Giáo trình thiết kế đường sắt - chương 4 Bình đồ và trắc dọc đường sắt doc

Chúng xác định đặc tính của đường sắt về mặt xây dựng và khai thác.Bình diện và trắc dọc đường sắt cần đảm bảo an toàn chuyển động chođoàn tàu có khối lượng tính toán với vận tốc chạy tà

Chương 4 Bình đồ và trắc dọc đường sắtmột số khái niệm

1 Tuyến đường sắt: là đường xác định vị trí không gian của trục dọc

đường sắt tại mức vai đường Trên đường thứ hai hoặc đường sắt có nhiềuđường người ta xác định tuyến cho mỗi đường

Tim

Hình 4- Tuyến đường sắt

2 Bình đồ tuyến: là hình chiếu của tuyến trên mặt phẳng nằm ngang.

Trên bình đồ tuyến là các đoạn thẳng được nối với nhau bởi những đoạncong có góc chuyển hướng khác nhau

3 Trắc dọc: là hình chiếu của tuyến đã được duỗi thẳng ra trên mặt

phẳng đứng Trên trắc dọc tuyến là các yếu tố có độ dốc khác nhau và đượcnối với nhau tại điểm đổi dốc

Các yếu tố bình đồ và trắc dọc nhiều khi được gọi là các yếu tố củatuyến Chúng xác định đặc tính của đường sắt về mặt xây dựng và khai thác.Bình diện và trắc dọc đường sắt cần đảm bảo an toàn chuyển động chođoàn tàu có khối lượng tính toán với vận tốc chạy tàu cho phép lớn nhất, tức

là không được trật bánh và đứt móc Việc thay đổi vị trí tuyến trong khônggian không được gây tác động đột ngột tới đường ray và đầu máy toa xecũng như không gây bất tiện cho hành khách, tức là cần đảm bảo êm thuậnkhi tàu chạy

4.1 Yếu tố bình đồ đường sắt ở khu gian

4.1.1 Đường thẳng và đường cong.

a Đường thẳng: được xác định bằng chiều dài và hướng của nó, chiều

dài đoạn thẳng được tính từ cuối đường cong nọ đến đầu của đường congkia Hướng của một đường nào đó là góc hợp bởi đường đó với một đườngkhác đã được chọn làm gốc Hướng gốc được chọn có thể là kinh tuyến

thực, kinh tuyến từ, kinh tuyến trục của múi Tương ứng với chúng có cáckhái niệm: góc phương vị thực, góc phương vị từ, góc định hướng.

§

1

2 1

Hình 4- Đường thẳng và đường cong

 - góc phương vị (theo kim la bàn trong máy kinh vĩ) quay theo chiềukim đồng hồ :  = 0  3600

ở Nga có đoạn thẳng dài 95km trên tuyến Karbưsevo-Irtưskoe

b Đường cong: dùng khi tránh chướng ngại, tránh vùng địa chất xấu

hoặc giảm khối lượng công trình

Đường cong có thể là đường cong tròn hoặc đường cong có hoà hoãn.Thông số của mỗi đường cong là góc chuyển hướng  (0, rad), bán kínhđường cong R (m), hướng rẽ (phải hoặc trái), chiều dài đường cong hoàhoãn L0 (m)

Các yếu tố đường cong được xác định như sau:

Hình 4- a Đường cong tròn; b Đường cong có hoà hoãn

 - lượng dịch trong khi có đường cong hoà hoãn

Lưu ý: Công thức tính các yếu tố đường cong trên đường cong có hoàhoãn là công thức gần đúng

Các yếu tố đường cong được tính sẵn trong bảng cắm đường cong, khithiết kế cần phải ghi đầy đủ các yếu tố đường cong trên bình đồ cũng nhưtrên trắc dọc

c Những nhược điểm của đường cong bán kính nhỏ.

- Hạn chế vận tốc chạy tàu: vận tốc chạy tàu qua đường cong phụ thuộcvào siêu cao ray lưng, vào điều kiện ổn định và bền vững của đường cong,đầu máy toa xe, vào điều kiện đảm bảo tiện nghi cho hành khách Do vậynếu vận tốc chạy tàu qua đường cong giảm so với đường thẳng thì thời gianchạy tàu tăng dẫn đến chu trình đầu máy toa xe kéo dài và làm tăng sốlượng đầu máy toa xe Mặt khác do hãm tàu làm tiêu phí động năng dẫn đếnchi phí vận chuyển tăng Vận tốc tối đa khi tàu vào đường cong có thể tínhtheo công thức sau:

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

S1 - cự ly giữa hai trục ray (m)

g - gia tốc trọng trường (m/s2)

h - siêu cao ray lưng (m)

