Khảo sát và thiết kế đường sắt part 5 doc

+ ðộ hao mòn của ray w phụ thuộc cường ñộ vận chuyển, bán kính ñường cong, chiều dài khung cứng toa xe, vận tốc chạy tàu, tải trọng trục.... vậy ñể ñảm bảo ñộ êm thuận của chuyển ñộng cầ

R

1

§ B

Hình 4- 2 ðường thẳng và ñường cong

δ - góc phương vị (theo kim la bàn trong máy kinh vĩ) quay theo chiều kim ñồng hồ : δ = 0 ÷ 3600

b ðường cong: dùng khi tránh chướng ngại, tránh vùng ñịa chất xấu hoặc giảm

khối lượng công trình

ðường cong có thể là ñường cong tròn hoặc ñường cong có hoà hoãn

Thông số của mỗi ñường cong là góc chuyển hướng α (0, rad), bán kính ñường cong R (m), hướng rẽ (phải hoặc trái), chiều dài ñường cong hoà hoãn L0 (m)

Các yếu tố ñường cong ñược xác ñịnh như sau:

Hình 4- 3 a ðường cong tròn; b ðường cong có hoà hoãn

δ - lượng dịch trong khi có ñường cong hoà hoãn

Lưu ý: Công thức tính các yếu tố ñường cong trên ñường cong có hoà hoãn là công thức gần ñúng

Các yếu tố ñường cong ñược tính sẵn trong bảng cắm ñường cong, khi thiết kế cần phải ghi ñầy ñủ các yếu tố ñường cong trên bình ñồ cũng như trên trắc dọc

c Những nhược ñiểm của ñường cong bán kính nhỏ

- Hạn chế vận tốc chạy tàu: vận tốc chạy tàu qua ñường cong phụ thuộc vào siêu cao ray lưng, vào ñiều kiện ổn ñịnh và bền vững của ñường cong, ñầu máy toa xe, vào ñiều kiện ñảm bảo tiện nghi cho hành khách Do vậy nếu vận tốc chạy tàu qua ñường cong giảm so với ñường thẳng thì thời gian chạy tàu tăng dẫn ñến chu trình ñầu máy toa xe kéo dài và làm tăng số lượng ñầu máy toa xe Mặt khác do hãm tàu làm tiêu phí ñộng năng dẫn ñến chi phí vận chuyển tăng Vận tốc tối ña khi tàu vào ñường cong có thể tính theo công thức sau:

[αlt] - gia tốc ly tâm dư cho phép (m/s2)

S1 - cự ly giữa hai trục ray (m)

Vmax = 4,1 R (km/h) (4- 10)

V giíi h¹nK

V

22

Hình 4- 4 Hạn chế vận tốc chạy tàu khi qua đường cong bán kính nhỏ

Bảng 4- 1 Vận tốc lớn nhất qua đường cong theo bán kính

4,1 R 65 75 80 85 90 100 110 120 130 145 160

Tương lai dự kiến muốn tăng vận tốc tầu lên 100 km/h thì bán kính đường cong trịn R ≥ 500m, muốn tăng vận tốc tàu khách lên 120 km/h thì R ≥ 700m Trường hợp thơng thường trong khu gian sử dụng bán kính sau: 4000, 3000, 2500, 2000, 1800,

1500, 1200, 1000, 800, 700, 650, 600, 550, 500, 450, 400, 350 ,300, 250, 200, 150,

100 m

ðường 1435 mm quy định Rmax = 4000 m

ðường 1000 mm quy định Rmax = 3000 m

- Giảm hệ số bám lăn giữa bánh xe đầu máy với ray ϕk do trên đường cong ray ngồi và ray trong cĩ độ dài khơng bằng nhau nên cĩ hiện tượng bánh ngồi vừa lăn vừa trượt dẫn đến sức kéo bám của đầu máy bị giảm và cĩ khi phải giảm bớt khối lượng đồn tàu

Fk ≤ 1000Ψk∑P g (N)

Trong đĩ ∑P - khối lượng bám của đầu máy

Theo tài liệu thí nghiệm của Viện nghiên cứu khoa học đường sắt Liên bang Nga thì

R = 400 m ; Ψ giảm 7,5 %

R = 300 m ; Ψ giảm 14 %

R = 200 m ; Ψ giảm 22 %

- Tăng duy tu bảo quản kiến trúc tầng trên

+ R giảm nên ray chĩng mịn do bánh trượt trên ray lực ly tâm đẩy ngang

+ ðộ hao mòn của ray w phụ thuộc cường ñộ vận chuyển, bán kính ñường cong, chiều dài khung cứng toa xe, vận tốc chạy tàu, tải trọng trục

