钢铁企业总图运输设计中使用小半径曲线铁路设计方案的研究

摘要： 近年来，随着钢铁企业升级改造及新建钢铁厂用地日益紧张，铁路曲线半径问题在钢铁厂总图运输设计中显得尤为重要。论述突破规范规定数值而采用小半径铁路曲线设计的理论依据，给出相应的应用原理及施工和生产管理中应注意的问题。

关键词： 小半径；铁路；曲线；设计；应用

中图分类号：U216.42 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0520068－02

1 钢铁企业铁路运输回顾

众所周知，我国在上世纪六、七十年代左右，建设了大批中小型钢铁厂，其规模大都在50～100万吨/年左右，由于铁路运输方式具有载重量大、运行成本低、对运输货物适应性强等优势，因此一直是钢铁企业内部物料转移、原燃料运入、产品与废渣运出的主导方式。但是，铁路运输的灵活性差，线路限制条件多，钢铁企业总平面布置往往受限于铁路线路设计规范的要求，特别是最小曲线半径的规定，不但增加了主要生产车间之间的距离以满足相关规定，也加大了厂区占地面积和建设费用，并使生产运营费用也相应加大。我国钢铁企业厂内铁路线路占地面积占总用地面积的比例高达30%。

经过几十年的发展，特别是改革开放后的三十年来，随着我国钢铁产品需求量的增加以及钢铁生产的技术进步，各大钢铁企业都在积极寻求扩大产能，改造工艺流程。同时，土地制约因素对钢铁企业的发展影响越来越明显，变革铁路运输的要求十分迫切。“紧凑性”总图布置成为了总图运输设计发展的方向。

与“紧凑性”总图布置相关联的首先是钢铁工业工艺技术的重大变革。这方面集中表现在生产工艺的连续化和设备的大型化。如：炼钢“连铸”代替了“车铸”：取消了炼钢与轧钢（初轧）之间的整模间、脱模间、涂油间、扫模间，这样总图运输设计由于工艺技术的变化而得以“紧凑化”，大量的铁路和车场等设施被取消。

与“紧凑性”总图布置相关联的另一个技术变革来源于运输方式的多样化，如：“铁前三场”（综合原料场、烧结、焦化）和炼铁各设施之间由原来使用的铁路运输方式逐步改为胶带机运输方式，尤其是辊道运输方式的采用，改变了炼钢连铸车间与轧钢车间的相互位置，满足了工艺需要，使两者形成为“门”接“门”的配置。

通常来说，旧有钢铁厂的改扩建，最大的限制条件就是场地和现有建构筑物的限制。因此，小半径曲线铁路设计方案的应用，使现有中小型钢铁企业升级工作成为可能。这样可以避免简单淘汰中小型钢铁企业造成的社会资源的巨大浪费，或新建大型钢铁企业产生的重复投资，通过技术创新使中小型钢铁企业升级，是实现国家用先进高效产能替代落后产能的最佳方式。这就使得设计部门不得不考虑通过合理的技术手段对旧有钢铁厂进行改造扩建，以满足钢铁厂扩大产能、技术革新的需求。

虽然由于钢铁工业工艺技术的变革和运输方式的多样化使得铁路运输作为钢铁企业内部物料转移、原燃料运入、产品与废渣运出主导方式的地位有些下降，但是由于铁水属于高温、液态金属，具有高危险性，铁水罐车容量又特别大（65～140t），而且铁水运输频率高，1000m3以上高炉日出铁12～14次，加上倒调罐车等作业频繁，铁水的运输依然沿袭着铁路运输方式。因此，这类铁路运输方式如何适应“紧凑性”总图布置要求就更显迫切。

2 铁路设计研究背景

2002年2月唐山某钢铁厂拟建设二炼钢项目以扩大产能，当时该厂已建成的高炉、炼钢车间，均已正常生产，并已形成与之相匹配的铁水运输系统。在此基础上新上二炼钢项目只能将原有炼钢车间顺向延长112m，增加一座转炉，以增加炼钢产量。为适应炼钢车间延长的需要，必须对原有铁水运输线路进行改造，在这种情况下由于场地限制，如果继续按照规范要求，冶车线最小曲线半径达到150米，设计工作将无法开展。

