铁路选线设计与线路CAD：第2章 铁路能力

1、 第二章 铁路能力 1铁路运量2列车牵引质量及其限制条件3运行速度与运行时分4铁路通过能力与输送能力5铁路等级与主要技术标准 第二章 铁路能力 1铁路运量1.1客货运量的意义设计铁路能力的依据 决定 决定客货运量主要技术标准运输装备的能力评价经济效益的基础 决定 运营收入客货运量 运输成本 投资偿还期影响线路方案的取舍投资大的方案运营条件好，运营支出小。投资小的方案运营条件差，运营支出大。 客货运量在铁路设计中的重要作用运量偏大建设标准和技术装备偏高，投资增大能 力 闲置，投资浪费，运营收入偏少投资效益降低运量偏小投资减少，能力很快饱和铁路过早改建 不经济1.2客货运量的调查和预测 划定吸引范

2、围货运量的确定客运量的确定划定吸引范围直通吸引范围（图21）定义：路网中客货运量通过设计线运送的有利区域范围。划定方法：按等距离的方法，哪边近就走哪边。上、下行方向直通吸引范围不同，需分别勾画。 求出ABFDA的总里程TM1TM1=600+80+390+350+160+90 =1670km求出ABECA的总里程TM2TM2=600+290+300+370+200 =1760km 上行直通吸引范围的确定：在环路ABFDA中找出距B点为TM1/2的点D点，在环路ABECA中找出距B点为TM2/2的点C点，则CADB即为上行直通吸引范围。 下行直通吸引范围的确定：在环路ABFDA中找出距A点为TM1

3、/2的点F点，在环路ABECA中找出距A点为TM2/2的点E点，则EBFA即为下行直通吸引范围。 地方吸引范围（图22）定义：在设计线行经地区内，客货运量由设计线运送的有利区域范围。确定原则：按运量由设计线运送运价最低的原则确定，哪边花钱少就往哪边走。步骤：找出设计线和邻接铁路上的经济据点将相关联的据点用直线连接作各连线的垂直平分线，垂线交成的多边形，即为地方吸引范围修正吸引范围货运量的确定直通货运量按地区间物资交流规划，按上下行方向分别确定。地方货运量按产销运平衡法确定。 0，为运出量地方货运量产量当地销售量 0，为运入量 铁路地方运量地方货运量其他方式货运量客运量的确定地方客运量乘车率（每

4、人每年乘车次数）人口总数直通客运量地方客运量 直通客运量地方客运量1.3铁路选线设计所需要的运量参数货运量一年内单方向需要运输的货物吨数，按上下行分别计算。货物周转量等于单方向一年内各种货运量乘以相应运距，表示一年内所完成的货运工作量。C=Ci (104t/a)Ci 某种货物的年货运量CHZ=（CiLi) (104t-km/a)货运密度设计线或区段每公里的平均货物周转量。货流比货流比轻车方向的货运量重车方向的货运量轻车方向货运量较小的那个方向货运波动系数货运波动系数一年内最大月货运量全年月平均货运量 CM= CHZ /L (104t-km/km-a)QZ= CQ / CZ = 一年内最大的月货

5、运量 /全年月平均货运量 列车种类零担列车：在中间站办理零担货物装卸，货运量小于一整车。摘挂列车：在中间站办理货车甩挂和到货场取送车作业，只运送整车货物。快运货车：很少停站，一般只在大站停车（区段站）。旅客列车：专门运送旅客的列车。 1.4设计年度 铁路设计年度： 铁路设计线交付运营后，设计线的能力与之相适应的年度，分为近期、远期。近期为交付运营后第十年，远期为交付运营后第二十年。 各期运量均应通过经济调查确定。 铁路设计时，如何考虑铁路设施的能力与运量增长相适应：对于可以逐步改、扩建的建筑物和设备，应按近期运量和运输性质确定，并考虑预留远期发展的条件；对于不易改、扩建的建筑物和设备，应按远期

