第二章鐵路能力

第二章鐵路能力第一節(jié)概述第二節(jié)列車上的各種力機車牽引力、列車運行阻力、列車制動力第三節(jié)牽引質(zhì)量計算和檢查牽引力質(zhì)量的計算、牽引質(zhì)量的檢查、牽引輛數(shù)、牽引凈載及列車長度計算第四節(jié)單位合力曲線圖及應(yīng)用單位合力曲線圖的計算及繪制、行車速度與行車時分的確定第五節(jié)鐵路通過能力和輸送能力鐵路設(shè)計所需的運量資料、通過能力計算、輸送能力計算牽引計算是研究列車在各種外力作用下沿軌道運行時的各種實際問題。牽引計算的任務(wù)：研究作用在列車上的各種力；研究在這些力的相互作用下列車的運行情況；研究解決一些實際問題包括：牽引質(zhì)量、列車運行速度、列車運行時間、制動問題等。第一節(jié)概述是計算鐵路通過能力、輸送能力、車站分布和運營支出等的基本資料，也是評價各設(shè)計方案的依據(jù)。第二節(jié)列車上的各種力一、機車牽引力作用在列車上的力有機車牽引力、列車運行阻力和列車制動力。機車牽引力：是由機車動力裝置傳給機車動輪以旋轉(zhuǎn)力矩，通過動輪與鋼軌的相互作用而產(chǎn)生的力。力的作用方向與列車運動方向相同，力的大小可由司機根據(jù)需要控制。（一）機車牽引力的形成通過能量轉(zhuǎn)換裝置和傳動裝置，傳遞到機車動輪上是動輪受到扭矩M的作用→軸荷重Q壓在鋼軌A點形成的靜摩擦阻力M→產(chǎn)生動輪對鋼軌作用力△F′→鋼軌對輪的反作用力△FM⊿F′

A⊿FQR輪周牽引力F

：機車重力使動輪粘著于鋼軌上而產(chǎn)生的作用于動輪輪周（踏面)上的力，稱為輪周牽引力。由力矩平衡條件：

M=△F×R→△F=M/R

M——動輪扭矩

R——動輪半徑

對整個機車：

F=m×△F

m——機車動軸數(shù)

我國《列車牽引計算規(guī)程》規(guī)定：牽引計算中的機車牽引力F均按輪周牽引力計算。M⊿F′

A⊿FQR△F∝M，M↑→△F↑,△F>F靜（黏著力）→輪軌相對滑動動輪空轉(zhuǎn)→喪失牽引力車輪與鋼軌之間，微量的縱向和橫向滑動。在鐵路牽引和制動理論中，在分析輪軌間縱向力問題時，不用“靜摩擦”這個名詞，而以“黏著”來代替它。相應(yīng)地，在粘著狀態(tài)下輪軌間縱向水平作用力的最大值就稱為粘著力，而把粘著力與輪軌間垂直載荷之比稱為黏著系數(shù)。（二）黏著牽引力的限制受輪軌黏著牽引力限制允許機車發(fā)揮的最大牽引力：1、計算黏著系數(shù)μj的計算式：82、μj

的修正產(chǎn)生原因：機車在曲線上運行時，由于內(nèi)外軌不等長，導(dǎo)致運行不穩(wěn)定，故在小半徑曲線上運行時，黏著系數(shù)應(yīng)修正，重新計算。修正公式電機機車內(nèi)燃機車長隧道黏著系數(shù)修正（L>1000m）：由試驗確定。9例：求SS1型電力機車在半徑為500m的曲線上以50km/h運行時的計算粘著系數(shù)。（三）機車牽引特性牽引特性曲線是表示機車輪周牽引力F（縱軸）與運行速度V（橫軸）相互關(guān)系的曲線，通常由試驗得到。1.電力機車牽引特性電力機車系由接觸網(wǎng)取得電能，牽引電動機目前均采用直流串激電動機。因為這種電動機的機械特性曲線與雙曲線相近，適合于機車牽引特性需要。粘著牽引力電機持續(xù)電流條件限制的牽引力曲線電動機牽引力電動機牽引力VJminFJmax(1)受粘著條件的限制(2)受牽引電機允許的最大電流及最大允許溫升的限制(3)受牽引電動機安全換向的限制(4)受機車最大速度的限制機車牽引特性的有效范圍2.內(nèi)燃機車牽引特性DF4C(貨)型內(nèi)燃機車牽引特性曲線圖

