公跨铁桥水平防护网防护性能的研究

杜广宇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司通号处,武汉 430063)

1 概述

异物侵限监控系统是高速铁路防灾安全监控系统的重要组成部分[1～2]。在法国、日本、西班牙等国家的高速铁路系统中均装设了异物侵限监控系统[3～6],在石武客运专线全线的公跨铁桥梁、公路铁路并行地段以及隧道口等处,都装设了异物侵限系统,用以及时监测出异物侵入铁路限界的险情,给将要通过的列车以足够的预警时间,从而及时停车,保障乘客和列车的安全。

石武客运专线异物监测系统采用双电网传感器作为检测元件[7],电网传感器设置在公跨铁桥两侧的水平支撑网上,主要讨论异物检测电网的防护能力和水平支撑网外形之间的关系。

2 公跨铁桥梁上侵限物体运动分析

车辆或车载货物的意外坠落[8],是公跨铁桥上产生落物的主要原因。车辆坠落时,因车辆体积大,并伴随产生较多碎片,故而与水平电网碰撞,被监测出的可能性较大。但如果车辆仅与桥梁侧面护栏擦碰,车上货物坠落,货物却有可能绕过水平监测网,落入铁路限界,危及行车安全。如图1所示,落物可能从垂直或平行于桥梁纵断面这两个方向进入铁路限界,这是十分危险的。

图1 落物运动方向示意

在石武客运专线防灾系统设计时,对水平双电网的外形要求如下[9]:

“(1)双线平行区段,双电网传感器的长度不小于上、下行线路的外轨外侧间距和由上、下行线路的外轨外侧起向线路外方各延伸5m的长度之和;(2)双电网传感器的宽度不小于1.5m+0.5m(与1.5m部分呈135°夹角)、网格面积不大于1200mm2”。

规范仅给出了对双电网传感器长度的最低要求,那么水平防护网外形变化时,其防护能力如何变化呢?本文尝试用平抛运动[10](其他运动可转化为平抛运动)从水平和垂直桥梁纵断面两个运动方向对双电网的防护能力进行分析。

2.1 落物运动方向与桥梁纵断面垂直(图2)

图2 落物分析示意

如图2所示,设监测电网边缘至铁路限界中心线的距离为d,距轨面的高度为H,坠落货物距水平电网高度为h,铁路限界的宽度为w(通常是一定的),落物以速度v0抛出,假设运动物体和电网p相切后继续运动,在H段下落,物体水平移动的距离为d-w。物体在h段下落时间为t1,在H段下落时间为t2

平抛运动时,物体水平方向运动的速度不变,因此有公式

那么,物体从距离水平防护网h高度以速度v平抛时,当距离电网边缘距离小于l时,当物体运动速度v≥v0时,物体会被水平防护网监测到,同样当物体运动速度v＜v0时,运动物体虽可能绕过水平监测网,但不会进入铁路限界,所以上述两种情况都是安全的。但若物体抛出点在l以外,并且物体以v≥v0的速度抛出时,该抛出物体就有侵入铁路限界的危险。这里定义l为防护网的安全防护范围,并定义v0为该安全防护范围下的安全速度。

防护范围l与防护网的固有参数H,h,d,w有关,下面就不同参数与防护网安全防护范围之间的关系进行讨论。

(1)H一定,d-w一定,不同大小h与防护网安全防护范围l及安全速度v0的关系,设H=8m,dw=5m,则得到表1。

表1 h与防护范围l间关系

表1显示,随着h增大,物体抛出点高度的增加,水平防护网防护范围l及速度v0越大。在工程上采取加高竖网的措施,有利于降低抛物概率,同时提高水平网监测能力。

(2)h一定,d-w一定,不同大小H与防护网安全防护范围l及安全速度v0的关系,设h=3m,d-w=5m,则得到表2。

表2 H与防护范围l间关系

表2显示,随着H增大,防护网距离轨面高度越大,落物绕过水平防护网,进入铁路限界的可能性越大。防护范围l及速度v0均减小,这说明对于较高的公跨铁桥应加大水平防护网的设置范围。

我公司通过对堵截式浇注系统的研究、设计，并通过MAGMA温度场模拟对比分析、试验跟踪及不断改进，最终在磨辊体、齿圈、轮带等大型铸钢件上成功应用。经生产验证统计，采用堵截式浇注系统后，生产的铸件UT检测合格率有显著提高，且钢液利用率提高3%左右，轮带的工艺出品率平均提高2.46%，齿圈的工艺出品率平均提高3.9%。堵截式浇注系统的应用，在提高钢液收得率、降低成本的同时也可以更好地保证了铸件质量。图3是我公司生产的大型铸钢件落砂后的堵截式浇注系统的实际情况。

