杜廣宇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通號(hào)處,武漢 430063)

1 概述

異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)是高速鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分[1～2]。在法國(guó)、日本、西班牙等國(guó)家的高速鐵路系統(tǒng)中均裝設(shè)了異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)[3～6],在石武客運(yùn)專線全線的公跨鐵橋梁、公路鐵路并行地段以及隧道口等處,都裝設(shè)了異物侵限系統(tǒng),用以及時(shí)監(jiān)測(cè)出異物侵入鐵路限界的險(xiǎn)情,給將要通過的列車以足夠的預(yù)警時(shí)間,從而及時(shí)停車,保障乘客和列車的安全。

石武客運(yùn)專線異物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用雙電網(wǎng)傳感器作為檢測(cè)元件[7],電網(wǎng)傳感器設(shè)置在公跨鐵橋兩側(cè)的水平支撐網(wǎng)上,主要討論異物檢測(cè)電網(wǎng)的防護(hù)能力和水平支撐網(wǎng)外形之間的關(guān)系。

2 公跨鐵橋梁上侵限物體運(yùn)動(dòng)分析

車輛或車載貨物的意外墜落[8],是公跨鐵橋上產(chǎn)生落物的主要原因。車輛墜落時(shí),因車輛體積大,并伴隨產(chǎn)生較多碎片,故而與水平電網(wǎng)碰撞,被監(jiān)測(cè)出的可能性較大。但如果車輛僅與橋梁側(cè)面護(hù)欄擦碰,車上貨物墜落,貨物卻有可能繞過水平監(jiān)測(cè)網(wǎng),落入鐵路限界,危及行車安全。如圖1所示,落物可能從垂直或平行于橋梁縱斷面這兩個(gè)方向進(jìn)入鐵路限界,這是十分危險(xiǎn)的。

圖1 落物運(yùn)動(dòng)方向示意

在石武客運(yùn)專線防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)水平雙電網(wǎng)的外形要求如下[9]:

“(1)雙線平行區(qū)段,雙電網(wǎng)傳感器的長(zhǎng)度不小于上、下行線路的外軌外側(cè)間距和由上、下行線路的外軌外側(cè)起向線路外方各延伸5m的長(zhǎng)度之和;(2)雙電網(wǎng)傳感器的寬度不小于1.5m+0.5m(與1.5m部分呈135°夾角)、網(wǎng)格面積不大于1200mm2”。

規(guī)范僅給出了對(duì)雙電網(wǎng)傳感器長(zhǎng)度的最低要求,那么水平防護(hù)網(wǎng)外形變化時(shí),其防護(hù)能力如何變化呢?本文嘗試用平拋運(yùn)動(dòng)[10](其他運(yùn)動(dòng)可轉(zhuǎn)化為平拋運(yùn)動(dòng))從水平和垂直橋梁縱斷面兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向?qū)﹄p電網(wǎng)的防護(hù)能力進(jìn)行分析。

2.1 落物運(yùn)動(dòng)方向與橋梁縱斷面垂直(圖2)

圖2 落物分析示意

如圖2所示,設(shè)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)邊緣至鐵路限界中心線的距離為d,距軌面的高度為H,墜落貨物距水平電網(wǎng)高度為h,鐵路限界的寬度為w(通常是一定的),落物以速度v0拋出,假設(shè)運(yùn)動(dòng)物體和電網(wǎng)p相切后繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在H段下落,物體水平移動(dòng)的距離為d-w。物體在h段下落時(shí)間為t1,在H段下落時(shí)間為t2

平拋運(yùn)動(dòng)時(shí),物體水平方向運(yùn)動(dòng)的速度不變,因此有公式

那么,物體從距離水平防護(hù)網(wǎng)h高度以速度v平拋時(shí),當(dāng)距離電網(wǎng)邊緣距離小于l時(shí),當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度v≥v0時(shí),物體會(huì)被水平防護(hù)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到,同樣當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度v＜v0時(shí),運(yùn)動(dòng)物體雖可能繞過水平監(jiān)測(cè)網(wǎng),但不會(huì)進(jìn)入鐵路限界,所以上述兩種情況都是安全的。但若物體拋出點(diǎn)在l以外,并且物體以v≥v0的速度拋出時(shí),該拋出物體就有侵入鐵路限界的危險(xiǎn)。這里定義l為防護(hù)網(wǎng)的安全防護(hù)范圍,并定義v0為該安全防護(hù)范圍下的安全速度。