R - bán kính đường cong (m)3,6 - hệ số đổi từ m/s ra km/h

ở nước ta hiện nay vận tốc tối đa khi tàu vào đường cong cho cả hai khổđường được tính theo công thức:

Vmax = 4,1 R (km/h)

(4- 0)

V giíi h¹n K

V

2 2

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

Bảng 4- V n t c l n nh t qua ận tốc lớn nhất qua đường cong theo bán kính ốc lớn nhất qua đường cong theo bán kính ớn nhất qua đường cong theo bán kính ất qua đường cong theo bán kính đường cong theo bán kính.ng cong theo bán kính

V max (km/h)

R(m) 250 300 350 400 500 600 700 800 1000 1200 1500

Đường 1435 mm quy định Rmax = 4000 m

Đường 1000 mm quy định Rmax = 3000 m

- Giảm hệ số bám lăn giữa bánh xe đầu máy với ray k do trên đườngcong ray ngoài và ray trong có độ dài không bằng nhau nên có hiện tượng

bánh ngoài vừa lăn vừa trượt dẫn đến sức kéo bám của đầu máy bị giảm và

có khi phải giảm bớt khối lượng đoàn tàu

Fk  1000kPg (N) Trong đó P - khối lượng bám của đầu máy

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

R = 400 m ;  giảm 7,5 %

R = 300 m ;  giảm 14 %

R = 200 m ;  giảm 22 %

- Tăng duy tu bảo quản kiến trúc tầng trên

+ R giảm nên ray chóng mòn do bánh trượt trên ray lực ly tâm đẩyngang

+ Độ hao mòn của ray w phụ thuộc cường độ vận chuyển, bán kínhđường cong, chiều dài khung cứng toa xe, vận tốc chạy tàu, tải trọng trục + Trong đường cong bán kính nhỏ tà vẹt và phụ kiện phải tăng và chónghỏng

(mm /triÖu tÊn t¶i träng)

w

2

R (m)

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

- Chi phí sửa chữa đầu máy và toa xe tăng chủ yếu do chi phí cho các

bộ phận chuyển động như vành đai bánh xe

- Làm cho đường bị dài thêm ra

T T T

Hình 4- Làm cho đường dài thêm ra khi R2 < R1

Nếu  = const và giảm R1 -> R2 thì đường dài thêm ra một đoạn

L = 2(T1 - T2) + K2 - K1 (m) (4- 0)Thường trong thực tế khi R giảm thì luôn tăng  để bám địa hình, do tăng lại càng làm đường dài thêm ra

Địa hìnhthôngthường

Địa hình khó khăn

Địa hình đặcbiệt khókhăn1

1435mm

quốc gia

cao tốc

I ; IIIII

1500700400

1200350300

250200

quốc gia

chủ yếuthứ yếu

400300

200150

150100

4.1.3 Đường cong hoà hoãn (đường cong chuyển tiếp).

a Tác dụng của đường cong hoà hoãn.

Để các lực phụ (chủ yếu là lực ly tâm) không phát sinh đột ngột khi tàuchạy từ đường thẳng vào đường cong và ngược lại hoặc chuyển từ đườngcong nọ sang đường cong kia

Hình 4- Đường cong hoà hoãn.

Thực hiện siêu cao ray lưng

Hình 4- Vuốt siêu cao trên đường cong hoà hoãn

Thực hiện nới rộng cự ly (gia khoan) từ đường thẳng vào đường cong

N§

o T§

o L

Hình 4- Nới rộng cự ly trên đường cong hoà hoãn

b Chiều dài đường cong hoà hoãn.

L0 =

i h

(4- 0)mà: h =

R

V2 max

3,7

hoặc là h =

R

V2 0

8,11

(đường 1435 mm khi lấy

4,8

(đường 1000 mm khi lấy S1=1,07m)(4- 0)

hmax = 95 mmTrong đó: h - siêu cao ray lưng

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

R - bán kính đường cong

i - độ vuốt dốc siêu caoChiều dài đường cong hoà hoãn L0 phải thoả mãn các điều kiện sau:+ Độ vuốt dốc siêu cao phải đảm bảo để bánh xe ở trục sau không bòlên mặt đỉnh ray bụng, muốn vậy:

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

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

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

dh vdt

dh ds

1  0

(4- 0)

Bảng 4- Siêu cao đường cong tính theo h max = 125 mm

(đường cong theo bán kính.ng 1435 mm)

60504035

95756555

11090125

504040353030252525202020201515101010

807060555045404035353030302525201515151010

1059585757060555550454540403530252520201010

120110959080757065605550505040353025251510

125110105959080757070656050454035302015

125115110100959085807565555040403520

125115110100959075656050453025

12011511090807060553525

Bảng 4- Siêu cao đường cong tính theo h max = 80 mm

(đường cong theo bán kính.ng 1000 mm)