牽引力限制條件：（1）內(nèi)燃機功率（2）傳動裝置（3）輪軌間黏著力傳動裝置有機械傳動、電傳動、液力傳動三種方式。我國鐵路干線機車多采用電傳動。3.計算速度在一定的機車類型、車輛種別和限制坡度的條件下，列車的牽引質(zhì)量與機車在限制坡道上的運行速度有關(guān)。根據(jù)機車質(zhì)量和牽引特性，在保證機車一定的經(jīng)濟效益與行車安全的前提下，對各型機車規(guī)定了計算牽引質(zhì)量時的運行速度，此速度稱為機車計算速度，所對應(yīng)的牽引力稱為計算牽引力。二、列車運行阻力列車運行時，作用在列車上的阻止列車運行且不能由司機控制的外力，稱為列車運行阻力，簡稱列車阻力，以W表示?？傋枇Γ鹤饔迷跈C車、車輛或列車上全部重量上的阻力。W=W’（機車阻力）+W’’

（車輛阻力)（N）單位阻力：單位機車或車輛質(zhì)量所受到的阻力。w=w’+w”=W’/P+W”/G(N/t)根據(jù)阻力的性質(zhì)，將阻力分為以下三類基本阻力：列車在空曠地段沿平直軌道運行時遇到的阻力，總是存在。附加阻力：列車線路上運行所受到的額外阻力，包括坡道阻力、曲線阻力、隧道阻力等。隨列車運行的線路平、縱斷面情況而定。起動阻力：列車啟動時的阻力。（一）基本阻力試驗條件：速度不小于10km/h，溫度不低于-100C，風(fēng)速不大5m/s.

試驗公式都用單位阻力w0(N/t)的形式表達，其形式為：韶山1、韶山3、韶山4電力機車單位基本阻力：貨車重車（滾動軸承）:式中：P——機制質(zhì)量（t）；

G——牽引質(zhì)量（t）。列車基本阻力：列車平均單位基本阻力：某混裝貨物列車50輛、3400噸，其中滾動軸承重車40輛、3180噸，空車10輛、220噸，當列車的運行速度為10km/h時，求該車輛列的總阻力。作業(yè)題：組成：附加阻力主要有坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力。附加阻力受機車車輛影響很小，主要決定于運行的線路條件。附加阻力不分機車、車輛，而是按照列車計算。（二）附加阻力式中：i—坡度值(‰)坡道單位附加阻力計算公式：定義：列車在坡道上運行時，重力平行于軌道方向的分力。（上坡為正,下坡為負）1.坡道附加阻力2.曲線附加阻力（1）產(chǎn)生的原因:1)由于離心力和外軌超高，車輪沿鋼軌的橫向滑動及輪緣擠壓鋼軌的摩擦加劇。2)曲線內(nèi)外鋼軌半徑不等，使車輪沿鋼軌的縱向滑動增加。3)車體不斷轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向架內(nèi)部的摩擦加劇。（2）影響因素:曲線半徑、列車速度、曲線的外軌超高、軌距加寬等因素。轉(zhuǎn)向架（3）機車車輛單位曲線附加阻力wr計算公式：3.隧道附加阻力列車頭部正壓與尾部負壓的壓力差空氣與列車表面、隧道表面的摩擦隧道附加阻力是隧道實際空氣阻力與空曠地區(qū)空氣阻力的差值。與列車速度、長度、迎風(fēng)面積、隧道長度與截面積、隧道與列車表面粗糙程度等相關(guān)。4.附加阻力換算坡度及加算坡度:(‰)1)機車單位起動阻力:2)貨車單位啟動阻力:（三）起動阻力三、列車制動力大小可由司機控制,方向與列車運動方向相反。

