铁路弧线段散货装车牵引系统工艺设计

张 振 任建乔 吴沙坪

1 中交第三航务工程勘察设计院有限公司 2 宁波舟山港股份有限公司

1 引言

近年来为适应节能环保的政策需求，国家积极推进运输结构调整，推动大宗货物、中长距离货物运输从公路转向铁路，加快提升铁路货运量，提高铁路货运比例，推动多式联运发展。

越来越多的老港区通过升级改造提升铁路运输能力，但实践中许多老港区都会受限于原有场地条件，一些专业化散货设施无法布置，造成港口的系统能力无法整体提升，港口经济效益难以得到充分的体现。如何通过合理设计来增设专业化散货设施与码头相配，已经成为一些改造项目的设计瓶颈。

2 项目概况

某码头主要装卸煤炭、焦炭等能源类散货，原设计主要为煤炭经铁路集港后经码头装船外运，故后方铁路设计为卸车作业线。近年来，随着港口腹地经济发展，能源消费结构发生了较大变化，煤炭卸船进港后经铁路疏运的需求逐步增加，需在后方原有场地及铁路线上设计增加相应的装火车设施，以适应经营形势的变化，提高港口的服务能力。

本项目利用原有的卸车专用线改造为装车线，将已建堆场出场带式输送机尾部延长，改造成正反转运行。正转时，通过西堆场南侧新建带式输送机配合火车装车楼将煤炭装火车；反转时则将煤炭输送出场至码头装船。

装车楼布置在距分岔口约800 m的曲线段处。装车楼为单轨跨线塔式快速定量装车系统，通过带式输送机系统对装车楼供料。装车过程中火车通过绞车牵引以合适的牵引速度配合装车系统完成装车作业，工艺平面布置见图1。

图1 工艺平面布置图

由于原有铁路线不长，采用装车楼作业的线路长度需利用一段半径约255 m的弧线段铁路。因此，如何设计一套曲线牵引系统，使得调车作业安全顺畅是工艺设计的重点和难点。

3 曲线牵引系统的原理及组成

3.1 曲线牵引系统的原理

通过沿弧形轨道按相同的曲率均匀布置一定数量的水平挡轮，铁牛车在牵引钢丝绳的牵引下经过这些水平挡轮时，形成一个与圆弧轨道内接的多边形，通过合理的组合构件设计，使得铁牛车获得足够的切向牵引力，保障列车沿轨道方向行驶，在水平轮组的引导下完成转弯，从而使得曲线牵引成为可能。

3.2 曲线牵引系统的组成

本曲线牵引系统包括驱动装置、铁牛车、改向滑轮、钢丝绳、重锤张紧装置、托辊及水平轮组等部件，系统简图见图2。其中驱动装置是系统的主机，包括电机、减速器、摩擦轮等部件，是该系统的动力源。铁牛车是系统与铁道车辆连接的部件，铁牛车的车钩与列车挂接，下部靠接头与钢丝绳连接，调车绞车带动钢丝绳牵引铁牛进行推车或牵引作业。导向轮安装在调车绞车系统两端或其他部位，其作用就是改变钢丝绳的方向。张紧装置由绳轮、支架组成，有调整绞车松边钢丝绳拉紧、保持张力的作用，保证钢丝绳在卷绳筒绳衬上有较稳定的正压力，促使绞车正常牵引，而不致钢丝绳在卷绳筒上打滑。托辊均匀布置在轨道外侧及内侧，用于平衡钢丝绳载荷、防止钢丝绳与道床的摩擦，减小钢丝绳的下垂张力。

图2 曲线牵引系统简图

水平轮组是曲线牵引系统特有的组件，由1个水平挡轮和1个平托辊组成(见图3)。其中水平挡轮承受钢丝绳转向的径向力，在水平轮上设U型绳槽，增大水平轮受力面，局部受力减小，以增加水平轮和钢丝绳的寿命。平托辊同一般的托辊，紧靠水轮轮布置，使得钢丝绳在水平轮处不下垂，保证钢丝绳在经过水平轮时能准确的绕进绳槽中。

图3 水平轮组

4 曲线牵引系统设计

4.1 牵引力及张力计算

调车绞车牵引力主要用于克服装车作业中的运行阻力，使得列车稳定运行。通过对作业过程分析，运行阻力分为列车运行阻力和钢丝绳摩擦及缠绕阻力两部分。

根据《铁路工程技术手册》和《列车牵引计算规程》，作用在列车上的阻力与其质量成正比，故在计算中采用单位阻力来计算总阻力。

4.1.1 列车单位阻力计算

按阻力性质分为基本阻力、附加阻力和启动阻力3类。

列车单位基本阻力为：

ω0=a+bv+cv2

(1)

式中，ω0为列车单位基本阻力，N/kN；a、b、c为阻力系数；v为列车运行速度，km/h。经计算本项目基本阻力为1.071 N/kN。

列车单位附加阻力决定于线路情况及气候条件等。气候条件引起的附加阻力目前尚无可靠计算方法，因此附加阻力仅计算坡道附加阻力、曲线附加阻力、隧道空气附加阻力，在单位阻力计算时予以考虑适当放大。本项目为平置曲轨，仅包含曲线附加阻力。