2520

4030

604080

50 70 80

2015151010101010555555555555

3025201515151010101010105555555555555

40352525202015151510101010101010105555555555

554035302525202020151515151510101010101010555555

605545403530252520202020151515151510101010101010555

656055454035353030252520202020151515151510101010101010

8065555045403535303025252520202020151515151010101010

80706055504540353530303025252525202015151515151510

807060555045404035353530303025252020201515151515

Bảng 4- Chi u d i ho hoãn (ều dài hoà hoãn (đường 1435 mm quốc gia) ài hoà hoãn (đường 1435 mm quốc gia) ài hoà hoãn (đường 1435 mm quốc gia) đường cong theo bán kính.ng 1435 mm qu c gia)ốc lớn nhất qua đường cong theo bán kính.

220 180 140

240 190 150

220 180 140

160 140 120

170 150 130

170 140 120

150 130 110

150 130 110

140 120 110

130 110 100

150 130 110

140 120 110

130 100 100

tốc tối đa thì cần dùng trị số lớn ở những đoạn tàu hàng vận tốc dạt trị sốtrung bình có thể dùng trị số trung gian ở đoạn trắc dọc lồi, các đoạn nằmsát trắc dọc lồi, vận tốc tàu hàng cả hai hướng chỉ bằng vận tốc tính toánnhỏ nhất thì có thể dùng trị số nhỏ.

Bảng 4- Chi u d i ho hoãn (ều dài hoà hoãn (đường 1435 mm quốc gia) ài hoà hoãn (đường 1435 mm quốc gia) ài hoà hoãn (đường 1435 mm quốc gia) đường cong theo bán kính.ng 1000 mm)ST

4.1.4 Đoạn thẳng giữa hai đường cong.

Khi thiết kế bình diện đường sắt trong những trường hợp khó khănthường phải bố trí đường cong liên tiếp nhau và đoạn thẳng giữa hai đườngcong rất ngắn thậm chí là không có Chuyển động của đoàn tàu qua nhữngđường cong này không được êm thuận và an toàn, làm xuất hiện những daođộng của đầu máy toa xe và gắn liền với nó là gia tốc gây bất tiện cho hànhkhách, 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 đoàn tàu vào đường congtiếp theo

Khi chuyển động trên đường cong hoà hoãn do vuốt siêu cao ray ngoàilàm quay đầu máy toa xe quanh trục dọc của nó Trên những đường congngược chiều sự quay này vẫn tiếp tục cùng một hướng khi chạy từ đườngcong này sang đường cong khác (xem hình 4.10a) Khi không có đoạn thẳng

ở giữa hai đường cong trái chiều sự quay nói trên không bị gián đoạn và vẫnđảm bảo độ êm thuận chuyển động

Trong trường hợp hai đường cong cùng chiều hướng quay của đầu máytoa xe khi chuyển từ đường cong này sang đường cong khác thay đổi (xemhình 4.10b), vì vậy để đảm bảo độ êm thuận của chuyển động cần đoạnthẳng đệm giữa hai đường cong với chiều dài cần thiết

Hình 4- Chuyển vị góc của đầu máy toa xe theo trục dọc khi chuyển động

qua các đường cong:

a ngược chiều ; b cùng chiều

ở một số nước như Đức, áo người ta thường nối các đường congngược chiều mà không cần đoạn thẳng đệm, lúc này vuốt siêu cao đượcthực hiện trên cả hai ray (xem hình 4-11) giống như ở các nước Liên Xô cũdùng trong hầm và đường tàu điện ngầm

Hình 4- Sơ đồ nối các đường cong ngược chiều không có

đoạn thẳng đệm và vuốt siêu cao theo cả hai ray:

a bình diện ; b trắc dọc đỉnh rayPhân tích tài liệu của nước ngoài thấy rằng với đường cong ngượcchiều nếu đủ đặt đoạn thẳng đệm nên thiết kế đoạn thẳng đệm, nếu đoạnthẳng đệm quá ngắn thì bỏ đoạn thẳng đệm và kéo dài đường cong chuyểntiếp sẽ có lợi hơn

Để xác định chiều dài đoạn thẳng đệm giữa hai đường cong hoà hoãnngười ta thường dùng công thức sau:

d =

n V

(4- 0)Trong đó: d - chiều dài đoạn thẳng đệm, m

3 q

Vq

(4- 0)Trong đó q = 2  3 và q1 = 1,5  2,5 Hz ; n = 2  4,5

Trong thực tế thiết kế của ta hiện nay khi hai đường cong cùng chiều

mà đoạn thẳng đệm thiếu và hai bán kính có trị số như nhau có thể làmthành một đường cong Nếu mức chênh siêu cao của hai đường cong nhỏhơn hay bằng giới hạn nào đó (thí dụ nhỏ hơn hay bằng siêu cao của đườngcong có R = 2000m) thì có thể trực tiếp nối chúng với nhau