+ Trong ñường cong bán kính nhỏ tà vẹt và phụ kiện phải tăng và chóng hỏng

(mm /triÖu tÊn t¶i träng)

w2

R (m)

Hình 4- 5 ðồ thị biểu diễn hao mòn ray theo bán kính

- Chi phí sửa chữa ñầu máy và toa xe tăng chủ yếu do chi phí cho các bộ phận chuyển ñộng như vành ñai bánh xe

- Làm cho ñường bị dài thêm ra

T

T T T

2

1 K

Ví dụ: Rhc = 75 m cho ñầu máy loại nhỏ; Rhc = 150 m cho ñầu máy loại lớn

Bảng 4- 2 Bán kính nhỏ nhất ở chính tuyến

Thứ

tự Khổ ñường Cấp ñường

ðịa hình thông thường

ðịa hình khó khăn

ðịa hình ñặc biệt khó khăn

4.1.3 ðường cong hoà hoãn (ñường cong chuyển tiếp).

a Tác dụng của ñường cong hoà hoãn

ðể các lực phụ (chủ yếu là lực ly tâm) không phát sinh ñột ngột khi tàu chạy từ ñường thẳng vào ñường cong và ngược lại hoặc chuyển từ ñường cong nọ sang ñường cong kia

Hình 4- 7 ðường cong hoà hoãn

Thực hiện siêu cao ray lưng

o KT'

o T§

o L

Hình 4- 9 Nới rộng cự ly trên ñường cong hoà hoãn

b Chiều dài ñường cong hoà hoãn

L0 =

i h

(ñường 1435 mm khi lấy S1=1,5m) (4- 13)

Trong ñó: h - siêu cao ray lưng

Vmax - vận tốc lớn nhất của tàu khi qua ñường cong

R - bán kính ñường cong

i - ñộ vuốt dốc siêu cao

Chiều dài ñường cong hoà hoãn L0 phải thoả mãn các ñiều kiện sau:

+ ðộ vuốt dốc siêu cao phải ñảm bảo ñể bánh xe ở trục sau không bò lên mặt ñỉnh ray bụng, muốn vậy:

i0 = 1‰ với ñường 1435 mm ; ñường cải tạo i0 = 2‰

i0 = 2‰ với ñường 1000 mm ; ñường cải tạo i0 = 2,5‰

+ Vận tốc nâng cao bánh xe ray lưng không phát triển quá nhanh, muốn vậy:

khi f0 = 35 mm/s thì K =

8

1 km/h

f0 - vận tốc nâng cao bánh xe cho phép

i2 =

V

f V dt

dh vdt

dh ds

.1 = 0

0 10

20

15 15

Bảng 4- 5 Chiều dài hoà hoãn (ñường 1435 mm quốc gia)

Chiều dài hoà hoãn L0 (m) ST

Bảng 4- 6 Chiều dài hồ hỗn (đường 1000 mm)

Chiều dài đường cong hồ hỗn L0 (m) ST

T R (m) ðường chủ yếu ðường thứ yếu ðường chuyên dụng

4.1.4 ðoạn thẳng giữa hai đường cong.

Khi thiết kế bình diện đường sắt trong những trường hợp khĩ khăn thường phải

bố trí đường cong liên tiếp nhau và đoạn thẳng giữa hai đường cong rất ngắn thậm chí là khơng cĩ Chuyển động của đồn tàu qua những đường cong này khơng được

êm thuận và an tồn, làm xuất hiện những dao động của đầu máy toa xe và gắn liền với nĩ là gia tốc gây bất tiện cho hành khách, cũng như làm xuất hiện những lực gây bất lợi đến tác động qua lại giữa đầu máy toa xe và đường Vì vậy đoạn thẳng giữa hai đường cong phải đủ dài để dao động tắt dần và ổn định trước khi đồn tàu vào đường cong tiếp theo

Khi chuyển động trên đường cong hồ hỗn do vuốt siêu cao ray ngồi làm quay đầu máy toa xe quanh trục dọc của nĩ Trên những đường cong ngược chiều sự quay này vẫn tiếp tục cùng một hướng khi chạy từ đường cong này sang đường cong khác (xem hình 4.10a) Khi khơng cĩ đoạn thẳng ở giữa hai đường cong trái chiều sự quay nĩi trên khơng bị gián đoạn và vẫn đảm bảo độ êm thuận chuyển động