6、运量和运输性质确定。2列车牵引质量及其限制条件2.1作用在列车上的力2.1.1机车牵引力形成机车动力装置产生机械能传动装置将其转化为旋转力矩传递给动轮动轮与钢轨间相互作用产生牵引力。 牵引力制动力运行阻力F1=F2=M/RF=F3=M/R牵规规定：牵引计算中的机车牵引力按动轮轮周牵引 力计算。 动轮转矩M对机车是内力，不能使机车前进，可以用一对力F1、F2来代替M。（图23）F1作用在钢轨上企图推移钢轨；F2作用在动轮中心，即轮轴的轴承上。轮心O及轮轨接触点处必产生反力矩F、F3大小与M相等，方向相反。F3为轴承作用于轮轴的反作用力，F为钢轨作用于车轮的反作用力。各力平衡后，只剩下作用于机车上

7、的唯一外力F，也就是使机车前进的牵引力，称为轮周牵引力。 粘着牵引力的限制轮周牵引力是动轮压在钢轨上产生的粘着力。轮周牵引力的最大值为动轮荷载的重力乘以轮轨间的粘着系数，即为粘着牵引力。机车的轮周牵引力不能大于该值。式中： 机车粘着质量 计算粘着系数 的影响因素：行车速度线路情况动轮踏面和钢轨与表面状况 机车牵引性能曲线机车轮周牵引力与速度的关系曲线电力机车a原理： 受电弓 变压器 整流器 25千伏高压交流电机车1500伏低压交流电直流电供给牵引电机传动装置 轮轨作用动轮得到旋转力矩产生机车牵引力 受电弓b牵引性能曲线分析粘着牵引力曲线CD电动机牵引力曲线：1、2、38、8、8，由牵引电机的功

8、率决定，干线机车通过改变端电压和磁通量来调节速度。电动机允许电流限制的牵引力曲线AB段，持续电流限制线。A点对应最低计算速度和最大计算牵引力。 速度和牵引力的调节：当需要大的牵引力和速度时，电压应调在较大的位置。当列车启动或在限速下运行时，采用较低的电压。当速度要求高而牵引力不需要很大时，采用削弱磁场运行。 内燃机车a概述内燃机车不采用内燃机直接驱动车轮的方式如果内燃机直接驱动车轮，其特性曲线不是理想的恒功双曲线形式，不能适应机车牵引特性要求，应采用如下传动方式： 传动装置 轮轨作用内燃机发出功率机车动轮产生牵引力 传动方式机械传动只适用于小功率机车电传动只适用于小功率机车液力传动大小功率机车

9、均适用 内燃机功率影响牵引力的因素 传动装置 轮轨粘着能力 b特性曲线原理：内燃机带动发电机发电驱动牵引电机动轮获得旋转力矩产生牵引力内燃机车牵引力修正原因：空气稀薄和高温导致内燃机功率下降 空气温度修正系数牵引力修正系数 海拔修正系数 隧道影响修正系数2.1.2列车运行阻力概述列车阻力包括机车阻力和车辆阻力基本阻力：空旷地段沿平直轨道运行的阻力。附加阻力：列车运行时受到的额外阻力，有坡道阻力，曲线阻力，隧道阻力。起动阻力：列车起动时的阻力。基本阻力 轴颈与轴承间的摩擦阻力 车轮与钢轨间的滚动摩擦阻力构成基本阻力的因素 车轮在钢轨上的滑动摩擦阻力 冲击和震动阻力 空气阻力机车单位基本阻力机车的

