（电气工程专业论文）米轨铁路机车车辆基本阻力试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第【页 摘要 米轨铁路昆河线是原滇越铁路中国境内的一段，自1 9 1 0 年全线通车以 来，距今已近一百年了，这条铁路是中国云南连接东南亚的重要的国际通 道。它是我国国铁路网中唯一运营的米轨铁路，近些年来，米轨铁路的运 量逐年增长，机车车辆的技术也有了长足的进步。但由于历史的原因，米 轨铁路现状是典型的山区铁路，建造标准低，线路条件差，运行速度低， 标准不完善，相比国内准轨铁路和国外先进的米轨技术而言，有很大的差 距，急需制定出比较科学。并且符合实际的米轨牵规标准和准确的计算参 数。为此，铁道部下达了米轨铁路列车牵引计算规程研究科技开发项 目，对此进行相关试验研究。 牵引计算规程的研究和制定，是一个很大的系统工程，涉及大量的试 验和数据分析，本文主要介绍了米轨牵规的列车基本阻力的试验研究工作 情况和经验总结。本文较为详细地介绍了作者利用作为该项目的课题负责 人所完成的一系列米轨机车车辆单位阻力试验工作情况，包括：重点介绍 了基本阻力试验方法的确定，试验线路的选择和考虑，相关试验设备的选 择和使用、试验数据数据处理方法和计算机辅助分析软件的构建思路，以 及对基本阻力计算公式的实际运行验证等工作，以及最后米轨机车车辆基 本阻力计算公式的的形成过程。 本论文所提出的技术创新点是：以溜放试验法为主、牵引试验法作为 验证方法，完成米轨机车车辆基本阻力的试验方法，以及采用的相应的计 算机辅助分析技术。是我们针对该铁道部项目和米轨技术特点在经过深入 调查了解的基础上，采用的科学合理的具体技术解决方案。 关键词：米轨铁路机车车辆阻力试验分析研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s t r a c t k u n h e m e t e r - g a g er a i l w a y ，ap a r to fd i a n y u er a i l w a y ( c h i n e s ey u n n a n p r o v i n c et ov i e t n a mh a n o ic i t y ) ，w a so p e nt ot r a f f i ci n1 9 1 0f o ra b o u t1 0 0 y e a r s i ti sa ni m p o r t a n ti n t e r n a t i o n a lp a s s a g eb e t w e e n c h i n aa n ds o u t h e a s ta s i a , w h i c hi so n l yo n e u s i n gm e t e r - g a g er a i l w a yi nn a t i o nr o a dn e t a sy e t ，h a v eb e e n i m p r o v e d i t st r a f f i cv o l u m e r a p i d l y w i t h t h e i m p r o v e o ft h e r a i l w a y s t e c h n o l o g yr e c e n t l y , i t st e c h n o l o g yl e v e li sp o o ry e tf o ri t st y p i c a lm o u n t a i n r a i l w a y , l o w e rb u i l t s t a n d a r da n dl o w e rt r a f f i c s p e e d b e c a u s e i th a v en o m e t e r - g a g et r a i np e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o np r o c e d u r e ，w ed e c l a r e dap r o j e c to f r a i l w a yd e p a r t m e n tt oi n v e s t i g a t e t h i s q u e s t i o na n da i mt o aw h o l es e to f r e g u l a t i o n so f t r a i np e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n t h ei n v e s t i g a t i o no fm e t e r - g a g e - r a i l w a yt r a i np e r f o r m a n c ec a & u 肠t w n p r o c e d u r ei n c l u d eas e r i e so fe x p e r i m e n t sa n dd a t aa n a l y z e i nc o n t r o lo f t h e p r o j e c t ，t h e a u t h o ro ft h i st h e s i s p r e s i d e t h e i n v e s