根据《列车牵引计算规程》，本项目曲线段较短，曲线附加阻力为：

(2)

式中，ωr为列车单位曲线附加阻力，N/kN；R为曲线段半径；lr为曲线段长度；l为列车长度。经计算，曲线附加阻力为0.3 N/kN。

列车单位启动阻力是车辆在起动阶段产生因惯性等原因产生的阻力:

ωq=3+0.4i

(3)

式中，ωq为列车单位启动阻力，N/kN；i为轨道坡度，本工程无坡度。根据《列车牵引力计算规程》，当启动阻力计算值小于5 N/kN时，应按照5 N/kN来考虑，故列车单位启动阻力为5 N/kN。

综上，通过上述各阻力的分析计算，并考虑低温、逆向、侧向大风等气象原因单位阻力增加10%～20%，本项目列车单位运行阻力为：ω=1.2×(ω0+ωr+ωq)≈8 N/kN。

4.1.2 列车阻力计算

根据车辆自重22.5 t；铁道车辆载重70 t；则铁道车辆总重92.5 t；车列共计52节车厢，车列总重G=4 810 t。列车运行阻力W=ωWg=384.8 kN。

4.1.3 总运行阻力计算

从前述分析，调车绞车工作总阻力包含列车运行阻力和钢丝绳摩擦阻力，运行总阻力：

W总=W+2fqgl

(4)

式中，W总为总运行阻力，kN；W为列车运行阻力，kN；f为钢丝绳摩擦系数,取0.03；q为钢丝绳每米重量，kg/m；L为牵引长度，为800 m。经计算牵引系统总阻力为390 kN。

4.1.4 牵引力

根据上述计算所得的装车系统总运行阻力，设置安全系数为1.2，机械传动效率0.85，计算得所需的总牵引力为550 kN。

4.1.5 钢丝绳张力

由于钢丝绳与绞车摩擦卷筒为摩擦传动，符合挠性体摩擦牵引传动的欧拉公式，故钢丝绳与卷筒相遇点处张力最大，根据欧拉公式，钢丝绳最大张力F计算如下：

(5)

式中，FU为圆周驱动力，kN；μ为钢丝绳与卷筒之间摩擦系数；φ为钢丝绳在卷筒上的围包角。经计算钢丝绳上最大张力为825 kN。

4.2 水平轮组布置设计

通过沿轨道曲率设置水平轮组，使得曲线牵引成为可能，但水平轮组如何布置决定了牵引系统工作的可靠性。轮组布置的越多，则牵引钢丝绳越接近轨道弧线，运行越可靠，但大大增加了工程量，同时也增加了运行阻力，故需对水平轮组的布置进行合理布置。

4.2.1 曲线脱轨条件与脱轨系数

当铁牛车在钢丝绳牵引下经过弧段铁路时，钢丝绳绕过水平轮处的牵引张力和轨道的方向存在一个夹角，使得钢丝绳上的牵引力在垂直于轨道方向产生一个微小的径向力。当这个径向力大到一定程度时，会使得车轮与轨道接触，产生脱轨的风险。

当车轮轮缘贴靠曲线钢轨且轮轨为点接触时，车轮处于脱轨的临界状态，此时横向导向力Y与车轮荷载Q均作用在此点上(见图4)。依据《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T5599-2019)，脱轨系数K通过轮轨横向力和轮轨垂向力的比值来表示，一般应不大于0.8。

图4 轮轨作用力受力示意图

(6)

式中，Y为轮轨横向力；Q为轮轨垂向力。

4.2.2 水平轮组布置设计

当铁牛车在钢丝绳的牵引作用下经过水平轮组时，钢丝绳张力与圆弧轨道切线方向存在一个夹角γ，夹角的大小取决于水平轮的布置情况，将钢丝绳上的张力向圆弧的切向和径向分解(见图5)。此时径向力通过铁牛车轮作用在单侧的轨道上，产生前述的轮轨横向力，由于单侧轨道上布置2个车轮，轮轨横向力是径向分力的一半。轮轨垂向力为铁牛车轮压。

图5 水平轮组受力示意图

通过上述分析，按照脱轨系数规范要求则有

(7)

式中，F为钢丝绳上最大张力，kN；G为铁牛车自重，kN；γ为两水平轮对应的圆弧角。

经计算，为保证铁牛车在运行中不因钢丝绳产生的径向分力而脱轨，要求水平轮组间最大铁路弧段长度为7.4 m，即水平轮组的布置间距不得大于7.4 m。本项目设计考虑沿弧段轨道每隔5 m弧长布置一组水平轮组。

5 结语

某港区原有铁路线受局限，无法按常规的直线铁路设计布置装车设施，现场唯一可利用的是一段带弧线段的铁路线。本文通过对绞车牵引系统针对性的设计，使得在弧段铁路上布置装车楼成为可能。该设计可供同类项目借鉴。