1 1 1 2 1

1000

1

2 

(4- 0)Trong đó:

h1, h2 - siêu cao của đường cong

i - độ vuốt dốc siêu cao tính theo Vmax của đường cong có bánkính 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 sắtkhổ 1435 mm và 1000 mm

4.1.5 Góc quay nhỏ nhất.

Trong thực tế thiết kế bình diện đường sắt có thể cần đặt góc quay  rấtnhỏ, khi đó chiều dài đường cong không lớn Với những trường hợp này cầnkiểm tra xem có đặt được đường cong hoà hoãn hay không

K min

TC0



Lo/2

Lo/2 Lo/2 Lo/2

Hình 4- Đoạn cong tròn Kmin có siêu cao không đổi

Để đặt được đường cong hoà hoãn cần có điều kiện:

(L0 + Kmin) (4- 0)Trong đó: Kmin - chiều dài đường cong tròn nhỏ nhất cần thiết để đoàntàu 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 , L cần tìm bán kính nhỏ nhất để đặt được đườngcong hoà hoãn:

R  570,3

Trường hợp biết , R cần tìm chiều dài đường cong hoà hoãn lớn nhất:

L0  R57,3 - Kmin (m)

(4- 0)Trên đường 1435 mm và đường 1000 mm khi bán kính lớn hơn trị sốsau thì không cần đặt hoà hoãn:

Bảng 4- Gi i h n v bán kính R không c n ớn nhất qua đường cong theo bán kính ạn về bán kính R không cần đặt hòa hoãn ều dài hoà hoãn (đường 1435 mm quốc gia) ần đặt hòa hoãn đặt hòa hoãnt hòa hoãn

Quốc gia Chuyên dụng Quốc gia Chuyên dụngI

>500 (thứ yếu)

> 500

4.1.6 Những yếu tố bình đồ đường đôi.

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

Trên đoạn đường cong theo yêu cầu về khổ giới hạn, để đảm bảo đầumáy và toa xe của các đoàn tàu gặp nhau chuyển động được an toàn thìkhoảng cách nhỏ nhất giữa hai tim đường là:

M = 4,2 +  (m)Trị số nới rộng  phụ thuộc vào bán kính đường cong và siêu cao raylưng

Đường cong trên đường đôi thông thường được thiết kế đồng tâm Vìvậy bán kính cong của một đường RI lấy theo quy phạm thiết kế thì bán kínhcong của đường còn lại sẽ là

RII = RI  MChiều dài đường cong chuyển tiếp trên đường đôi lấy theo quy phạmthiết kế phụ thuộc vào bán kính đường cong và khu vực vận tốc có đườngkính cong đó

Việc nới rộng cự ly giữa hai tim đường từ đường thẳng vào đường cong(có lượng nới rộng ) được thực hiện trong phạm vi đường cong chuyểntiếp Người ta thực hiện nới rộng cự ly giữa hai tim đường bằng cách dùngđường cong chuyển tiếp của đường trong có lượng xê dịch (xem hình 4-13)

Hình 4- Đảm bảo khổ giới hạn khi nới rộng cự ly giữa hai đường

Trong trường hợp khi đường cong của hai đường nằm trên khu vực vậntốc như nhau (đặt trên đoạn bằng dài, trên dốc lồi hoặc dốc lõm) thì theo quyphạm, người ta chọn chiều dài đường cong chuyển tiếp cho đường ngoài, rồisau đó tính ng và cuối cùng theo công thức (4-25) tìm trong

Khi đã xác định tr, chúng ta tìm được chiều dài đường cong chuyển tiếpcủa đường trong theo công thức Lo 2 R (4-

0)Theo quy định trong quy phạm, chiều dài đường cong chuyển tiếp tínhtheo (4-26) làm tròn về phía lớn hơn với bội số của 10m

Trong trường hợp tổng quát, trên các đường có khu vực vận tốc khôngnhư nhau, lúc này theo quy phạm người ta chọn chiều dài đường congchuyển tiếp cho đường có khu vực vận tốc lớn hơn (tức là cho đường màtrên đó tàu chạy xuống dốc) Sau khi đã xác định trị số lượng dịch  chotrường hợp này, cần tính lượng dịch cần thiết  cho đường thứ hai Nếuđường thứ hai là đường trong thì trị số tr được tính theo (4-25) Nếu làđường ngoài thì:

Khi đã xác định lượng dịch  cho đường thứ hai thì có thể tìm chiều dàiđường cong chuyển tiếp của nó theo công thức (4-26)

Trong trường hợp cá biệt khi độ nới rộng  lớn dẫn đến ng tính theocông thức (4-27) có thể âm hoặc rất nhỏ thì chiều dài đường cong chuyểntiếp tính theo công thức (4-26) có thể nhỏ hơn trị số cho phép theo quy phạmcho khu vực vận tốc đó Lúc này cần tính lại và chọn chiều dài đường congchuyển tiếp của đường ngoài theo quy phạm ứng với khu vực vận tốc tươngứng rồi theo các công thức (4-25) và (4-26) tìm tr và Lo tr.