t i g a t i o no ft r a i n s b a s i c r e s i s t a n c e i nt h i st h e s i s ，w ef i r s tg i v ee l a b o r a t er e c o m m e n d a t i o n so ft h eb a s i c r e s i s t a n c e e x p e r i m e n t o fl o c o m o t i v ea n d e a r ，o f w h i c h i n c l u d i n g t h e e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，l i n ec h o i c e ，e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s ，d a t ac a l c u l a t i o n a n dc o m p u t e r - a i d e da n a l y s i s ，a n dv e r i f i c a t i o no ft h ef o r m u l ao fb a s i cr e s i s t a n c e ， a n dc o n f i r mt h ef i n a lf o r m u l a d u r i n gt h i sp r o j e c t w ea d v a n c e du s i n gt h ec o n t i n u o u st h r o w i n gm e t h o d a st h em a i n e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e s ，d r i v i n g m e t h o da sa s s i s t a n t t h i s e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e sa n dc o m p u t e r - a i d e da n a l y s i sa r eb a s eo n t h es e e ko f t h e f a c to fm e t e r - g a g e r a i l w a y , i ti sad e t a i ls o l u t i o nt of i tt h ec h a r a c t e ro ft h e t e c h n o l o g yo f t h em e t e r - g a g e r a i l w a y k e yw o r d s ；m e t e r - g a g er a i l w a y , l o c o m o t i v ea n dc a r , b a s i cr e s i s t a n c e ，e x p e r i m e n t ， i n v e s t i g a t i o n ，a n a l y z e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 问题的提出 第1 章引言 昆河线米轨铁路( 是旧时滇越铁路中国境内的一段轨距1 0 0 0 m m ) 从 云南省会昆明到达中越边境的河口县，始建于1 9 0 3 年，1 9 1 0 年全线建成通 车，至今已有近百年历史，是云南省连接东南亚各国的重要交通纽带和国 际通道，也是目前云南省唯一一条出境铁路。该铁路现有运营里程共计 8 2 7 k m ，包括昆河线、蒙宝线和草官、昆石、昆小支线等组成。也是国家铁 路路网中唯一的米轨铁路运营线路。 长期以来，米轨铁路虽然由昆明局制定了米轨铁路技术规程补充规 程，对米轨机车车辆制动距离、制动压力、闸瓦摩擦系数、制动率等参数 进行了具体的规定，但是关系到运输生产能力计算的米轨铁路牵引计算规 程的制定仍然一直是一个空白，在实际生产设计中套用准轨公式的计算方 法，经过多年的实际运用发现已越来越不能适应米轨铁路的要求。昆明铁 路局通过一些科学的线路试验后，对部分的参数进行了修改。例如把米轨 机车车辆的制动距离，从原来引用准轨标准的制动距离8 0 0 米，修订为比 较符合米轨实际情况的6 0 0 米。然而这些局部的修改只能反映部分实际情 况，对于整个米轨牵引计算来说，仍然显得缺乏统一完整的具体标准，更 没有真实可靠的科学试验和科学论证作为基础，这种情况极大地限制了米 轨铁路运输能力的提高，难以科学合理地安排米轨铁路的运能运力。为提 高米轨铁路运输效率，迫切需要制定一套符合米轨特殊性的列车牵引计算 规程，发挥米轨铁路的运输功效提供科学的依据。 笔者所在的昆明铁路局科学技术研究所，经过多年的米轨实际运用经 验，积累了丰富的米轨机车、车辆、线路技术经验。随着工作的不断深入 以及对米轨技术现状的进一步了解。逐渐产生了制定米轨牵引计算规程的 思路，并申报了铁道部科技开发项目。为此，铁道部于2 0 0 0 年下达了米 轨列车牵引计算规程研究课题，经过三年多的艰苦努力，2 0 0 4 年7 月通 过了铁道部专家组技术审查，建议形成路局技术标准进行试验性运用。 