列车横向力的作用 很容易引起轨距扩大 预防方法是采用轨距拉杆进行加固 4 14 2020 24 第一节铁路线路的组成 二 下部建筑路基 路堑及路堤桥梁 遂道 涵洞 4 14 2020 25 第一节铁路线路的组成 一 路基路基的基本形式路基的基本形式 主要有路堤和路堑 路堤 铺设轨道的路基面高于天然地面时 路基以填筑的方式构成 这种路基称为路堤 4 14 2020 26 第一节铁路线路的组成 路堑 当铺设轨道的路基面低于天然地面时 路基以开挖方式构成 这种路基称为路堑 4 14 2020 27 第一节铁路线路的组成 路基的防护为了保证路的坚实稳固 防止路堤和路堑边坡坍塌 应进行防护和加固 如挡土墙和护坡 挡土墙护坡 4 14 2020 28 第一节铁路线路的组成 二 桥隧建筑物1 作用铁路线路要通过江河 溪沟 谷地以及山岭等天然障碍 或要跨越出公路或铁路时 就需要修筑桥隧建筑物 以使铁路线路得以继续向前延伸 2 主要设施 桥梁 涵洞 隧道等 桥梁 1 组成 桥面 桥跨结构 墩台及基础四部分组成 桥面 桥跨上铺设轨道的部分 桥跨结构 桥梁承受载荷 跨越障碍的部分 墩台 支撑桥梁结构的部分 基础 墩台底部为基础 4 14 2020 29 第一节铁路线路的组成 4 14 2020 30 第一节铁路线路的组成 涵洞涵洞设在路堤下部填土中 是用以通过水流的建筑物 1 组成 洞身 基础 端墙 翼墙所组成 2 分类 按建筑材料不同分为 石涵 混凝土涵 钢筋混凝土涵 铁涵等 按涵洞截面形状分 矩形 圆形 拱形等 4 14 2020 31 第一节铁路线路的组成 隧道大多建筑在山中 用以避免开挖很深的路堑 或修筑很长的迂回线 1 组成 洞门 洞顶 内部衬砌等 2 类型 山岭隧道 水底隧道及地下铁路 4 14 2020 32 第一节铁路线路的组成 三 无砟轨道线路无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成 而路基也不用碎石 铁轨 轨枕直接铺在混凝土路上 无砟轨道是当今世界先进的轨道技术 可以减少维护 降低粉尘 美化环境 而且列车时速可以达到200公里以上 4 14 2020 33 第二节线路的平面和纵断面 一 铁路勘测设计的概念勘测设计的概念 在建筑一条铁路之前 必须进行调查研究和勘探工作 并从若干个可供比较的方案中选出一个最优方案来进行设计 铁路建设的三个阶段 1 前期工作阶段主要进行方案研究 初测和初步设计工作 2 基本建设阶段主要进行定测 技术设计和施工图设计 最后进行工程施工 验交投产 3 投资效果反馈阶段铁路运营若干年后 有建设单位会同有关部门 对工程质量 技术指标和经济效益等考察验证 以评价设计和施工质量 4 14 2020 34 第二节线路的平面和纵断面 铁路等级 铁路等级是铁路的基本标准 设计铁路时 首先要确定铁路等级 铁路技术标准和装备类型都要根据铁路等级去选定 我国 铁路线路技术管理规程 规定铁路等级应根据在铁路网中的作用 性质和远期的客货运量确定 我国铁路共分为四个等级 注 1 远期 指交付运营后第十年 2 年货运量为重车方向 每对旅客列车上下行各按0 7Mt Mt 百万吨 年货运量折算 4 14 2020 35 第二节线路的平面和纵断面 铁路主要设计标准 选定铁路主要技术标准是设计铁路的基本决策 应根据国家要求的年输送能力和确定的铁路等级 考虑沿线资源分布和国家科技发展规划 并结合设计线的地形 地质 气象等自然条件 经过论证比选确定 铁路主要技术标准 正线数目 限制坡度 最小曲线半径 牵引种类 机车类型 机车交路 车站分布 闭塞类型 到发线有效长度 这些标准是确定铁路能力大小的决定因素 选用不同的标准对设计线的工程造价和运营质量有重大影响 4 14 2020 36 第二节线路的平面和纵断面 二 铁路线路平面 一 铁路线路平面组成要素线路中心线在水平面上的投影 叫作铁路线路平面 