制動力機車車輛閘瓦摩擦制動——空氣制動機車動力制動—僅作為列車運行時的調(diào)速制動使用。1)電阻制動、再生制動

2)液力制動電磁制度電機的可逆原理磁軌制動渦流制動1.單位空氣制動力的計算

大小由閘瓦壓力及閘瓦與輪箍間的的摩擦系數(shù)決定的，并受到輪軌間黏著力的限制。制動力b取值：緊急制動時,取全值b；列車進站制動時，一般取0.5b。利用列車在運行中的慣性力帶動牽引電動機電樞旋轉(zhuǎn)，使牽引電動機變?yōu)榘l(fā)電機運行，從而控制列車運行速度。SS3型電阻制特性曲線最大勵磁電流限制線最大制動電流限制線2.電阻制動力計算DF4B型貨運電阻制特性曲線求出需要的制動力后，根據(jù)機型查相應(yīng)的電阻特性曲線，若需要的制動力在特性曲線的使用范圍內(nèi)，說明可以用電阻制動控制列車按限速保持恒速下坡；如果超出使用范圍，說明除采用電阻制動力外，還需要輔以部分空氣制動，使列車不超限速運行。四、制動與限速從空氣制動和電阻制動的特性可知，當v較高時，制動力隨著速度v的升高而降低，因而，當列車在下坡道運行時，為了保證行車安全，必須對列車的速度加以控制，采用限速運行。五、列車運行分析牽引力、阻力和和制動力共同作用于列車上時，合力與列車加（減）速的關(guān)系。機車工況：牽引運行：

惰力運行：

制動運行：運行狀態(tài)：加速(C>0)、減速(C<0)、等速(C=0)；◎在限制上坡道上，機車以計算速度作等速運行時所能牽引的車輛質(zhì)量；◎在快速線上，有時按列車在平直道上以最高速度運行，并保有一定的加速度余量為條件來確定牽引質(zhì)量。第三節(jié)牽引質(zhì)量計算及檢查牽引質(zhì)量一、牽引質(zhì)量計算（一）按限制坡度上機車以計算速度等速運行為條件等速(C=0)F-W=0列車在限制坡道ix上的合力C為：○○ixG牽引質(zhì)量G

（二）按列車在平直道上以最高速度運行并保有一定的加速度余量為條件運行為條件當取0.06時，上述公式可簡化為：《牽規(guī)》規(guī)定：旅客列車最高速度vmax為120、140、160km/h時，加速度余量分別為0.01、0.015、0.02m/s2，火車取0.005m/s2。機車牽引質(zhì)量Gg：二、牽引質(zhì)量的檢查Gq>=G時，列車可以順利起動；Gq