机车车辆基本阻力的试验研究，是米轨牵引计算规程研究中最为重要 和前提的条件，它的成功与否，直接关系到制动试验，甚至整个项目的成 败与否，正因为如此，所以对阻力的试验研究必须在项目开展之初就进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 深入的研究，周密安排。笔者作为项目负责人，对米轨机车车辆基本阻力 试验的技术要求和工作细节进行了严格的分析和设计，方能使该项目做到 了科学、有序、可控。 1 2 牵引计算规程简介 当列车以正常的工作方式运行时，外界的许多因素会对列车的运动状 态产生影响，由于这些影响列车运行的因素很多，也很复杂，要想一一考 虑并用理论推导的方法来计算它们是很困难的。因此，只能根据牵引计算 的理论，结合大量的试验，整理出一些既简单实用，又符合实际情况的曲 线、公式或图表，作为一定时期内的牵引计算标准，这就是制定牵引计算 规程的基本思路。 列车牵引计算规程( 以下简称牵规) 是进行牵引计算的根据。 它规定了牵引计算的方法和在计算中使用的各种技术数据标准，用以确定 铁路上机车牵引的列车重量、运行速度、运行时间以及计算列车的制动率、 制动时间和制动距离等，并计算机车完成规定的牵引重量、运行速度和运 行时间所消耗的电、燃油等数量。其中，牵引重量、运行速度和运行时间 是营业线路上编制列车运行图的主要依据，也是选择机务段、牵引变电所 位置和计算其能力或容量的根据；在设计线路时，还是决定线路通过能力、 计算各项指标和费用的基本资料。 由于科技的的发展和装备水平的提高，管理和列车操纵水平的提高以 及铁路线路情况和机车车辆的运用条件的不断变化，使我们不断地采用新 的装备，新的测试方法，并在新的试验条件下进行新的试验，或采用新的 计算方法，得到新的计算标准。对于直接反映牵引能力计算的牵规来 说，也存在着不断变化、不断提高和改进的问题。自中华人民共和国成立 以来，为适应不断发展变化的铁路情况和机车车辆运用条件，对准轨牵 规的不定期修改工作也一直在进行着。根据不同历史时期机车车辆的运 用特点，铁道部先后于1 9 5 8 年4 月、1 9 8 3 年i 月和1 9 9 8 年1 0 月颁布了三 部不同时期的牵程技术标准。铁道部目前在用的牵引计算技术标准为 1 9 9 8 年制定的列车牵引计算规程( t b t 1 4 0 7 - 1 9 9 8 ) 。 从国际、国内的情况来看，无论准轨铁路还是米轨铁路，其牵引计算 规程的制定过程无一例外地是：首先通过大量的实际线路运行试验，对机 车和车辆分种类和装载情况分别进行试验，然后对试验的数据进行数学分 析，最后按照经验公式的形式进行多项式拟合，获得各型机车车辆的单位 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 基本阻力与列车运行速度之间的数学计算公式，这是我们进行米轨机车车 辆牵引计算规程研究的理论和工作基础。 1 3 米轨铁路牵引计算规程现状 铁道部目前所属运营中的铁路，除昆河米轨铁路，均为轨距1 4 3 5 m m 的标准轨距铁路( 尚有部分地方厂矿使用米轨线路，但技术差别较大) 。昆 河米轨铁路由于建造年代久远，加之线路所处的地形复杂，造成线路的标 准较低，同时其使用的机车车辆技术标准与准轨相比也存在较大的差异， 准轨相关标准对于米轨铁路来说其实用性较差，必须针对米轨的实际情况， 进行相关技术研究。 由于米轨铁路自建成以后，就一直未曾制定颁布过相应的牵引计算规 程，一般情况下只是参照准轨的计算标准进行牵引计算，这就存在许多不足 之处，一方面，由于米轨线路条件与准轨线路条件差异太大，导致机车车 辆的轮轨作用力与准轨相比也有较大差异，另一方面由于准轨的牵规 已经进行了多次修改，相对米轨机车车辆来说，采用哪一部牵规的计 算标准都不能满足米轨铁路的需要。另外经过长期铁路实际运用发现，即 使使用准轨牵引计算规程的各种计算公式来进行米轨相关计算，计算结果 也和运输实际相差较大。这给米轨运能的确定、站场的设计带来了许多经 验和教i ) l l ：例如八十年代中根据准轨牵规阻力系数，设计建造了开远 北编组场的驼峰自动调车线，但建成后出现米轨车辆调车溜放不到位的情 况，使调车工作不能安全可靠地完成，最后失去驼峰调车的预期目标，造 成巨大浪费。还有一点要特别注意的是：在各时期颁布的牵规条文中 都有规定，虽然不论标准轨距铁路还是窄轨铁路都是用同一种计算方法， 但规程所列的牵引计算方法所有的经验公式和技术数据仅适用于轨距 1 4 3 5 m m 标准规矩铁路，而不适用于昆河线米轨铁路。这样使米轨采用准轨 牵规计算标准的技术合法性也受到了质疑。为此，为了保障米轨铁路 牵引计算的准确性和台理性，也必须对米轨牵引计算的诸要素进行科学的 试验验证，才能找到切合实际的统一的米轨牵引计算规程技术标准。 1 4 牵规主要研究的内容 铁路牵规规定了铁路在牵引计算所需的列车各种阻力、列车制动力、 能源消耗、机车特性等各方面的技术参数，涵盖了铁路机车、车辆、运输 等诸多专业的知识，就其制定的过程来看，是一个庞大的综合性系统工程， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 其主要内容也相应地从机械、电气、物理等多个方面进行研究，准轨牵 规一般包括如下几个方面的研究： 1 列车阻力 2 列车制动力 3 制动计算 4 电力机车牵引力及耗电量的计算 5 内燃机车牵g l 力及燃油消耗的计算 6 蒸汽机车牵引力及煤、水消耗的计算 1 5 本论文的主要内容 由上述可知米轨牵引计算规程( 以下简称米轨牵规) 是针对米轨 铁路运用的具体特点，采用科学的试验方法，经过一系列的科学试验验证 得到的涵盖米轨机车车辆牵引、阻力、制动、油耗等各种计算标准的技术 文件。