Như hình 4-13, do tr>ng và Lo tr>Lo ng nên điểm NĐ của đường congtrong nằm xa hơn điểm NĐ của đường ngoài về phía đoạn thẳng đệm Điềunày dẫn đến khó khăn khi thiết kế đường cong liên tiếp trên đường đôi trongđiều kiện bình diện phức tạp, khi mà muốn đặt đoạn thẳng đệm ngắn nhấtgiữa các đường cong này

Trong trường hợp trên, nếu chiều dài đường cong hoàn hòa của đườngtrong lớn hơn trị số nhỏ nhất quy định trong quy phạm theo vùng vận tốc thì

có thể giảm chiều dài đường cong chuyển tiếp của đường trong Lo tr và lấybằng chiều dài của đường ngoài Lo ng nhưng cần phải làm để trong phạm viđoạn thẳng đệm giữa các đường cong hoãn hòa có cự ly giữa hai đường là4,2+ (hình 4-14)

Hình 4- Các đường cong liên tiếp trên đường đôi

Như vậy để có đoạn thẳng đệm tối thiểu khi thiết kế đường cong liêntiếp trên đường đôi có thể phải để cự ly giữa hai đường không đổi trong suốttoàn đoạn (trên cả hai đường cong và đoạn thẳng đệm giữa chúng) Cự lynày tương ứng với đường cong có yêu cầu độ nới rộng lớn nhất Giải pháp

này được chọn chỉ với điều kiện nếu tiết kiệm được chi phí công trình bằngcách cho các đỉnh đường cong gần nhau.

4.2 Những yếu tố trắc dọc đường sắt

4.2.1 Khái niệm chung.

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

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

B

h

Hình 4- Dốc dọc iChiều dài yếu tố trắc dọc là chiều dài dốc tính theo hình chiếu bằng.Điểm giao cắt của các yếu tố trắc dọc liền nhau được gọi là điểm đổidốc Khoảng cách giữa các điểm đổi dốc liền nhau xác định chiều dài cácyếu 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 gồmdốc 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 còn gọi là dốc nắn thẳng trong tính sức kéo), dốc tương đương lực cảnđường cong ir, dốc dẫn xuất ik, dốc có hại ich và dốc vô hại ivh

4.2.3 Dốc hạn chế i p

1 Định nghĩa:

Dốc hạn chế là dốc lớn nhất có chiều dài không hạn chế mà trên đó tàuhàng với khối lượng tính toán Q do một đầu máy kéo lên dốc với vận tốc đều

và bằng vận tốc tính toán của đầu máy Vp

Dốc hạn chế và khối lượng đoàn tàu có quan hệ sau:

ip =

g Q

P

g Qw

Pw

Fk p

) (

Trong đú cỏc ký hiệu được trỡnh bày ở chương 1

Tuyến đường sắt Hà Nội - Hải Phũng, Hà Nội - Lạng Sơn , Hà Nội - LàoCai, Hà Nội - Sài Gũn (năm 1895 - 1933) đều thiết kế tuyến với dốc ip = 6‰

2 ảnh hưởng của độ dốc hạn chế tới một số chỉ tiờu.

ảnh hưởng của ip tới chiều dài tuyến: độ dốc hạn chế càng nhỏ thỡ chiềudài tuyến càng lớn: i1 > i2  L1 < L2

L L

A (đồng)

(% )

ip

Hỡnh 4- A = f(ip)ảnh hưởng của ip tới khối lượng đoàn tàu: qua cụng thức nhận thấycựng một đầu mỏy, dốc ip càng lớn thỡ khối lượng kộo được càng giảm

(% )

ip

Q (tÊn)

Hình 4- Q = f(ip)ảnh hưởng của ip tới vận doanh phí E:

E = Ett + Egt (đồng/năm)Trong đó: Ett -vận doanh phí trực tiếp (các chi phí tỷ lệ với số lượngchuyển động của đoàn tàu)

Egt -vận doanh phí gián tiếp (các chi phí trông nom bảo quảncác kết cấu cố định)