防護(hù)范圍l與防護(hù)網(wǎng)的固有參數(shù)H,h,d,w有關(guān),下面就不同參數(shù)與防護(hù)網(wǎng)安全防護(hù)范圍之間的關(guān)系進(jìn)行討論。

(1)H一定,d-w一定,不同大小h與防護(hù)網(wǎng)安全防護(hù)范圍l及安全速度v0的關(guān)系,設(shè)H=8m,dw=5m,則得到表1。

表1 h與防護(hù)范圍l間關(guān)系

表1顯示,隨著h增大,物體拋出點(diǎn)高度的增加,水平防護(hù)網(wǎng)防護(hù)范圍l及速度v0越大。在工程上采取加高豎網(wǎng)的措施,有利于降低拋物概率,同時(shí)提高水平網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力。

(2)h一定,d-w一定,不同大小H與防護(hù)網(wǎng)安全防護(hù)范圍l及安全速度v0的關(guān)系,設(shè)h=3m,d-w=5m,則得到表2。

表2 H與防護(hù)范圍l間關(guān)系

表2顯示,隨著H增大,防護(hù)網(wǎng)距離軌面高度越大,落物繞過水平防護(hù)網(wǎng),進(jìn)入鐵路限界的可能性越大。防護(hù)范圍l及速度v0均減小,這說明對(duì)于較高的公跨鐵橋應(yīng)加大水平防護(hù)網(wǎng)的設(shè)置范圍。

我公司通過對(duì)堵截式澆注系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)，并通過MAGMA溫度場(chǎng)模擬對(duì)比分析、試驗(yàn)跟蹤及不斷改進(jìn)，最終在磨輥體、齒圈、輪帶等大型鑄鋼件上成功應(yīng)用。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)，采用堵截式澆注系統(tǒng)后，生產(chǎn)的鑄件UT檢測(cè)合格率有顯著提高，且鋼液利用率提高3%左右，輪帶的工藝出品率平均提高2.46%，齒圈的工藝出品率平均提高3.9%。堵截式澆注系統(tǒng)的應(yīng)用，在提高鋼液收得率、降低成本的同時(shí)也可以更好地保證了鑄件質(zhì)量。圖3是我公司生產(chǎn)的大型鑄鋼件落砂后的堵截式澆注系統(tǒng)的實(shí)際情況。

(3)H一定,h一定,不同d-w與防護(hù)網(wǎng)安全防護(hù)范圍l及安全速度v0的關(guān)系,設(shè)H=8m,h=3m,則得到表3。表3顯示,防護(hù)網(wǎng)水平方向越長(zhǎng),防護(hù)范圍l及速度v0均增大,防護(hù)能力增強(qiáng)。

表3 速度與防護(hù)網(wǎng)間關(guān)系

2.2 落物運(yùn)動(dòng)方向與橋梁縱斷面平行(圖3)

圖3 垂直落物分析示意

如圖3所示,設(shè)防護(hù)網(wǎng)水平段寬度為w,傾斜段寬度為d,傾斜段傾角為θ,異物水平速度v,h′=h-Δh,t′h=th-Δh,w、d與向上傾角θ之間的關(guān)系

按落物與防護(hù)網(wǎng)的邊緣相切考慮,上式取等號(hào),得到下式

由公式(5)可知:水平電網(wǎng)對(duì)拋出物的攔截速度v與防護(hù)網(wǎng)寬度w成正比,與拋出物拋出點(diǎn)高度h的平方根成反比。

根據(jù)現(xiàn)行水平網(wǎng)外形的設(shè)計(jì)要求,取參數(shù)w=1.5 m,d=0.5m,h=3m,θ=45°,計(jì)算得到典型參數(shù)下 ,當(dāng)拋出物速度v不大于10.8km/h時(shí),水平防護(hù)網(wǎng)可以攔截和檢測(cè)。

3 水平網(wǎng)外形的改進(jìn)