米牵规的制定所涉及的专业知识面广，采集的数据种类也十分丰 富，试验内容之间的独立性较强，计算和分析方法也有所不同。作者作为 科研项目负责人之一，主要负责米轨基本阻力的试验与分析研究，组织完 成了一系列的线路运行试验和试验数据的计算分析。本文就是从这些方面 进行了叙述。内容包括：基本阻力的产生原因、线路试验方法、数据采集 和处理设备、计算方法和公式拟合以及验证试验等具体的情况。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 第2 章米轨铁路技术现状及特点 米轨铁路牵引计算规程的制定，必须符合米轨铁路的线路、机车、车辆 的基本特点，采取实事求是的科学态度，认真分析，方能制定出切实可行 的试验及验证方法，为此，我们在多年来对米轨铁路进行深入研究的基础 上，多方查找资料，对其具体的技术要点和现实特点进行了较为详细的调 查和分析研究。 2 1 米轨铁路概况 米轨铁路昆河线是典型的山区铁路，它北起昆北车务段的黑土凹站， 南至河口中越大桥中部，全长4 6 5 k m 。自昆明北海拔1 8 9 8 m ( 海防高程系 统) 起，止于河口海拔9 0 m ，其间最高处为水塘站2 0 3 1 m ，南北高差1 8 0 8 m ， 全线平均坡度近4 。昆河线除经过昆明、宜良、开远、草坝等几个坝子( 即 山间平地) 外，大部分顺南盘江和南溪河河谷前进，跨越金沙江一珠江一红 河三个流域的两个分水岭，沿线多位于崇山峻岭，峡谷沟壑之问，坡陡弯 急，线路自然条件相当恶劣：正线曲线有3 2 1 9 个，占正线总长5 8 4 。平 均每公里有7 个曲线，曲线半径小于或等于1 1 0 m 占曲线总个数的4 1 2 6 ； 隧道有1 7 4 座，共2 0 5 1 9 延米。 蒙宝线全长1 4 3 k m ，正线曲线有4 3 9 个，半径为1 0 0 m 的曲线计有1 1 8 个，占曲线总个数的2 6 8 8 。 气候环境方面。昆明至宜良一带附近属高原暖温带气候，宜良至芷村 为亚热带气候，年平均降雨量1 0 0 0 m m 左右集中在5 一l o 月，平均气温 1 8 左右：落水洞至河口为热带气候，年平均降雨1 7 0 0 m m 左右，多集中 在5 9 月，年均气温2 2 5 。 据史料记载，滇越米轨铁路的设计者为法国工程师罗伯特鲁尔赫， 因此米轨铁路带有早年法国米轨铁路特点，自新中国成立以来虽然国家先 后投入大量的资金，经过多次改造，但从整体技术条件来说，还是比较落 后的，有关具体技术参数如下： l 、昆河线上最大坡道2 6 ，最小曲线半径8 7 m ：蒙宝线最大坡道 3 0 ，最小曲线半径1 0 0 m 。 2 、行车限速：r 1 0 0 曲线限速为4 0 k m h ，直线最高限速为5 0 k m h 。 3 、缓和曲线长度均为2 0 m ( 不论曲线半径大小) 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 4 、夹直线一般长度为2 0 m ，困难区段允许小于2 0 m ，个别甚至没有 夹直线。 5 、米轨线路采用4 3 公斤钢轨，轨枕除钢枕继续使用外。以钢筋混 凝士轨枕逐步淘汰木枕，钢轨长1 2 5 m 。钢轨接头在直线段是对接( 两个接 头在同一横座标方位) 铺设，曲线段是错接( 两个接头不在同一座标方位) 铺设。 6 、每公里轨枕数1 6 8 0 根，全线均为碎石道床。 7 、昆河线昆明一宜良及碧色寨一芷村区段的r 1 0 0 曲线超高设置为 6 5 m m ，其余r 1 0 0 曲线超高设置为8 5 r a m 。由于缓和曲线长度均为2 0 m 定 数，因此顺坡率随超高设置也为定数，由于存在长度小于2 0 米的缓和曲线， 米轨铁路最大顺坡率可达4 7 5 ，超高8 5 r a m 时平均顺坡率为4 2 5 。 2 2 米轨运用机车 米轨采用的内燃机车有两种，分别是：东方红2 l 型液力传动内燃机 车，1 9 7 8 年至1 9 8 4 年间生产的，为b b 轴式，共配属1 0 2 台，1 9 9 9 年报 废1 1 台后，现在使用9 1 台。东风2 1 型电传动内燃机车，为c o c o 轴式、 配以径向转向架，铁道部于2 0 0 3 年为昆明局配属2 台米轨新型样机，于2 0 0 4 年再配属1 0 台，并将在2 0 0 5 年继续追加。所有米轨机车均配属在开远机 务段。米轨机车配属情况及技术参数见表2 1 表2 - 1 米轨运用机车参数 型号东方红2 i东风2 l 制造工厂四方机车车辆厂四方机车车辆厂 制造台数1 0 2 台1 2 台 传动方式液力传动 电传动 轴式b b c o - - c o 轨距( m )1 0 0 01 0 0 0 轴重( t )i 5 士3 1 4 ( 1 3 ) 整备重量( t )6 08 4 ( 1 3 ) 构造速度( k r n h )5 06 0 持续速度1 2 51 5 3 柴油机型号国产1 2 v 1 8 0 z j a美国c a t 3 5 1 2 b 装车功率( k w )7 7 2 ( 1 0 5 0 马力)1 4 7 0 机车长度( r a m )1 2 6 7 61 6 0 0 0 液力制动( 东方红2j 0 0 1 0 5 2 号机车无液力制 动力制动电阻制动 动：0 5 3 1 0 2 号机车有液力 制动 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 2 3 米轨运用车辆 2 3 1 米轨货车 昆明铁路局的米轨货车，车型种类包括棚车、敞车、平车、罐车及特 种车辆，主要以3 0 型和3 1 型货车为主。