Hình 4- E = f(ip)Nhận xét: - ip có vai trò rất quan trọng trong thiết kế

- A và E có quan hệ ngược nhau với ip

Chọn ip căn cứ vào:

a ý nghĩa tuyến đường

b Khối lượng và mức độ phát triển hàng hoá chuyên chở

c Điều kiện địa hình

d Độ dốc ip của mạng lưới đường sắt

e Khả năng cung cấp đầu máy và chiều dài sử dụng của đường đóngửi

Địa hình càng khó khăn càng nên sử dụng dốc hạn chế lớn, khối lượng

vận chuyển càng lớn càng nên sử dụng các đoàn tàu có khối lượng lớn

Lựa chọn dốc hạn chế hợp lý nhất dựa trên cơ sở tính toán kinh tế kỹ

thuật

Khi thiết kế đường sắt có chiều dài lớn qua những khu vực có điều kiện

địa hình khác nhau, nếu thấy được có thể sử dụng các trị số dốc hạn chế

khác nhau cho từng khu đoạn Điều cần chú ý là trên những khu đoạn có

dốc hạn chế nhỏ nên dùng đầu máy công suất nhỏ, còn trên những khu

đoạn có dốc hạn chế lớn nên dùng đầu máy khỏe hơn để đảm bảo thống

nhất được khối lượng của đoàn tàu trên suốt chiều dài đường sắt

Trị số lớn nhất của dốc hạn chế ipmax phụ thuộc vào:

a Khối lượng đoàn tàu khi lên dốc hạn chế

b Vận tốc chạy tàu khi xuống dốc theo điều kiện hãm

ở Việt Nam, trong "Quy phạm thiết kế đường sắt" có quy định độ dốc

hạn chế lớn nhất với đường 1000 mm và đường 1435mm (xem bảng 4-8),

đường thứ yếu ipmax = 20‰

Bảng 4- Độ dốc hạn chế lớn nhất của đường sắt i pmax

Khổ đường Cấp đường

Độ dốc lớn nhấtDốc hạn chế (A) Độ dốc thêm sức

kéo1435

quốc gia

I , IIIII

1220

20251000

quốc gia

chủ yếuthứ yếu

1220

2230Trị số nhỏ nhất của dốc hạn chế ipmin phụ thuộc vào điều kiện khởi động

của đoàn tàu với khối lượng tính toán Q, để đoàn tàu khởi động được thì Q

 Qkđ hay là dốc hạn chế mà trên đó đảm bảo Q=Qkđ được coi là dốc hạn

chế nhỏ nhất

P g

i + w

F

= g

i + w

g i

+ w

P F

® k k

® k

® kk p

p

-) (

)

"

(

) '

( -

) (

min 0

min 0

Từ đó:ipmin =

® k

kp F

F

(wkđ + ikkđ) -

® k F

Pg

(wkđ + ikkđ).(w'0- w"0) - w"0

(4- 0)

Phân tích biểu thức trên nhận thấy rằng ipmin đạt trị số nhỏ nhất khi ikkđ =

0 và nó phụ thuộc loại đầu máy (tức là phụ thuộc

® kk

kp F

F

và

® kk F

Pg

) và loại toa

xe (tức là phụ thuộc wkđ , w"0)

ở chương 1 ta có lực cản khi tàu khởi động wkđ = 4 (N/KN)

Như vậy với tình hình đầu máy toa xe hiện tại, để đảm bảo đoàn tàukhởi động được thì dốc hạn chế nhỏ nhất ipmin = 4‰ ở Việt Nam lấy ipmin =4‰

Tương lai, đầu máy toa xe lắp ổ bi đũa, trở lực khởi động thấp, ta có thểdùng ipmin < 4‰

4.2.4 Dốc cân bằng i cb

a Điều kiện sử dụng dốc cân bằng i cb

Thực tế thiết kế một tuyến đường có thể gặp luồng hàng hai chiềuchênh lệch nhau rõ rệt và điều đó được thể hiện bởi hệ số chênh lệch K

K =

nh nh

ih ih G

gmax

> 1 , thường  = 1,1  1,2

gmax - lượng hàng vận chuyển của tháng lớn nhất trong năm

gtb - lượng hàng vận chuyển trung bình của các tháng trongnăm

Hệ số K tính trong khoảng thời gian khai thác tính toán (năm 2, 5, 10).Nếu địa hình cho phép và K ổn định trong một thời gian dài thì người ta

sẽ thiết kế cho mỗi chiều một độ dốc hạn chế và dốc hạn chế của chiều íthàng được gọi là dốc cân bằng