對(duì)于平行橋梁縱斷面運(yùn)動(dòng)的物體,因?yàn)榇怪狈雷o(hù)網(wǎng)的存在,以及該方向速度分量較小(撞擊角度較小)等因素,故可認(rèn)為該方向運(yùn)動(dòng)的落物能被水平防護(hù)網(wǎng)有效地阻擋。

對(duì)于垂直橋梁縱斷面運(yùn)動(dòng)的落物,其拋出點(diǎn)可能在垂直防護(hù)網(wǎng)防護(hù)范圍之外,故有較大可能性繞過防護(hù)網(wǎng),侵入限界?？紤]通過改進(jìn)水平防護(hù)網(wǎng)外形以增大防護(hù)范圍。防護(hù)網(wǎng)改進(jìn)后,如圖4所示(豎直防護(hù)網(wǎng)未畫出),將水平防護(hù)網(wǎng)的兩端向下傾斜,改進(jìn)后防護(hù)能力分析見圖5。

圖4 改進(jìn)后水平網(wǎng)外形

圖5 改進(jìn)后水平網(wǎng)運(yùn)動(dòng)分析

如圖5所示,改進(jìn)后的水平網(wǎng)邊緣向下傾斜的角度為α,傾斜部分的長(zhǎng)度為d-w,物體以水平速度v拋出,與水平網(wǎng)在p′點(diǎn)相切后繼續(xù)運(yùn)動(dòng),落在鐵路限界邊緣。由運(yùn)動(dòng)學(xué)得到公式

其中 ,h′=h+(d-w)sin α,H′=H-(d-w)sin α,l′=l+(d-w)(1-cosα)。

典型參數(shù)令d-w=5m,h=3m,H=8m。

當(dāng)α=0時(shí)(水平網(wǎng)保持現(xiàn)有外形)

當(dāng)α=45°時(shí)(水平網(wǎng)外形改進(jìn)后)

通過上式可知,通過對(duì)水平防護(hù)網(wǎng)外形的優(yōu)化,在其他條件不變的情況下,防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)距離由5.46m增加到10.32m,防護(hù)范圍顯著增加。

4 結(jié)論

結(jié)合上面的分析,水平防護(hù)網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

(1)水平防護(hù)網(wǎng)對(duì)側(cè)面運(yùn)動(dòng)來的物體防護(hù)能力比較薄弱。有高速車輛通過的橋梁,適當(dāng)增加水平防護(hù)網(wǎng)的水平長(zhǎng)度,以提高防護(hù)范圍。

(2)如果條件允許,適當(dāng)加高橋梁兩側(cè)垂直防護(hù)網(wǎng),延長(zhǎng)垂直防護(hù)網(wǎng)鋪設(shè)長(zhǎng)度,可提高水平網(wǎng)防護(hù)能力。

(3)如果條件允許,適當(dāng)降低水平防護(hù)網(wǎng)距離軌面的距離H,能明顯提高防護(hù)網(wǎng)的防護(hù)范圍。

(3)如果條件允許,將水平網(wǎng)外形設(shè)計(jì)成兩側(cè)沿一定角度下傾的形式,能明顯提高防護(hù)網(wǎng)防護(hù)范圍。

[1] 鐵建設(shè)[2005]140號(hào),新建時(shí)速 200～250km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[2] 鐵建設(shè)[2007]47號(hào),新建時(shí)速300～350km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[3] 石耀忠.京津城際軌道交通防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)析[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù),2008,5(4):3-6.

[4] 郭奇園,楊 林,王小鐵.客運(yùn)專線綜合防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2007,16(7):21-23.

[5] 張新芳.高速鐵路、客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006(2):71-73.

[6] 沙玉林.鐵路客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)方案[J].鐵道通信信號(hào),2005,41(10):33-35.

[7] 李 偉.鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院客運(yùn)專線鐵路異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)課題研究報(bào)告[R].武漢:鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院,北京恒業(yè)世紀(jì)科技股份有限公司.2007.

[8] 高云凱,彭和東,張榮榮.集裝箱汽車列車與橋梁護(hù)欄碰撞分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(1):112-115.

[9] 鐵道部客運(yùn)專線技術(shù)部.客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)總體技術(shù)方案(暫行)[S].

[10] 張功學(xué).理論力學(xué)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008:1-88.