3 0 型车载重3 0 吨，自1 9 7 9 年开 始设计制造，采用滑动轴承轮对，制动装置采用k 2 三通阀，随着开远车辆 段的不断改进，目前所有的滑动轴承轮对3 0 型车已经改为滚动轴承；3 1 型车1 9 9 1 年起由眉山车辆厂设计制造，载重3 1 吨，转向架为米轨控制型 三大件转向架，滚动轴承轮对。制动装置采用k 2 或1 0 4 三通阀，构造速度 8 0 k m h 。两型货车共有1 4 9 0 辆，配属于昆明铁路局开远车辆段，其具体配 置情况如表2 2 ： 表2 - 2 米轨货车配置情况表 货车品种型号辆数 c 3 01 0 0 敞车 c 3 i 7 8 0 p 3 l 1 0 0 棚车 p 3 0 2 8 l n 3 1 l o o 平车 n 2 5 1 7 罐车g3 09 8 毒品车 1 0 凹型平板车w 3 0 4 路用车 1 0 0 2 3 2 米轨客车 目前米轨铁路旅客专用客车在用的有两种车型，分别为3 0 型米轨客 车和m i 型米轨客车。3 0 型客车为1 9 7 0 1 9 7 4 年间由唐山机车车辆厂设计 制造，车体长1 6 m ，车辆高度3 6 7 2 m m ，车钩中心线高8 2 5 m m ，有硬卧车、 硬座车、软卧车、餐车、行李邮政车等车种：m l 型米轨客车1 9 9 1 年开始 设计制造，是米轨客车的更新换代产品，车长1 6 m ，车高3 6 5 8 m m ，构造速 度8 0 k m h ，分硬卧车、硬座车、软卧等车种，昆明铁路局米轨两型客车共 有1 7 6 辆，配属在昆明车辆段昆明东分段和开远车辆段。其具体配置情况 见表2 3 ： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 表2 3 米轨客车车型数量明细表 客车型号定员辆数 y z 3 0 6 03 2 硬座y z 3 1 6 02 y z u l 6 28 1 y w 3 d 3 61 6 硬卧 y w m i 3 91 0 r w 3 0 2 02 软卧 r w m i 2 04 餐车c a 3 0 2 67 邮政行李车 x u 3 0 4 1 0 s y 3 0 2 试验车 s y m l 1 轨检车 g w 3 0 1 救援车 j y 3 0 8 2 4 米轨运输情况 米轨铁路至今已运营了近百年，其间因战争原因经过多次损毁和修 复，自新中国成立特别是改革开放以来，经过国家数次大的技术改造和资 金投入，运输能力获得较大的发展。自1 9 9 7 年昆明一河内的国际旅游列车 开通以来，中越两国贸易迅速增长。虽近年来国际旅游列车不再互通，但 货运往来却持续上升，2 0 0 4 年河口口岸的铁路国际联运达6 0 万吨，比1 9 9 6 年增长1 5 倍。米轨铁路运输总量突破7 5 0 万吨达到历史最高水平。近三 年来米轨运输情况比较见表2 - 4 和图2 1 。 表2 - 4 近年来米轨运输主要指标完成情况统计表 2 0 0 1 年2 0 0 2 焦 2 0 0 3 年 逛獭收八( 力兀】2 2 3 4 32 3 3 5 32 4 3 7 2 发送量( 吨) 6 7 8 6 0 0 0 7 2 0 8 3 5 97 5 4 7 0 8 4 周转量( 万吨公里)1 6 1 7 0 01 9 2 5 2 l 1 9 4 9 4 0 货物平均运程( 公里) 2 0 5 2 3 92 4 3 米轨管内联运发送( 吨)2 5 2 5 2 93 8 7 4 9 l3 4 4 0 9 8 准轨接入联运量( 吨)1 3 1 9 6 91 0 7 3 6 11 6 2 9 5 3 西南变迁大学工程硬士研究生学位论文第9 页 3 2 5 2 1 5 l o 5 0 运输收入( 万元)周转量( 万吨公里) 发进量( 千吨) 7 图2 - i 米轨近三年主要运输数据对比图 对外贸易方面，2 0 0 3 年中越两国贸易额近4 7 亿美元，比1 9 9 1 年的 3 0 0 0 多万美元增长近1 5 0 倍，中国已成为越南第三大贸易伙伴，2 0 0 4 年5 月，中越两国总理达成了2 0 1 0 年实现1 0 0 亿贸易额的目标j 。同时，云南 省与越南的经贸往来也呈现快速增长的势头，2 0 0 4 年云南省与越南的进出 口贸易额达到了3 2 亿人民币。而这其中，铁路运输始终占据着重要的位置。 随着中越两国贸易往来愈来愈密切和云南省g d p 的快速发展尽管昆河米 轨线路在挖掘运输生产潜力方面傲了大量的艰苦工作，力求满足社会经济 发展对铁路运输的需要，但终函受到运输能力制约，还是远远不能适应滇 南地区经济和中越间贸易快速发展的步伐。 2 5 米轨铁路技术发展的前景 有关资料报道，世界上共有米轨铁路2 3 4 万公里，其中亚洲约有7 6 万公里，占3 2 ，并且大部分集中在经济欠发达的国家和地区，甄溯主要 分布于东南亚：越南2 1 3 1 公里，束埔寨6 5 5 公里泰国3 7 3 7 公里，缅甸 3 1 3 7 公里，及印度、巴基斯坦、盂加拉等国。