Trong trường hợp hai đường cong cùng chiều hướng quay của đầu máy toa xe khi chuyển từ đường cong này sang đường cong khác thay đổi (xem hình 4.10b), vì

vậy ñể ñảm bảo ñộ êm thuận của chuyển ñộng cần ñoạn thẳng ñệm giữa hai ñường cong với chiều dài cần thiết

Hình 4- 10 Chuyển vị góc của ñầu máy toa xe theo trục dọc khi chuyển ñộng

qua các ñường cong:

a ngược chiều ; b cùng chiều

Ở một số nước như ðức, Áo người ta thường nối các ñường cong ngược chiều

mà không cần ñoạn thẳng ñệm, lúc này vuốt siêu cao ñược thực hiện trên cả hai ray (xem hình 4-11) giống như ở các nước Liên Xô cũ dùng trong hầm và ñường tàu ñiện ngầm

Hình 4- 11 Sơ ñồ nối các ñường cong ngược chiều không có

ñoạn thẳng ñệm và vuốt siêu cao theo cả hai ray:

a bình diện ; b trắc dọc ñỉnh ray Phân tích tài liệu của nước ngoài thấy rằng với ñường cong ngược chiều nếu ñủ ñặt ñoạn thẳng ñệm nên thiết kế ñoạn thẳng ñệm, nếu ñoạn thẳng ñệm quá ngắn thì

bỏ ñoạn thẳng ñệm và kéo dài ñường cong chuyển tiếp sẽ có lợi hơn

ðể xác ñịnh chiều dài ñoạn thẳng ñệm giữa hai ñường cong hoà hoãn người ta thường dùng công thức sau:

n - hệ số thường dùng trên ñường sắt của các nước: n = 2 ÷ 5

Công thức trên nhận ñược từ ñiều kiện tắt dần các dao ñộng ngang sau q chu kỳ với tần số dao ñộng riêng q1

d =

1

6,

dụ nhỏ hơn hay bằng siêu cao của ñường cong có R = 2000m) thì có thể trực tiếp nối chúng với nhau

2000

111

2 1

h1, h2 - siêu cao của ñường cong

i - ñộ vuốt dốc siêu cao tính theo Vmax của ñường cong có bán kính nhỏ hơn

Quy định về chiều dài đoạn thẳng đệm giữa hai đường cong cùng chiều và ngược chiều được đưa ra trong các quy phạm thiết kế kỹ thuật đường sắt khổ 1435

K min

TC0α

Lo/2

Hình 4- 12 ðoạn cong trịn Kmin cĩ siêu cao khơng đổi

ðể đặt được đường cong hồ hỗn cần cĩ điều kiện:

α0 ≥

R

π

180(L0 + Kmin) =

R

3,57(L0 + Kmin) (4- 22) Trong đĩ: Kmin - chiều dài đường cong trịn nhỏ nhất cần thiết để đồn tàu chuyển động được êm thuận, lớn hơn cự ly cứng nhắc lớn nhất của toa xe, thường

Kmin = 14 m cho đường 1435 mm và đường 1000 mm

Trường hợp biết α, L cần tìm bán kính nhỏ nhất để đặt được đường cong hồ hỗn:

Bảng 4- 7 Giới hạn về bán kính R khơng cần đặt hịa hỗn

Cấp đường

Quốc gia Chuyên dụng Quốc gia Chuyên dụng

I > 4000 > 2000 >1000 (chủ yếu) > 500

4.1.6 Những yếu tố bình đồ đường đơi.

Khi thiết kế bình diện đường đơi cần đảm bảo khoảng cách cần thiết giữa hai tim đường - gọi là cự ly giữa hai đường M Trên đường thẳng M khơng nhỏ hơn 4,2m đối với đường khổ 1000mm và 1435mm (theo Quy phạm kỹ thuật khai thác đường sắt Việt nam 1999)

Trên đoạn đường cong theo yêu cầu về khổ giới hạn, để đảm bảo đầu máy và toa xe của các đồn tàu gặp nhau chuyển động được an tồn thì khoảng cách nhỏ nhất giữa hai tim đường là:

Trị số nới rộng ∆ phụ thuộc vào bán kính đường cong và siêu cao ray lưng ðường cong trên đường đơi thơng thường được thiết kế đồng tâm Vì vậy bán kính cong của một đường RI lấy theo quy phạm thiết kế thì bán kính cong của đường cịn lại sẽ là