10、运行工况惰力运行（牵引力0） 基本阻力包括机车传动机构的机械阻力。牵引运行（牵引力0） 计算牵引力已扣除传动机构的机械阻力。制动运行 注意：客车、货车的外形、尺寸和轴荷载不同，空重车重量不同，应分别计算。装载轻浮货物的车辆，凡不足标记装载量的一半，按重车计算。列车基本阻力与平均单位基本阻力 附加阻力坡道附加阻力定义：列车在坡道上运行时，受到的重力与支持力的合力。方向：平行于坡道，指向下坡方向。很小，有sintan，得坡度 坡道单位附加阻力 曲线附加阻力引起曲线附加阻力的因素转向架轮缘于钢轨的额外摩擦离（向）心力作用下，轮轨间的额外横向滑动曲线上内外轨长度不同，车轮滚动半径不同，增加轮轨纵向滑动

11、转向架上下心盘、轴瓦与轴颈之间摩擦加剧计算式假定圆曲线长Ly，曲线转角为，则列车平均单位基本阻力设列车长Ll米，每延米质量为q吨LlLy时，列车全长均在曲线内LlLy时，仅有Ly长的列车受到曲线阻力列车位于n个曲线上隧道空气附加阻力产生原因：空气受隧道约束，不能扩散，前端压力大，尾部稀薄，与列车及隧道表面产生磨擦。影响因素：行车速度，列车长度，列车迎风面积，隧道长度，隧道净空面积，列车及隧道表面粗糙度附加阻力换算坡度及加算坡度换算坡度曲线阻力换算坡度 （）隧道阻力换算坡度 （）加算坡度 （） i线路实际坡度。必须保证加算坡度不超过限坡。 起动阻力产生原因：轴承与轴颈的摩擦阻力增大 油膜减薄 油

12、的粘度增大滚动阻力增大（钢轨上产生的凹形变形比运行时的大）静态惯性力2.1.3列车制动力概述制动方式：闸瓦摩擦制动（空气制动）机车动力制动（制动力由机车产生） 电阻制动原理：利用电机可逆原理，将牵引电机变为发电机使用。电机发的电能消耗在机车特设的电阻中。动轮在惯性力作用下带动传动齿轮电动机发电产生反转力矩阻止车轮转动。若电能反馈给电网加以利用，则称为再生制动。 液力制动 传动齿轮 定子原理：惯性力带动转子工作油加速工作油减速产生反转力矩形成制动力机车制动力的特性机车运行速度较高时，制动力随速度增大而降低。当运行速度低于最小发电速度或产生反扭矩速度时，动力制动不起作用。当速度趋向于零时，制动力消

13、失。 空气制动力计算空气制动原理 传动装置空气压缩机产生压缩空气闸瓦压紧车轮轮箍产生制动力列车单位制动力的计算制动力不得大于轮轨间的粘着力 单位列车制动力为 h列车单位换算闸瓦压力 h 换算摩擦系数电阻制动力计算电阻制动原理 传动齿轮惯性力带动电动机发电产生反转力矩阻止车轮转动电动机发出的电消耗在机车特设的电阻中 特性曲线最大励磁电流限制线a最大制动电流限制线b 电阻制动力需要值的确定列车按限坡恒速下坡 制动力 求出Bd后，再按机型查曲线图，看是否还需要辅以空气制动。 2.2列车运动方程式2.2.1列车运动状态分析机车的三种工况牵引运行：作用力为牵引力和阻力。 合力C=F-W惰力运行：列车牵引

14、力为0，靠惯性运行，只有阻力作用。 合力C=-W制动运行：作用力为阻力和制动力。 合力C=-(W+B)当C0时，列车加速运行。当C0时，列车减速运行。当C0时，列车等速运行。 t及s的求解方法直接积分法一般将C表示成为速度的函数，再进行积分。近似积分法将积分式所表示的面积分成有限个曲边梯形，在每个梯形中，合力C可视为常数。图解法利用近似积分法原理，将近似积分算式变为图解法进行。 2.3牵引质量及其限制条件牵引质量：牵引吨数，机车所牵引的车列质量。牵引质量的确定：在新线设计及运营线上，按在限制坡度上，以机车计算速度作等速运行确定。快速线上，按列车在平直道上的最高速度运行，并保有一定的加速度余量来