但是，应该认识到，米轨铁 路绝不是落后铁路的代名词。近几十年来，日本新干线( 轨距1 0 6 7 m m ) 使 用的先进技术和经验，为米轨铁路树立了一个良好的榜样，其7 0 0 系动车 缎也达到了世界先进水平的前列。 改革开放二十多年来，通过不断的技术更新和提高，我国米轨铁路综 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 合技术得到空前的发展，面貌焕然一新，米轨专用的内燃机车、客车货车 和高技术含量的空调客车、混凝土轨枕、弹性扣件、色灯信号、半自动闭 塞、电动转辙道岔等等相继配属和采用，极大地提高了这条百年铁路的运 输能力和效率。同时，经过多年的经营和发展，已经建立起了门类齐全的 米轨机车、车辆、工务等修造工业基地，培养出一批米轨铁路技术专家。 所有这一切引起了近邻的东南亚中南半岛各国强烈兴趣，他们频频派考察 团进行参观考察，通过交流加深了对我国铁路技术的认识和了解。 同时，近些年来，我国的机车车辆和电务工厂的产品积极参与国际市 场竞争，在输出机车车辆产品的同时，也在积极参与东南亚铁路技术的提 高和发展，在东南亚和世界市场上逐步得到认可，占有了一席之地。因此 可以说米轨铁路已成为我国面向东南亚铁路的技术窗口，通过这个窗口让 东南亚更加了解中国铁路，加强米轨铁路技术研究、促进技术进步，加快 泛亚铁路通道的建设为中国铁路参与米轨铁路技术竞争提供更多的机会。 2 。6 本章小结 昆河线米轨铁路作为一条百年铁路线，至今仍然在云南经济的发展中 发挥着重要的作用，尤其是作为连接东南亚的重要交通通道，承担着与周 边国家进行技术和物资交流的重要作用。然而随着目前无论线路还是运用 机车车辆的不断更新和发展，缺乏米轨牵引计算规程这一必要的技术 标准和重要的计算依据的现状，与我国的国情和经济实力越来越不相适应， 因此，制定米牵规，可以说是米轨铁路运输生产进一步挖潜和深化的需 要，成为了米轨技术标准制定工作中的一个当务之急。 注释： 1 中越贸易网中越贸易近期发展特点2 0 0 5 年4 月 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 1 页 第3 章牵引计算基础 3 1 牵引计算一般概念 车辆在铁路上运行时要消耗机车的能量，而机车能量转变成运输的主要 有用功，这是与作用在各车辆上的数值很大的纵向牵引力相关联的。在设 计车辆并估计将来可能增大的列车质量和牵引功率时，应该考虑到上述的 这些纵向力。同时。在解决下述重要问题时还必须首先考虑这些纵向力， 即：根据所研究的线路区段的纵断面和平面，确定列车运营中的重量( 质 量) 定额；选择机车类型和他的主要参数：确定所需要制定的制动方式和 制动距离：计算区间列车运行的速度和时间；选择列车牵引时能量和时间； 选择列车牵引时能量消耗及运行时间均最小的最佳工况等等。这些都是作 为牵引计算所要研究的主要内容，它以工程力学为基础，以科学试验和先 进操纵经验为依据，达到分析和综合列车运行过程中的各种现象和原理的 目的。究其目的和研究手段来说，是一门以实用为主，来自实际工作，又 指导和服务实际工作。 3 2 列车运行概况 3 2 1 列车运动方程式 所谓列车运动的规律，系指列车运行速度( v ) 、列车的走行距离( s ) 和列车的运行时间( ，) 以及它们之间的相互关系。反映列车运动规律的数 学公式，叫做列车运动方程式。 对于任何一个做线性运动的物体来说，它的运动规律可以用以下公式来 表示： f = m a( 3 - 1 ) 式中：椭体的质量 p 一物体所受的外力 口一物体在外力f 作用下产生的加速度 列车的运行，也是一个物体的运动，不过它是一个复杂的物体，它除了 线性运动以外，还包括有旋转运动，如牵引电机和车辆轮对等旋转运动， 同时由于线路坡道、曲线的变化都对其运动产生直接的作用。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 2 页 当一个物体既做线性运动又同时作旋转运动时，其运行方程和公式 ( 3 1 ) 稍有不同，当车轮不与钢轨接触时，车轮所受的力如图3 一l ( a ) 所示， 在外力，的作用下，产生加速度a ，其运动方程式为式( 3 - 1 ) ，当车轮与 钢轨接触时( 如图3 1 ( b ) ) ，在外力f 的作用下，轮对欲向右移动，由于其 踏面与钢轨接触，产生摩擦( 粘着) 力，钢轨以f 作用于轮对，阻止踏 面的接触点a 向右移动，因此，轮对绕点a 向右滚动。故轮对一方面向右 做线性运动，另一方面又绕轮对的轴心不断旋转，由于摩擦力的作用，始 轮对产生角加速度a 。 图3 - 1 换算质量示意图 此时，其旋转运动方程： a f 斤= j a 式中：d - - 轮对的转动惯量 仅一轮对的角加速度a = a r f 中的其余部分用来推动轮对向右做线性运动，故： f 一f = 1 1 1a 将( 式3 2 ) 代入( 式3 - 3 ) ，得： f ；m 口+ 丝 定 af ( b ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 3 页 或： f = m a + 告 ( 3 删 f = ( 珊+ 匀a ( 3 - 6 ) r 令： m + 素2 删( 1 + 静2 m ( m ) ( 3 - 7 ) 则：式( 3 - 6 ) 可以写成： v = o + o m a ( 3 - 8 ) 公式( 3 8 ) 的形式与式( 3 1 ) 的形式相似，不过多一个系数( 1 + r ) ，由 此可见，对于含有旋转运动的物体来说，我们可以把它当作纯线性物体来 看待，不过质量m 项应该以( 1 + 力朋来代替。