类似唐山这种在原有基础上进行扩建，而必须突破规范，采用小半径曲线（曲线半径60～100m）线路设计方案的案例，在我国钢铁工业现阶段发展方式中很具代表性。因此，开展小半径曲线线路设计方案研发具有很广泛的推广价值。对旧有钢铁厂的改造、扩建是一项革命性的突破。

3 研究的技术原理

机车车辆通过曲线时，车轮作用于钢轨的横向水平力共有三种：一是通过曲线时产生的导向力；二是未被平衡的离心力的水平分力；三是机车车辆摇摆及蛇行运动产生的惯性力的水平分力。尤其是在机车车辆通过特小半径曲线时，钢轨将承受更大的横向水平力，从而使钢轨出现较大的侧面磨耗，加速了钢轨的更换周期。如果横向水平力过大，则可能使外轨移动或倾覆。虽然通过采取一些轨道加强措施，如设置单侧或双侧护轮轨、以及为设置护轮轨而增设的间隔铁、轨撑、垫板和各种连接件的固定，设置有防爬器和轨距杆等，可以起到加强轨道的整体框架的作用，但是，根据轮轨间的内接条件，当加宽值超过一定界限时，有可能使一侧车轮1/10坡度段的轮踏面置于轨头侧面小圆弧处，在各种最不利条件存在时，就有可能引起车轮掉道，影响行车安全。因此，设计前进行了如下五项理论计算：曲线加宽值，轮轨掩盖宽度（x）；车轮在内外护轮轨工作面间被卡住的边界条件；外轨磨耗程度的数学模型；车轮在轮缘槽内被卡住的边界条件，以从理论上保证行车安全。

3.1 曲线加宽值

按60米半径计算，其他半径的线路作为验算并辅以说明。

根据规程，通过这些线路的行车速度：重车不超过10km/h；空车不超过15km/h。

① 按静力自由内接计算加宽值

计算形成的条件：固定轴距两端的外轮轮缘全都靠紧外轨（工作边），内轮轮缘与内轨（工作边）间有一定的活动量（在图中的δ），见图；

轨距计算如下：

S‘=tmax+2×hmax+ε+f=1354+2×33+2+34=1456㎜

式中：f-外矢距，当R=60m时，计算值为34mm

于是，轨距加宽值为1456-1435=21㎜

② 同理按静力正常强制内接计算轨距分别为1411、1427，说明轨距最大加宽值为21mm，根据[冶金企业铁路技术管理规程]规定：当曲线半径小于125米时，加宽值为25毫米。故此处加宽值按标准值S加=25㎜。

3.2 计算轮轨掩盖宽度（X）

所谓轮轨掩盖宽度（X）是指在外轨上滚动的车轮外缘至钢轨作用边的宽度，见下图中的Xc。当有诸多不利因素发生时，不得使车轮滑下钢轨，危及行车安全。首先计算最大轨距时，轮轨掩盖宽度（X）的实际数值（此X在图中既是Xc的位置）。然后，将此值与安全临界掩盖宽度（Xc）进行比较，有两种情况：当①X＞Xc时，属于安全范围；当②X＜Xc将危及行车安全，需要设置内、外轨的护轮轨。