如下图所示 曲线和直线是线路平面的组成要素 二 运行阻力列车在线路上运行时 所受阻力可归纳为两类 基本阻力和附加阻力 基本阻力 列车在空旷地面沿平 直轨道运行时所受的阻力 如 轴与轴承间 轮轨之间钢轨接头撞击等 附加阻力 列车在线路上运行时受到的额外阻力 如 坡道阻力 曲线阻力 启动阻力等 4 14 2020 37 第二节线路的平面和纵断面 三 曲线阻力曲线阻力产生原因 1 离心力作用 使外侧车轮轮缘挤压外轨 摩擦增大 2 在曲线上 外轨长于内轨 内侧车轮在轨面上滚动时相对产生滑动 摩擦增大 曲线阻力的大小式中 r 单位曲线阻力 N kN 即列车每一吨重量所摊到的曲线附加阻力值 R 曲线半径 m 600 试验得出的常数 上述公式为列车全部运行在曲线上时所得 结论 曲线阻力与曲线半径成反比 曲线半径越小 曲线阻力越大 运营条件越差 但容易适应较困难的地形 对工程条件有利 4 14 2020 38 第二节线路的平面和纵断面 曲线半径的选用 在设计铁路线时 必须根据铁路所允许的旅客列车的最高运行速度 由大到小合理选用曲线半径 我国 铁路线路设计规范 中规定铁路平面曲线半径有 4000 3000 2500 2000 1500 1200 1000 800 700 600 550 500 450 400 350m 4 14 2020 39 第二节线路的平面和纵断面 为了保证线路的通过能力 并有一个良好的运营条件 区间正线最小曲线半径规定如下 区间正线最小曲线半径 4 14 2020 40 第二节线路的平面和纵断面 在铁路线上 直线和圆曲线不是直接相连的 它们之间需要插入一段缓和曲线 如图所示 缓和曲线的半径是变化的 它与直接衔接一端的半径是无穷大 逐渐变化到等于它所衔接的困曲线半径 R 这样 能保证列车平稳地从直线段进入圆曲线 或从圆曲线进入直线段 使离心力逐渐增加 或消夫 可避免轮轨间的突然冲击 提高列车运行速度并提高旅客的舒适感 4 14 2020 41 第二节线路的平面和纵断面 三 铁路线路纵断面 一 铁路线路纵断面组成要素线路纵断面定义 线路中心线 曲线部分展直后 在垂直面上的投影 叫做线路纵断面 如下图所示 线路纵断面组成要素 为了适应地面的起伏 线路上除了平道外 还修成不同的坡道 因此平道与坡道就成了线路纵断面的组成要素 4 14 2020 42 第二节线路的平面和纵断面 二 坡道阻力坡道的陡与缓用坡度来表示 坡度的大小用千分率来表示 坡道阻力 列车在坡道上运行时 会受到一种由坡道引起的阻力 这一阻力叫坡道阻力 机车车辆所受的重力Qg可分为两个分力F1和F2 F1由轨道的反作用力所抵消 则F2就是坡度附加阻力 4 14 2020 43 第二节线路的平面和纵断面 单位坡道阻力 列车平均每一千牛质量所受到的坡道阻力 式中 r 单位坡道阻力 i 坡道的坡度数 结论 1 机车车辆每一吨质量 上坡时所受的坡度阻力 近似等于用千分率表示的这一坡道坡度的十倍 2 列车上坡时 坡道阻力为 列车下坡时 坡道阻力为 3 坡度越大 上坡阻力越大 同一台机车 在列车运行速度相同条件下 所能牵引的列车重量则减小 4 14 2020 44 第二节线路的平面和纵断面 四 线路曲线对列车运行的影响与铁路信号的关系 一 限制行车速度外轨超高 机车车辆在曲线上运行时 由于离心力的作用使曲线外轨承受了较大的压力 必须将外轨抬高 使机车车辆内倾 以平衡离心力的作用 外轨比内轨高出的部分称为超高 4 14 2020 45 第二节线路的平面和纵断面 曲线外轨超高量的计算 式中 v2max 列车最高运行速度R 曲线半径我国铁路规定 单线铁路超高最大值为125mm双线铁路超高最大值为150mm 外轨超高 轨距加宽的设置办法 从缓和曲线的起点开始 逐渐增加 到圆曲线起点时 超高和加宽部分达到规定的数值 4 14 2020 46 第二节线路的平面和纵断面 三 铁路曲线与轨距的关系1 直线部分的轨距和水平轨距 