RII = RI ± M

Chiều dài đường cong chuyển tiếp trên đường đơi lấy theo quy phạm thiết kế phụ thuộc vào bán kính đường cong và khu vực vận tốc cĩ đường kính cong đĩ Việc nới rộng cự ly giữa hai tim đường từ đường thẳng vào đường cong (cĩ lượng nới rộng ∆) được thực hiện trong phạm vi đường cong chuyển tiếp Người ta thực hiện nới rộng cự ly giữa hai tim đường bằng cách dùng đường cong chuyển tiếp của đường trong cĩ lượng xê dịch (xem hình 4-13)

Hình 4- 13 ðảm bảo khổ giới hạn khi nới rộng cự ly giữa hai ñường

Trong trường hợp khi ñường cong của hai ñường nằm trên khu vực vận tốc như nhau (ñặt trên ñoạn bằng dài, trên dốc lồi hoặc dốc lõm) thì theo quy phạm, người ta chọn chiều dài ñường cong chuyển tiếp cho ñường ngoài, rồi sau ñó tính δng và cuối cùng theo công thức (4-25) tìm δtrong

Khi ñã xác ñịnh δtr, chúng ta tìm ñược chiều dài ñường cong chuyển tiếp của ñường trong theo công thức Lo≈ 2+Rδ (4- 26) Theo quy ñịnh trong quy phạm, chiều dài ñường cong chuyển tiếp tính theo (4-26) làm tròn về phía lớn hơn với bội số của 10m

Trong trường hợp tổng quát, trên các ñường có khu vực vận tốc không như nhau, lúc này theo quy phạm người ta chọn chiều dài ñường cong chuyển tiếp cho ñường có khu vực vận tốc lớn hơn (tức là cho ñường mà trên ñó tàu chạy xuống dốc) Sau khi ñã xác ñịnh trị số lượng dịch δ cho trường hợp này, cần tính lượng dịch cần thiết δ cho ñường thứ hai Nếu ñường thứ hai là ñường trong thì trị số δtr ñược tính theo (4-25) Nếu là ñường ngoài thì:

Khi ñã xác ñịnh lượng dịch δ cho ñường thứ hai thì có thể tìm chiều dài ñường cong chuyển tiếp của nó theo công thức (4-26)

Trong trường hợp cá biệt khi ñộ nới rộng ∆ lớn dẫn ñến δng tính theo công thức (4-27) có thể âm hoặc rất nhỏ thì chiều dài ñường cong chuyển tiếp tính theo công thức (4-26) có thể nhỏ hơn trị số cho phép theo quy phạm cho khu vực vận tốc ñó Lúc này cần tính lại và chọn chiều dài ñường cong chuyển tiếp của ñường ngoài theo quy phạm ứng với khu vực vận tốc tương ứng rồi theo các công thức (4-25) và (4-26) tìm δtr và Lo tr

Như hình 4-13, do δtr>δng và Lo tr>Lo ng nên ñiểm Nð của ñường cong trong nằm

xa hơn ñiểm Nð của ñường ngoài về phía ñoạn thẳng ñệm ðiều này dẫn ñến khó khăn khi thiết kế ñường cong liên tiếp trên ñường ñôi trong ñiều kiện bình diện phức tạp, khi mà muốn ñặt ñoạn thẳng ñệm ngắn nhất giữa các ñường cong này

Trong trường hợp trên, nếu chiều dài ñường cong hoàn hòa của ñường trong lớn hơn trị số nhỏ nhất quy ñịnh trong quy phạm theo vùng vận tốc thì có thể giảm chiều dài ñường cong chuyển tiếp của ñường trong Lo tr và lấy bằng chiều dài của ñường ngoài Lo ng nhưng cần phải làm ñể trong phạm vi ñoạn thẳng ñệm giữa các ñường cong hoãn hòa có cự ly giữa hai ñường là 4,2+∆ (hình 4-14)

Hình 4- 14 Các ñường cong liên tiếp trên ñường ñôi

Như vậy ñể có ñoạn thẳng ñệm tối thiểu khi thiết kế ñường cong liên tiếp trên ñường ñôi có thể phải ñể cự ly giữa hai ñường không ñổi trong suốt toàn ñoạn (trên

cả hai ñường cong và ñoạn thẳng ñệm giữa chúng) Cự ly này tương ứng với ñường cong có yêu cầu ñộ nới rộng lớn nhất Giải pháp này ñược chọn chỉ với ñiều kiện nếu tiết kiệm ñược chi phí công trình bằng cách cho các ñỉnh ñường cong gần nhau