(3)H一定,h一定,不同d-w与防护网安全防护范围l及安全速度v0的关系,设H=8m,h=3m,则得到表3。表3显示,防护网水平方向越长,防护范围l及速度v0均增大,防护能力增强。

表3 速度与防护网间关系

2.2 落物运动方向与桥梁纵断面平行(图3)

图3 垂直落物分析示意

如图3所示,设防护网水平段宽度为w,倾斜段宽度为d,倾斜段倾角为θ,异物水平速度v,h′=h-Δh,t′h=th-Δh,w、d与向上倾角θ之间的关系

按落物与防护网的边缘相切考虑,上式取等号,得到下式

由公式(5)可知:水平电网对抛出物的拦截速度v与防护网宽度w成正比,与抛出物抛出点高度h的平方根成反比。

根据现行水平网外形的设计要求,取参数w=1.5 m,d=0.5m,h=3m,θ=45°,计算得到典型参数下 ,当抛出物速度v不大于10.8km/h时,水平防护网可以拦截和检测。

3 水平网外形的改进

对于平行桥梁纵断面运动的物体,因为垂直防护网的存在,以及该方向速度分量较小(撞击角度较小)等因素,故可认为该方向运动的落物能被水平防护网有效地阻挡。

对于垂直桥梁纵断面运动的落物,其抛出点可能在垂直防护网防护范围之外,故有较大可能性绕过防护网,侵入限界。考虑通过改进水平防护网外形以增大防护范围。防护网改进后,如图4所示(竖直防护网未画出),将水平防护网的两端向下倾斜,改进后防护能力分析见图5。

图4 改进后水平网外形

图5 改进后水平网运动分析

如图5所示,改进后的水平网边缘向下倾斜的角度为α,倾斜部分的长度为d-w,物体以水平速度v抛出,与水平网在p′点相切后继续运动,落在铁路限界边缘。由运动学得到公式

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

典型参数令d-w=5m,h=3m,H=8m。

当α=0时(水平网保持现有外形)

当α=45°时(水平网外形改进后)

通过上式可知,通过对水平防护网外形的优化,在其他条件不变的情况下,防护网的防护距离由5.46m增加到10.32m,防护范围显著增加。

4 结论

结合上面的分析,水平防护网在设计时应该从以下几个方面进行优化。

(1)水平防护网对侧面运动来的物体防护能力比较薄弱。有高速车辆通过的桥梁,适当增加水平防护网的水平长度,以提高防护范围。

(2)如果条件允许,适当加高桥梁两侧垂直防护网,延长垂直防护网铺设长度,可提高水平网防护能力。

(3)如果条件允许,适当降低水平防护网距离轨面的距离H,能明显提高防护网的防护范围。

(3)如果条件允许,将水平网外形设计成两侧沿一定角度下倾的形式,能明显提高防护网防护范围。

[1] 铁建设[2005]140号,新建时速 200～250km客运专线铁路设计暂行规定[S].

[2] 铁建设[2007]47号,新建时速300～350km客运专线铁路设计暂行规定[S].

[3] 石耀忠.京津城际轨道交通防灾安全监控系统简析[J].铁路通信信号工程技术,2008,5(4):3-6.

[4] 郭奇园,杨 林,王小铁.客运专线综合防灾安全监控系统的设计[J].铁路计算机应用,2007,16(7):21-23.

[5] 张新芳.高速铁路、客运专线防灾安全监控系统设计探讨[J].铁道工程学报,2006(2):71-73.

[6] 沙玉林.铁路客运专线防灾安全监控系统方案[J].铁道通信信号,2005,41(10):33-35.

[7] 李 伟.铁道第四勘察设计院客运专线铁路异物侵限监控系统课题研究报告[R].武汉:铁道第四勘察设计院,北京恒业世纪科技股份有限公司.2007.

[8] 高云凯,彭和东,张荣荣.集装箱汽车列车与桥梁护栏碰撞分析[J].同济大学学报,2005,33(1):112-115.

[9] 铁道部客运专线技术部.客运专线防灾安全监控系统总体技术方案(暂行)[S].

[10] 张功学.理论力学[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008:1-88.