计算X值：

X=hmin+tmin+b－Smax=23+1352+140－1466=49㎜

从上述计算结果看

X=49＞Xc=48（从下图中，可看出Xc=48）

可以说，从轨距上考虑已经取得不掉道的保证，因此可以不必设置外护轮轨，但是，从整体结构强度上考虑，如此小半径的线路还是以设置内、外护轮轨为宜。

3.3 车轮在内外护轮轨工作面间被卡住的边界条件

由于设置了内、外护轮轨，则使轮轨间的关系由静力自由内接变成为静力正常强制内接。

分析一：从转向架轮对的构造上考虑轮对与护轮轨工作边间距Th对应关系

Th=T+（f1-f2）=1352＋（8－9）=1351㎜

结论：护轮轨工作边间距Th＜最小轮背距tmin，说明从转向架轮对尺寸考虑，护轮轨不致卡住轮对。

分析二：从轨道结构上考虑

护轮轨工作边间距Tg=Smax－2M=1466－2×70=1326<1352，说明采用轮缘槽宽70㎜时，车轮是可以通过的。

3.4 外轨磨耗程度的数学模型

按内轨车轮背刚好贴住内侧护轮轨工作边，此时的外轨侧的轮缘也正好贴住外轨工作边，按两种最不利情况的组合，分别列出表达式为（见上图）：

Mmax=Smax－hmin－t=1466－23－1352=91

Mmin=Smin－hmax－tmax= 458－33－1354=71

注：Smin=1458是考虑1435加宽25，而在施工中出现负公差（2㎜）

计算结果表明，最大宽度91，最小宽度71。说明两种极端的可能。如取M=91，此时的轨距为

S=M＋hmax＋tmax=91＋33＋1354=1478>1466表明要出现磨损

S=M＋hmax＋tmax=71＋33＋1354=1458<1466表明不会出现磨损

因此，只能用等于或小于Mmin=71的宽度，才能满足外轨不会出现磨损，本研究轮缘槽选取70㎜，故理论上车轮不应该出现磨损。

3.5 车轮在轮缘槽内被卡住的边界条件

依上图，M=hmax－f1＋f2=33－8＋9=34㎜（<70㎜）

说明当轮缘槽宽度小于等于34mm时，车轮会在轮缘槽内被卡住。本研究项目轮缘槽宽度取值为70mm，因此不会被卡住。

4 小半径曲线设计的工程技术措施

通过以上理论计算可知，只要采取必要的工程技术措施，小半径曲线设计方案是可行的，为此，我们在具体工程设计中采用了如下强化设计方案的措施：

1）用轨撑、垫板、间隔铁、螺栓和道钉等轨道结构件联合组成一个曲线轨道结构件，可以共同起到加强曲线轨道的整体框架的作用，增强轨道的整体刚度、保证行车安全。

2）将在最小曲线半径为60米以内走行的内燃机车、一般车辆以及冶金车辆限制在车辆双轴转向架固定轴距在2米以内。

3）小半径曲线轨道结构及施工要求如下：

① 曲线加宽值：曲线加宽值取25㎜。应在曲线切点以前加宽完毕。轨距加宽率1‰。

② 轮缘槽宽度：70㎜。

③ 间隔铁的安设：除曲线头尾处按下图安设外，60米半径的线路每隔1米设一个间隔铁，80～100米半径的线路每隔1.5米设一个间隔铁；注意安设在轨枕之间。

5 小半径曲线线路运行管理措施

由于小半径曲线线路的设计、施工、运行实践经验缺乏，为了确保该设计方案的安全可靠，特别制定了相应的小半径曲线线路运行管理措施。在通车前的试运转阶段要求做好如下试运转工作：

1）空车试运转：用通行本线路的机车牵引正式数量的空车，试运行3～5次；

2）冷物料（可装生铁块、废钢等）满载车列试运转3～5次；

3）每次试运转前后，应予以对比检查及时处理出现的问题，使该线路安全地通行冶金车列（热铁水、热熔渣、热钢坯）。

6 推广应用情况及存在的不足分析

6.1 推广应用情况

小半径曲线线路设计方案在唐山国丰钢铁企业获得成功后，我们又陆续将小半径曲线线路设计方案应用于如下工程：山东寿光巨能特钢公司的二期扩建工程（铁路曲线半径65m），苏州苏信铸钢公司高炉节能降耗技改工程（铁路曲线半径80m），青岛钢铁公司转炉改造工程（铁路曲线半径80m），包钢炼钢厂转炉改造工程（铁路曲线半径100m，运行260t鱼雷型混铁车）。这五项工程采用小半径曲线线路设计方案后，现场反馈情况良好，证明小半径曲线设计方案的理论计算与实际运行是相吻合的，在钢铁企业总图运输设计中是科学可行的。

6.2 存在的不足分析

1）小半径曲线线路设计方案获得成功的前提在于强化了线路施工的工程技术措施，但是设计没有设置外轨超高，根据现场使用情况，设置外轨超高，是减少磨耗的一个重要手段，因此在今后的设计中，根据理论计算，应增加设计外轨超高，以减少磨耗。

2）对运行车辆限制在车辆双轴转向架固定轴距在2米以内，由此带来两个问题：

① 由于对机车、车辆有所限制，因此线路通过能力较大曲线半径线路设计方案有所下降。本设计方案在与大型高炉（3000m3以上）配套方面还有一定的难度，主要是运行的机车困难。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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