两股钢轨轨头顶面下16mm范围内两钢轨作用边之间的最小距离 S0 轨距 q 轮对宽度 活动量 4 14 2020 47 第二节线路的平面和纵断面 轨距类型 标准轨距 1435mm宽轨距 1520 1524 1676mm窄轨距 1000 1067mm等我国主要采用1435mm 台湾省有采用1067mm 成都铁路局开远分局有采用1000mm 水平直线地段两根钢轨的顶面应保持在同一水平 允许误差4mm 4 14 2020 48 第二节线路的平面和纵断面 2 曲线部分的轨距和水平固定轨距 机车车辆走行部中只能保持平行而不能作相对运动的车轴中心线间的最大距离 在通常情况下 如上图示 转向架通过曲线时两个轮对同两钢轨之间的相互位置是前一轮对的外轮轮缘和后一轮对的内轮轮缘紧靠着钢轨 这时所要求的轨距应该是 4 14 2020 49 第二节线路的平面和纵断面 S q最大 f从图中可见 当曲线半径越小时 f的值也就越大 当f 时 轨距就必须加宽 否则轮对将在轨道中被卡住 这就是在曲线处轨距要加宽的原因 但当曲线半径越大 f 时 轨距就不需要加宽了 4 14 2020 50 第二节线路的平面和纵断面 四 线路平面与铁路信号的关系为便于司机瞭望 信号机最好设在线路的直线线段上 因为曲线会影响信号机的显示距离 如下图所示 尽管信号光束的散角为上下2o 但在曲线处仍不能保证司机能连续地看到信号显示 为此 当信号机的设置位置避不开小半径的曲线时 有必要在信号机机构内增设一块偏光玻璃 以扩大信号光束的散角 4 14 2020 51 第二节线路的平面和纵断面 在两条平行线路的曲线处 若前的一后设置信号机时 最容易被司机误认 如下图所示 在夜间 由A方向开来的列车 容易把信号机b 的信号显示误认为是给自己的 因为从远处看信号机b 的信号显示在左侧 而信号机a的信号显示反而在右侧 为此 在曲线处不准一前一后设置信号机 必须并排设置 如图中信号机a和信号机b那样 信号机设在线路旁离开线路中心要有一定距离 要符合建议接近限界要求 因为曲线处的轨距有时加宽 这对信号机距曲线线路中心的距离也应该相应地加大 4 14 2020 52 第二节线路的平面和纵断面 五 线路坡道对列车运行的影响用千分率表示坡道的坡度数用i表示之一 列车总重力用 P十G g表示 对整个列车的坡道附加阻力用 N 表示之 则单位坡道的附加阻力 为 上式说明列车单位坡道阻力在数值上等于坡道坡度的千分数i 例如 列车运行在6 上坡道上 单位坡道阻力 i 6N kN 如在6 下坡道上运行时 i 6N kN 4 14 2020 53 第二节线路的平面和纵断面 由上可见 坡道的坡度越大 则坡道的附加阻力也越大 在某一铁路区段 当牵引类型定下来以后 确定货物列车最大重量的坡道坡度 称为限制坡度 ix 包括坡道上的曲线附加阻力 简称限坡 1 在一般情况下 限制坡度的数值往往和区段内陡长上坡道的最大坡度值相当 ix imax 4 14 2020 54 第二节线路的平面和纵断面 2 如果在坡道上又有曲线 列车既上坡又拐弯时 那么这一坡道的坡道阻力和曲线阻力之和 不能大于该区段规定的限制坡度的阻力值 即10 i Wr 10 ixix i Wr 10限制坡度的选定十分重要 它会影响一个区段甚至全线的运输能力 4 14 2020 55 第二节线路的平面和纵断面 为了合理选用限制坡度 我国 铁路技术管理规程 规定如下 区间线路最大限制坡度 各级铁路的加力牵引坡度 内燃机牵引的可用至25 电力牵引的可用至30 4 14 2020 56 第二节线路的平面和纵断面 六 线路纵断面与铁路信号的关系在设置信号机时 信号机应避开设在比起动坡度还大的坡道上 道理很明显 列车停在起动坡度的坡道上刚刚能够起动 如果停在比起动坡度还大的坡道上 则就不能再起动了 如果避不开这种坡道 必须在信号机上加装容许信号 对指定的货物列车 准许其在该信号机显示停车信号时不