( 1 + r ) l l q 做质量换算系数，( 1 + r ) m 叫做物体的换算质量。 式( 3 8 ) 就是列车的运动方程式，由于加速度 口；竺( 3 9 ) 班 则式( 3 - 8 ) 可以写成 f ：( 1 + 咖，霉 ( 3 1 0 ) 如果列车是由机车和同一类型车辆组成，其质量换算系数一样，则列车 的换算质量系数可用下式计算： ( 1 + r ) 列车= ! l 三二b 型二；掣 ( 3 11 ) 式中：( 1 + n “；机车旋转部分的换算系数； ( 1 + ；靳一车辆旋转部分的换算系数； 卜机车质量( k 曲； p 车辆的总质量( 自重+ 载重) g ) 。 如果机车牵引的车辆是由各种不同类型车辆组成，则总的旋转部分的换 算系数( 1 + ，) $ 辆可以按以下公式求取： ( + ，) 车辆= 皇d ! 三玉二；：j i j 拿考；j j j 半( 3 - 1 2 ) 式中：g 】，卯，g j “一各种车辆的质量( k g ) ； ( 1 + ，) l ，( 1 + ，) 2 ，( 1 + r ) 3 ( 1 + ，) ，r 一对应旋转部分的换算系数。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 2 n 车在各种运行状态下所受的力 列车在运行中，随时受到各种外界力量的影响，我们将这些力按照产生 的性质及对列车运行的影响，分为三大类，即牵引力、阻力和制动力。 牵引力：是牵引列车向前运行的主要动力，它由编组于列车中的机车产 生。 阻力：是列车在运行过程中受到了阻止列车前进的力，与列车运行的方 向相反。 制动力：是列车运行过程中进行列车制动或减速控制所施加的阻止列车 运动的力，它的方向也与列车运动方向相反。 一般情况下，牵引力和制动力是在不同的时刻分别作用于列车上的， 而阻力则是在列车运行过程中随时发生作用的力。在牵引工况下，作用于 列车的力有牵引力和阻力；在列车处于惰性工况时，即机车不进行牵引， 则列车只受阻力的作用：当列车进行制动时，则受到制动力和阻力的共同 作用。 3 3 列车运行阻力 3 3 1 列车运行阻力的分类 列车在运行过程中受到了阻止列车前进的力，成为列车运行的阻力。 它是与列车运行方向相反，不能人为操纵，并且只有在列车运行时才产生 的力。运行阻力的构成是很复杂的，为了便于计算分析的方便，通常把阻 力分成基本阻力、附加阻力和起动阻力三大类。 1 基本阻力：列车在正常气象条件下沿平直道匀速运行时所受到的阻 力，就是列车运行中永远存在的阻力，用w o 表示。 2 附加阻力：只是在某些情况下才存在的阻力，用w 。表示。例如列 车通过坡道、曲线、隧道等或者由于气象条件变化所产生的阻力。 3 起动阻力：列车起动时产生的阻力，用w 。表示。 则列车在运行时所受到的阻力w 为： w = w o + + ( 3 - 1 3 ) 有时作用在机车上的阻力用w7 表示，作用在车辆上的阻力用w ”表示， 则整个列车上的阻力w 可用下式表示： = w ，+ 矿” ( 3 1 4 ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 大量的实践证明，无论是列车运行中的基本阻力还是附加阻力和起动 阻力，基本上都与机车车辆的质量成正比，或近似成正比。为了便于计算， 都可以用单位制来表示。称为单位阻力，机车的单位阻力用w 7 表示，车辆 的单位阻力用训”表示，整个列车的单位运行阻力用w 来表示，则有： w t ：w ， ( n k n ) ( 3 1 5 ) 上j g w , i = ( n k n ) ( 3 一1 6 ) q g w ：当或w ：w p g + w q g ( 3 1 7 ) 一丽或一1 面 3 。 式中：卜机车的质量，( 吨) q 车辆的质量( 自重+ 载重) ( 吨) g 一重力加速度，( m s 2 ) 3 3 2 基本阻力 机车车辆的每一单元，在运行中所受到的基本阻力，由下述几种成分 构成：轮对轴颈对轴承的摩擦力；轮对在钢轨上滚动的摩擦阻力；车轮在 钢轨上的滑动摩擦阻力：车轮冲击钢轨接缝而产生的阻力：由于空气介质 的作用产生的阻力，分别分析如下： 3 3 2 1 轮对轴颈对轴承的摩擦力 为便于分析，我们对采用滑动轴承轴箱时的阻力产生情况进行说明， 如图3 2 所示，n 为轴瓦加在轴颈上的载荷，伊为它们之间的滑动摩擦系数。 在车轮转动的时候，轴颈与轴瓦之间产生滑动摩擦，有 ，= 州( 3 1 8 ) 这个力的方向与车轮中心的运动方向相反，并与同它对应的通过车轮 中心的轴箱水平反力组成一对力偶，力偶矩阻止车轮转动，力偶矩的减速 作用在钢轨接触点0 处引起反力彤，它的大小根据作用在车轮上的力矩平 衡条件求得： 州i d = w 。