杜廣宇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司通號處,武漢 430063)

1 概述

異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)是高速鐵路防災安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分[1～2]。在法國、日本、西班牙等國家的高速鐵路系統(tǒng)中均裝設了異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)[3～6],在石武客運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,都裝設了異物侵限系統(tǒng),用以及時監(jiān)測出異物侵入鐵路限界的險情,給將要通過的列車以足夠的預警時間,從而及時停車,保障乘客和列車的安全。

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

2 公跨鐵橋梁上侵限物體運動分析

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,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)測出的可能性較大。但如果車輛僅與橋梁側(cè)面護欄擦碰,車上貨物墜落,貨物卻有可能繞過水平監(jiān)測網(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方向進入鐵路限界,這是十分危險的。

圖1 落物運動方向示意

在石武客運專線防災系統(tǒng)設計時,對水平雙電網(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)范僅給出了對雙電網(wǎng)傳感器長度的最低要求,那么水平防護網(wǎng)外形變化時,其防護能力如何變化呢?本文嘗試用平拋運動[10](其他運動可轉(zhuǎn)化為平拋運動)從水平和垂直橋梁縱斷面兩個運動方向?qū)﹄p電網(wǎng)的防護能力進行分析。

2.1 落物運動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,設監(jiān)測電網(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,假設運動物體和電網(wǎng)p相切后繼續(xù)運動,在H段下落,物體水平移動的距離為d-w。物體在h段下落時間為t1,在H段下落時間為t2

平拋運動時,物體水平方向運動的速度不變,因此有公式

那么,物體從距離水平防護網(wǎng)h高度以速度v平拋時,當距離電網(wǎng)邊緣距離小于l時,當物體運動速度v≥v0時,物體會被水平防護網(wǎng)監(jiān)測到,同樣當物體運動速度v＜v0時,運動物體雖可能繞過水平監(jiān)測網(wǎng),但不會進入鐵路限界,所以上述兩種情況都是安全的。但若物體拋出點在l以外,并且物體以v≥v0的速度拋出時,該拋出物體就有侵入鐵路限界的危險。這里定義l為防護網(wǎng)的安全防護范圍,并定義v0為該安全防護范圍下的安全速度。

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

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

表1 h與防護范圍l間關系

表1顯示,隨著h增大,物體拋出點高度的增加,水平防護網(wǎng)防護范圍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,同時提高水平網(wǎng)監(jiān)測能力。

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

表2 H與防護范圍l間關系

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

我公司通過對堵截式澆注系統(tǒng)的研究、設計，并通過MAGMA溫度場模擬對比分析、試驗跟蹤及不斷改進，最終在磨輥體、齒圈、輪帶等大型鑄鋼件上成功應用。經(jīng)生產(chǎn)驗證統(tǒng)計，采用堵截式澆注系統(tǒng)后，生產(chǎn)的鑄件UT檢測合格率有顯著提高，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)的應用，在提高鋼液收得率、降低成本的同時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)的實際情況。

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

表3 速度與防護網(wǎng)間關系

2.2 落物運動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,設防護網(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之間的關系

按落物與防護網(wǎng)的邊緣相切考慮,上式取等號,得到下式

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

根據(jù)現(xiàn)行水平網(wǎng)外形的設計要求,取參數(shù)w=1.5 m,d=0.5m,h=3m,θ=45°,計算得到典型參數(shù)下 ,當拋出物速度v不大于10.8km/h時,水平防護網(wǎng)可以攔截和檢測。

3 水平網(wǎng)外形的改進

對于平行橋梁縱斷面運動的物體,因為垂直防護網(wǎng)的存在,以及該方向速度分量較小(撞擊角度較小)等因素,故可認為該方向運動的落物能被水平防護網(wǎng)有效地阻擋。

對于垂直橋梁縱斷面運動的落物,其拋出點可能在垂直防護網(wǎng)防護范圍之外,故有較大可能性繞過防護網(wǎng),侵入限界。考慮通過改進水平防護網(wǎng)外形以增大防護范圍。防護網(wǎng)改進后,如圖4所示(豎直防護網(wǎng)未畫出),將水平防護網(wǎng)的兩端向下傾斜,改進后防護能力分析見圖5。

圖4 改進后水平網(wǎng)外形

圖5 改進后水平網(wǎng)運動分析

如圖5所示,改進后的水平網(wǎng)邊緣向下傾斜的角度為α,傾斜部分的長度為d-w,物體以水平速度v拋出,與水平網(wǎng)在p′點相切后繼續(xù)運動,落在鐵路限界邊緣。由運動學得到公式

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α=0時(水平網(wǎng)保持現(xiàn)有外形)

當α=45°時(水平網(wǎng)外形改進后)

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

4 結(jié)論

結(jié)合上面的分析,水平防護網(wǎng)在設計時應該從以下幾個方面進行優(yōu)化。

(1)水平防護網(wǎng)對側(cè)面運動來的物體防護能力比較薄弱。有高速車輛通過的橋梁,適當增加水平防護網(wǎng)的水平長度,以提高防護范圍。

(2)如果條件允許,適當加高橋梁兩側(cè)垂直防護網(wǎng),延長垂直防護網(wǎng)鋪設長度,可提高水平網(wǎng)防護能力。

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

(3)如果條件允許,將水平網(wǎng)外形設計成兩側(cè)沿一定角度下傾的形式,能明顯提高防護網(wǎng)防護范圍。

[1] 鐵建設[2005]140號,新建時速 200～250km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定[S].

[2] 鐵建設[2007]47號,新建時速300～350km客運專線鐵路設計暫行規(guī)定[S].

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

[4] 郭奇園,楊 林,王小鐵.客運專線綜合防災安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].鐵路計算機應用,2007,16(7):21-23.

[5] 張新芳.高速鐵路、客運專線防災安全監(jiān)控系統(tǒng)設計探討[J].鐵道工程學報,2006(2):71-73.

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

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

[8] 高云凱,彭和東,張榮榮.集裝箱汽車列車與橋梁護欄碰撞分析[J].同濟大學學報,2005,33(1):112-115.

[9] 鐵道部客運專線技術部.客運專線防災安全監(jiān)控系統(tǒng)總體技術方案(暫行)[S].

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