<G時，列車不能起動，應(yīng)降低牽引質(zhì)量或減小站坪設(shè)計坡度。應(yīng)檢查所計算的牽引質(zhì)量是否滿足下列條件的限制：1.啟動條件2.車站到發(fā)線有效長的限制（一）啟動檢算列車啟動時，啟動阻力較大，故應(yīng)檢算按限制坡度所求牽引質(zhì)量是否能在車站上啟動。受啟動條件條件限制的牽引質(zhì)量Gq按下式計算：（二）車站到發(fā)線有效長檢算車站到發(fā)線長度Lyx，則可按下式檢算到發(fā)線長度允許的牽引質(zhì)量Gyx：Gyx>G時，列車可以順利起動三、牽引輛數(shù)、牽引凈載及列車長度計算（一）貨物列車牽引輛數(shù)n：（二）貨物列車牽引凈載重Gj：（三）貨物列車長度Ll：計算之前，了解鐵路設(shè)計中采用的貨車平均指標（8個），見P24，表2-4。第四節(jié)單位合力曲線圖及其應(yīng)用單位合力曲線圖是表示機車各種工況下，作用在列車上的單位合力與速度關(guān)系的坐標圖，它是列車在區(qū)間的運行速度和運行速度和運行時分的計算基礎(chǔ)。一、單位合力曲線圖的計算及繪制（一）單位合力的計算因坡道、曲線、隧道等阻力是因地而異的，繪制單位合力圖時，可先不計入這類附加阻力，而按列車在空曠平直道上運行考慮，具體應(yīng)用時，在根據(jù)列車運行地段的線路具體情況，計入加算坡道阻力。計算時，通常先列表計算出列車在3種工況下、各種速度時的單位合力，再繪成單位合力圖，以便使用。已知條件：機車類型、機車數(shù)量及牽引方式、牽引質(zhì)量、單位單位閘瓦壓力等計算要點：1.速度v：由零開始，列至平坡限制速度，間隔10km/h取值，并將機車牽引性能曲線及動力制動曲線上各轉(zhuǎn)折點的而對應(yīng)速度列入。v=0km/h時，按v=10km/h計算。2.機車牽引力F：與v相應(yīng)的F值可先從機車牽引特性曲線圖或表上查出，采用外包線時，應(yīng)乘以牽引力使用系數(shù)。3.空氣制動時的單位制動力b：單獨使用空氣制動時，按常用制動取0.5b；與電阻制動配合使用時，取0.2b。4.電阻制動時bd：根據(jù)機車電阻制動特性曲線圖或表取值。(二)單位合力曲線圖的繪制(二)單位合力曲線圖的繪制(三)單位合力曲線特性1.可確定列車在各種加算坡度、各種速度下的單位合力值及其速度變化ij>0，將速度坐標軸向左平移個單位；ij<0，將速度坐標軸向右平移個單位；平移后的交點作為該坡道合力的原點。2.可確定列車在任何坡道上的運行的均衡速度均衡速度vjh:曲線c=f-w0與縱軸相交處單位合力c=0，這時列車就以該點所對應(yīng)的速度作等速運行，該速度就稱為列車的均衡速度。3.列車在任何坡道上運行時，列車速度總是趨于均衡速度◆當運行速度大于均衡速度時，單位合力為負值，列車將減速運行，直到單位合力c=0；◆當運行速度小于均衡速度時，單位合力為正值，列車將加速運行，直到單位合力c=0；4.確定按限速運行時的機車操作狀況二、行車速度與行車時分的確定方法:圖解法、均衡速度法。均衡速度法的理論基礎(chǔ)（基本假定）:列車在每一個坡道上,不論坡道長短,進入坡段時的速度高低,都按列車在該坡道的均衡速度（限制速度）作等速運行。均衡速度法的具體方法：根據(jù)線路縱斷面中各個坡段的加算坡度值ij，在合力曲線圖中找出對應(yīng)的ij的均衡速度，用各自的均衡速度在其坡段上繪制出折線。均衡速度法示意圖均衡速度法繪制的速度曲線電算法繪制的速度曲線電算法速度超出部分均衡法速度超出部分均衡速度法計算區(qū)間行車時分的公式如下：式中:ti—某一坡段上的每千米的運行時分（min/km），上坡時下坡時;li—某一坡段的長度；tq—啟動附加時分，按1~3min計算；tt—停車附加十分，按1~2min計算。

該公式適用于在兩站完成一個起停時，當在兩站不停車時，不考慮tq、

tt。第五節(jié)、鐵路通過能力與輸送能力二、鐵路設(shè)計所需的運量資料1.貨運量貨運量是指鐵路一年內(nèi)單方向需要運輸?shù)呢浳飮崝?shù)，應(yīng)按上下行分別計算。貨運量包括直通運量和地方運量，前者為通過設(shè)計線的運量，后者在設(shè)計線范圍內(nèi)有卸載作業(yè)，包括運出、運入及區(qū)段運量。2.貨物周轉(zhuǎn)量貨物周轉(zhuǎn)量表示鐵路運輸在一年時間內(nèi)所完成的工作量，用單方向一年內(nèi)各種貨運量與相應(yīng)的運輸距離的乘積來計算。3.貨運密度貨運密度是鐵路線每年每公里的貨物周轉(zhuǎn)量。4.貨流比鐵路上下行方向的貨運量往往不均衡，因此分為輕車方向（貨運量較小的方向）和重車方向（貨運量較大的方向）。貨流比是輕車方向貨運量與重車方向貨運量的比值。5.貨運波動系數(shù)一年之內(nèi)，鐵路運輸不可能每月相等。一年之內(nèi)最大月的運量與平均月運量的比值稱為貨運波動系數(shù)。鐵路的運輸能力必須完成運量最大月的任務(wù)，即鐵路的運輸設(shè)備必須按最大月份的條件來設(shè)計。6.零擔、摘掛、快運貨物和旅客列車零擔、摘掛列車是為運輸?shù)胤竭\量而組織的列車?？爝\貨物列車是為運送易腐鮮貨所組織的列車，這種列車為了縮短旅途時間，很少停車。鐵路通過能力：鐵路每晝夜可以通過的列車對數(shù)（雙線為每一方向的列車數(shù)）。限制通過能力的因素：區(qū)間、車站、機務(wù)設(shè)備、給水設(shè)備和供電設(shè)