Hiệu quả sử dụng dốc hạn chế khác nhau cho mỗi chiều là ở chỗ chiều

ít hàng dùng dốc cân bằng (dốc hạn chế lớn hơn) sẽ làm giảm chiều dàituyến và giá thành xây dựng

b Định nghĩa dốc cân bằng i cb

Dốc cân bằng là dốc lớn nhất có chiều dài không hạn chế của chiều ít

hàng mà trên đó đoàn tàu với số toa của chiều nhiều hàng nhưng khối lượng

nhỏ hơn được kéo lên dốc do một đầu máy dùng chung cho cả chiều nhiều

P

g w

Q Pw

F

ih

ih ih

kp

) (

n - số toa trong đoàn tàu

 - hệ số chất hàng

qtt, qbì - khối lượng hàng tính toán và khối lượng bì của một toa

Phụ thuộc vào địa hình của chiều ít hàng người ta chọn icb trong khoảng

ip < icb < icbmax

Thông thường icb  ip + 3‰

(4- 0)Nói chung, đường sắt cấp I khổ 1435, đường sắt chủ yếu khổ 1000 mm

không được dùng dốc cân bằng Trong trường hợp bắt buộc phải dùng thì

phải được Bộ Giao thông vận tải duyệt

Tuyến đường sắt Cầu Giát - Nghĩa Đàn (Nghệ An) thiết kế tuyến dùng

dốc cân bằng icb = 11‰ và ip = 6‰

4.2.5 Dốc gia cường i gc

Trên những đoạn gặp địa thế cao liên tiếp để giảm chiều dài tuyến cho

phép dùng dốc lớn hơn dốc hạn chế và phải tăng đầu máy

Định nghĩa igc: Dốc gia cường là dốc giới hạn lớn hơn dốc hạn chế, tàu

vượt qua do nhiều đầu máy kéo lên dốc với khối lượng Q

Công thức tính toán xuất phát từ giả thiết tàu chuyển động đều trên dốc

gia cường:

Fkp = W = W' + W" = W'0 + W'igc + W"0 + W"igc

Hay là Fkp = Pgw'0 + Pgigc + Qgw"0 + Qgigc

Nếu các đầu máy khác loại thì

g Q

P

Qgw Pgw

Fkp

) (

g Q

nP

Qgw nPgw

) (

ở đây n - số đầu máy trong đoàn tàu

Nếu sử dụng hai đầu máy kéo đoàn tàu thì:

igc =

g Q P

Qgw Pgw

F kp

) 2

(

"

' 2

) 1

ở đây  - hệ số sử dụng đầu máy thêm,

 = 0,95 khi đầu máy thứ hai ở đầu và ở giữa đoàn tàu

 = 0,90 khi đầu máy thứ hai ở cuối đoàn tàu

Lưu ý:

- ứng với mỗi trị số ip có một trị số igc vì Q được tính theo ip

- Trong "Quy phạm thiết kế đường sắt" ứng với mỗi ip người ta đưa ra igc

8,512,5

8,513,0

8,512,0

Các khu gian tuyến đường sắt : Đồng Mỏ - Bản Thí (Lạng Sơn), Ghềnh

- Bỉm Sơn (Thanh Hoá) đã thiết kế dốc gia cường với trị số dốc igc = 12‰

Dốc quán tính được sử dụng có hiệu quả trong trường hợp trước khi lêndốc ij có đoạn tàu xuống dốc với vận tốc lớn và đạt được động năng dự trữlớn (xem hình 4-20).

Khác với các dốc giới hạn khác, dốc quán tính có chiều dài giới hạn dovậy ta phải giải quyết hai bài toán, đó là tính chiều dài dốc quán tính khi biếttrị số dốc quán tính ij và ngược lại

-2 2

(

1000 P Q

2

- 2 2

ở đây V (km/h) đổi ra m/s; (P+Q) (tấn) đổi ra kg

Rm - công cơ học của đầu máy : Rm = Fktb.S

Rc - công cơ học của lực cản : Rc = (P+Q)g.w0tb.S

Rh- công tích luỹ thế năng: Rh = (P+Q)g.(Hc - Hđ).103 =(P+Q)g.h.103

do h = ij.S  Rh = (P+Q)g.ij.S

Vđ , Vc - vận tốc đầu và vận tốc cuối trên dốc ij ; Vc  Vp

Ta có:

- w0tb (‰)(4- 0)Hay ngược lại:

S =

ktb j tb

c

®

fi+w

V

(17,4

0

2 2

ij; S - Dốc quán tính và chiều dài đoạn dốc đó

Ví dụ: Đoàn toa xe có khối lượng 4700 tấn xác định theo điều kiệnchuyển động đều trên dốc hạn chế ip với vận tốc lâm giới Vp = 24 km/h, đượckéo bởi đầu máy 2TE10L có khối lượng 258 tấn Vận tốc đoàn tàu tại chândốc là 60 km/h và đoạn lên dốc có chiều dài 2100m Tính độ dốc quán tínhlớn nhất biết