_ o ( 3 1 9 ) 二二 则有： 一 = 妥 ( 3 - 2 0 ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 6 页 图3 - 2 由于轴颈与轴承之间的摩擦及产生的运行阻力简图 或者，将这个阻力除以车轮对钢轨的载荷q ，便得到每单位轮载荷的 轴承阻力( 单位轴承阻力，n k n ) 峨= 詈z 等d z t ， 从式3 2 1 我们可以看出：轴颈直径与车轮直径的比值越小，则轴颈与 轴承之间的摩擦阻力越小。 在采用滚动轴承轴箱的情况下，机车车辆出现运行阻力的过程大体上 与滑动轴承的情况相同，只是摩擦系数的本质和大小有所不同：在采用滑 动轴承时，它是滑动摩擦系数：在采用滚动轴承时，它是滚柱( 滚子) 沿 轴承圈的滚动摩擦以及它们与导向凸肩的滑动摩擦统筹考虑的摩擦系数。 由于滚动摩擦系数的值比滑动摩擦系数的值要稳定和小得多，因此滚 动轴承的车辆基本阻力要小于滑动轴承的车辆。 3 3 2 2 轮对在钢轨上滚动的摩擦阻力 车轮在钢轨上滚动时，车轮轮周与钢轨之间均发生金属挤压，轮周与钢 轨、钢轨与轨座、轨座与轨枕、轨枕与道碴之间相互挤压的各质点相对位 移而产生滑动摩擦。在上述的所有接触处，由于车轮与线路上部建筑的各 个构件的摩擦和材料磨耗，因而要消耗一部分功。同时，在阻止车轮滚动 的过程中，也存在着功的消耗，这是因为钢轨在车轮的挤压下发生了微小 的形状变化，因此车轮必须在位于它前面的、已变成波浪形的钢轨上起伏 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 地滚动前进，总反力的作用点前移到车轮铅垂直径的前面。( 见图3 2 中的 0 点) 。 3 3 2 3 车轮在钢轨上的滑动摩擦阻力 车轮在钢轨上运行时，除了滚动外，还会发生局部的滑动。产生滑动的 原因是：由于车轮踏面斜率而引起的转向架蛇行运动；由于同一转向架上 的两个车轮的直径不相等；轮对组装不正确以及轮对在转向架中的安装不 正确产生相对倾斜。第一种原因造成的影响是难以消除的，第二、三种原 因造成的阻力可以通过提交轮对装配质量和工艺来减小。 3 3 2 4 车轮冲击钢轨接缝而产生的阻力 列车在运行时，由于各种各样的短的线路不平顺( 接缝、钢轨表面的缺 陷) 以及车轮踏面的缺陷等，会发生车轮对钢轨的冲击，从而使列车的动 能减小，为了恢复冲击时所损失的能量，需要消耗机车能量来给予补偿， 因此。车轮在钢轨上的冲击可以看作是列车运行的阻力。该阻力与列车运 行速度和钢轨长度有关，速度越高，其冲击带来的阻力越大；钢轨越长， 这个阻力也将减小。因此采用长距离的无缝线路可以大大减小由于冲击造 成的阻力。 3 3 2 5 由于空气介质的作用产生的阻力 列车在运行时，经受着周围空气介质的强烈作用，空气介质具有质量和 粘滞性，它对运行的列车产生经常作用的阻力。产生这种阻力的原因大体 上可以归结为下列一些因素： 在列车高速运行过程中，列车的正面经受着所谓空气动压力头( 速度头) 的作用；在后面和侧面两车辆之间的空档中以及其他凹入部位，产生空气 涡流和真空；列车的所有表面与跟他们接触的空气边界层之间产生的摩擦。 根据空气动力学的原理我们可以知道，空气阻力的大小，满足以下 公式： = q 譬s ( 3 _ 2 2 ) 式中：v 列车与空气的相对速度，无风时为列车速度( m s ) ： p 空气密度( k g m 3 ) ： s 【一横截面的面积( m 2 ) ，取列车中央部分最宽的截面： g 表征列车流线型程度的空气阻力系数。 流线形程度系数g ，也表示列车的阻力较之同样面积的平面盘的阻力 的减小程度。试验表明，在货车中，漏斗车、棚车和敞车的空气阻力较大， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 而罐车、未装货车的平车的空气阻力较小，同时该参数随车列长度的变化 而变化，且受长度变化影响很大，但几乎不受速度变化而变化，国外有关 研究结果认为，对于中等流线形机车， q = o 2 2 + 0 1 1 厄 ( 3 2 3 ) 式中：l 。列车长度。 在总的基本阻力中，列车空气阻力这一部分随速度的增高而迅速增大。 3 3 3附加阻力 当列车在坡道上运行，或者通过曲线或隧道时，都要产生附加的运行 阻力，在进行牵引计算和阻力计算时，要把基本阻力与附加阻力项加起来。 3 3 3 1 坡道阻力雕 坡道阻力的表示法如图3 3 所示，当列车按照如图所示的速度方向运行时， 列车重力产生一个平行与轨面的分力w ，一个垂直于轨面向上的支持力n ，根据 受力分析的平行四边形法则，可知： 1 4 q = g s i n a 4 ) 由于坡 图3 - 3 坡道阻力示意图 w i h 2 丽剐m 口 t a n 口= i = ( p + 叫。g s i n a ( 3 - 2 h 度口很小，则： ( 3 2 5 ) 由此可见，列车单位坡道阻力在数值上等于坡道坡度的千分数i 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 9 页 3 3 3 2曲线阻力孵 列车在曲线上运行时，受到的阻力比在直线上的要大，这是因为受到 了列车通过曲线而产生的附加曲线阻力的影响。曲线阻力的大小与曲线的 半径、运行速度、线路超高、轨距加宽及机车车辆轴距的大小等因素有关， 其中起主导作用的是线路曲线半径的大小。其产生的原因如下： 1 转向架前轮对的轮缘挤压外轨的侧面，在轮缘和外轨侧面之间产生 连续的滑动摩擦。 2 后轮对的轮缘挤压内轨的侧面，也引起滑动摩擦，并相应产生运行 阻力