4.2 NHỮNG YẾU TỐ TRẮC DỌC ðƯỜNG SẮT

4.2.1 Khái niệm chung.

Các yếu tố trắc dọc đường sắt được xác định bởi trị số dốc, chiều dài dốc và phương pháp nối chúng tại các điểm đổi dốc

Trị số dốc cĩ đơn vị ‰, là tỷ số giữa hiệu số cao độ (m) và chiều dài theo hình chiếu bằng của hai điểm ngồi cùng yếu tố trắc dọc

i = tgα =

L h

B

h

Hình 4- 15 Dốc dọc i Chiều dài yếu tố trắc dọc là chiều dài dốc tính theo hình chiếu bằng

ðiểm giao cắt của các yếu tố trắc dọc liền nhau được gọi là điểm đổi dốc Khoảng cách giữa các điểm đổi dốc liền nhau xác định chiều dài các yếu tố trắc dọc

4.2.2 Phân loại dốc trắc dọc.

Khi thiết kế đường sắt người ta phân ra:

a Các dốc giới hạn: độ dốc lớn nhất của các yếu tố trắc dọc, bao gồm dốc hạn chế ip, dốc cân bằng icb, dốc gia cường igc, dốc quán tính ij

b Các dốc thiết kế (các dốc vận doanh): Dốc thực tế itt, dốc trung bình itb (hay cịn gọi là dốc nắn thẳng trong tính sức kéo), dốc tương đương lực cản đường cong ir, dốc dẫn xuất ik, dốc cĩ hại ich và dốc vơ hại ivh

4.2.3 Dốc hạn chế i p

1 ðịnh nghĩa:

Dốc hạn chế là dốc lớn nhất cĩ chiều dài khơng hạn chế mà trên đĩ tàu hàng với khối lượng tính tốn Q do một đầu máy kéo lên dốc với vận tốc đều và bằng vận tốc tính tốn của đầu máy Vp

Dốc hạn chế và khối lượng đồn tàu cĩ quan hệ sau:

ip =

g Q P

g Qw Pw

F kp

)(

Tuyến ủường sắt Hà Nội - Hải Phũng, Hà Nội - Lạng Sơn , Hà Nội - Lào Cai,

Hà Nội - Sài Gũn (năm 1895 - 1933) ủều thiết kế tuyến với dốc ip = 6‰

2 Ảnh hưởng của ủộ dốc hạn chế tới một số chỉ tiờu

Ảnh hưởng của ip tới chiều dài tuyến: ủộ dốc hạn chế càng nhỏ thỡ chiều dài tuyến càng lớn: i1 > i2
L1 < L2

LL

(% )pi

A (đồng)

(% )

i p

Hỡnh 4- 17 A = f(ip) Ảnh hưởng của ip tới khối lượng ủoàn tàu: qua cụng thức nhận thấy cựng một ủầu mỏy, dốc ip càng lớn thỡ khối lượng kộo ủược càng giảm

(% )

ip

Q (tấn)

Hỡnh 4- 18 Q = f(ip) Ảnh hưởng của ip tới vận doanh phớ E:

E = Ett + Egt (ủồng/năm) Trong ủú: Ett -vận doanh phớ trực tiếp (cỏc chi phớ tỷ lệ với số lượng chuyển ủộng của ủoàn tàu)

Egt -vận doanh phớ giỏn tiếp (cỏc chi phớ trụng nom bảo quản cỏc kết cấu cố ủịnh)

(% )pi

E (đồng/năm)

E

E

gt tt

E

Hỡnh 4- 19 E = f(ip) Nhận xột: - ip cú vai trũ rất quan trọng trong thiết kế

- A và E cú quan hệ ngược nhau với ip

3 Yếu tố quyết ủịnh chọn i p

Chọn ip căn cứ vào:

a í nghĩa tuyến ủường

b Khối lượng và mức ủộ phỏt triển hàng hoỏ chuyờn chở

c ðiều kiện ủịa hỡnh

d ðộ dốc ip của mạng lưới ủường sắt

e Khả năng cung cấp ủầu mỏy và chiều dài sử dụng của ủường ủún gửi ðịa hỡnh càng khú khăn càng nờn sử dụng dốc hạn chế lớn, khối lượng vận chuyển càng lớn càng nờn sử dụng cỏc ủoàn tàu cú khối lượng lớn