Fktb = 302148N ; w0tb = 1,8 N/KNGiải:

ij = fktb +

S

V

V® - c )(

17,



- 1,8 = 10,3 ‰Đường khôi phục hay cải tạo, vì dẫn đến khối lượng cải tạo lớn có thể

có dốc cá biệt lớn hơn ip tức lợi dụng động năng để vượt

Đường sắt khổ 1435, khổ 1000, đường chuyên dùng làm mới nói chungkhông được thiết kế dốc lớn hơn dốc hạn chế bằng cách lợi dụng động năngcủa đoàn tàu

HA - cao độ điểm đầu

HB - cao độ điểm cuối

L - chiều dài yếu tố trắc dọc

b Dốc trung bình i tb : là dốc của một đoạn giữa hai điểm cho trước mà

không xét đến những điểm trung gian

Trong đó: L - chiều dài các yếu tố giữa hai điểm cho trước

c Dốc tương đương với lực cản đường cong i r : khi tàu qua đường cong

chịu lực cản do đường cong wr gây nên, vì vậy có thể thay lực cản wr tươngđương với độ dốc ir Trị số:

wr = ir

d Dốc dẫn xuất i k (dốc tính đổi): là tổng đại số của dốc thực tế và dốc

tương đương với lực cản đường cong:

Trong đó:

i (+) khi tàu lên dốc

i (-) khi tàu xuống dốc

ir (+) vì lực này ngược chiều chuyển động

e Dốc có hại i ch và dốc vô hại i vh

Khi tàu xuống dốc vận tốc tăng lên, dốc lớn và dài vận tốc tăng càngnhanh Để vận tốc đoàn tàu không vượt quá vận tốc cho phép chạy trên dốc

đó phải hãm tàu

Đoạn dốc phải hãm để giảm vận tốc làm hao mòn bánh xe đầu máy toa

xe và đường ray được gọi là dốc có hại ich

Nếu tàu xuống dốc mà không phải hãm gọi là dốc vô hại ivh

Hình 4- Đoạn dốc có hại

Có thể tìm ivhmax từ điều kiện chuyển động đóng máy với vận tốc Vmax=Vgh

ta có:

Wđ = W'0đ + Wi = 0

Pgw'0đ + Qgw"0 + ivhmax(P+Q)g = 0

Q w

Trong thực tế thiết kế sơ bộ lấy ivhmax = 4‰ Muốn biết chính xác đoạndốc nào là có hại phải vẽ đường cong V = f(S)

Nói chung, đoạn dốc có hại có i > 4‰ và H > 10m

4.2.8 Chiều dài các yếu tố trắc dọc.

Để giảm khối lượng công trình (công tác đất, công trình nhân tạo ) cầnthiết kế những yếu tố trắc dọc ngắn có độ dài khác nhau để bám sát địahình Tuy nhiên sẽ gặp nhiều nhược điểm trong khai thác vì khi đoàn tàuchuyển động từ yếu tố này sang yếu tố khác lực cản phụ do dốc thay đổi dẫnđến hợp lực tác dụng vào đoàn tàu cũng thay đổi và do đó xuất hiện lực dọc

và gia tốc dọc làm ảnh hưởng đến độ bền của toa xe và tiện nghi cho hànhkhách

ảnh hưởng lớn nhất tới trị số của lực dọc trong đoàn tàu không phải làcác điểm đổi dốc riêng biệt mà là hình dạng của trắc dọc Khi đoàn tàu nằmđồng thời trên các điểm đổi lồi lõm (hoặc là lõm lồi) thì trong đoàn tàu lựcdọc thay đổi lớn và có tính xung kích làm ảnh hưởng đến hàng hoá, hànhkhách và đầu máy toa xe (xem hình 4-22)

Hình 4- Đoàn tàu nằm trên 2 điểm đổi dốc

Vì vậy dưới một đoàn tàu không nên có quá một điểm đổi dốc hay là ld >

lt Trường hợp khó khăn ld 

2

t L

tức lúc này tàu nằm trên hai điểm đổi dốcnhưng dù khó khăn thế nào thì ld  200m vì có giảm ld nữa thì khối lượngcông trình cũng không giảm được là bao nhiêu

Các trường hợp dùng dốc có ld = 200m:

a Đoạn bằng chia dốc trên hình lồi

Hình 4- Dốc hoà hoãn ở chân dốc có hại

Hình 4- Dốc hòa hoãn ở dốc lồi

c Đoạn tranh thủ đi hết dốc hạn chế

400200

350200

350

200 2001000

mm

chủ yếuthứ yếu

350250

300200

250200

200150

200150