15、确定。 2.3.1牵引质量计算列车在限坡上以计算速度作等速运行 多机牵引或补机推送时 平直道上高速运行，并保有一定的加速度余量 当0.06时， 2.3.2牵引辆数、净载及列车长度计算 一般计算货车牵引辆数n（包括守车） 货车牵引净载GJ货车长度Ll 新线设计中的简化计算货车牵引辆数货车牵引净载 Kj 货车净载系数，取0.72 货车长 q货车平均每延米质量，取5.677t/m 2.3.3牵引质量检算起动检算受起动条件限制的牵引质量当GqG时，列车可以起动。当GqG时，列车不能起动，应降低G或减少站坪设计坡度。 车站到发线有效长检算 La安全距离，一般取30米。若GyxG，则牵引质量不受到发线有效

16、长限制。车钩强度检算 Fc车钩允许拉力若GyxG，则应采用补机推送。一个区段的货车牵引质量受上述三个条件限制， 按上述限制条件确定的最小的牵引质量称为牵引定数。 相邻线路统一牵引定数，能减少直通列车在技术站的改编作业量，加速车辆的周转。我国直通货车的牵引定数受机车类型和限制坡度决定，受到发线有效长的限制。超轴牵引：技术娴熟的机车乘务组采用先进的操作方法， 使实际牵引的吨数超过规定的牵引定数。欠轴牵引：列车编挂辆数不足，或遇到严寒逆风天气， 需要降低牵引定数。3 运行速度与运行时分3.1单位合力曲线及其应用3.1.1单位合力曲线图所需资料：机车类型、机车数量及牵引方式、牵引质量、列车单位闸瓦压力

17、。 单位合力的计算按下列三种工况进行计算牵引运行牵引力、基本阻力惰力运行基本阻力 空气制动空气制动力，基本阻力制动运行 电阻制动电阻制动力，基本阻力 空气与电阻制动并用空气制动力， 电阻制动力， 基本阻力 注意点速度V：由0开始，每隔10km/h取值，应引入牵引性能曲线上各转折点的速度。V=0时, 按V=10km/h计算。牵引力F：从牵引性能曲线图上查出。空气制动力b：常用制动取0.5b，空气与电阻制动合用时，取0.2b。电阻制动力Bd：查电阻制动特性曲线。 下坡限制速度计算目的：保证列车及时停车。最大制动距离：800米。 空走距离：司机移动闸炳时起，到闸瓦发生 作用时行走的距离。制动距离 有

18、效制动距离：从闸瓦发生作用到 完全停车所走的距离。 近似积分法 限速计算已知：Sb=800m,Vmo=0,求Vch。代入试算可得。当h=2.6KN/t时，回归出Vx=751.2i(km/h)绘制单位合力曲线图横轴单位合力纵轴速度 牵引运行惰力运行空气制动电阻制动空气与电阻制动并用限速线 3.1.2单位合力曲线特性有加算坡度时的合力曲线如果i0,纵轴左移10i值。 i0,纵轴右移10i值。均衡速度的确定合力为0时列车的速度不同的线路情况（上坡、平坡、下坡）和不同的机车工况对应不同的均衡速度。 VVjh 列车加速运行判断列车运行状况 VVjh 列车匀速运行 VVjh 列车减速运行确定按限速运行时的

19、机车操作状态原则：使列车运行时间尽量短。使用空气制动制动力由机车本身产生空气制动的周期制动机车、车辆交替制动 3.2运行速度与运行时分计算3.2.1数值解法（基于列车运动方程式）直接积分法近似积分法优点：计算精度高。缺点：考虑因素多，计算复杂。计算量大，一般用计算机进行。 3.2.2均衡速度法原理：假定列车在每一坡道上均按该坡道的均衡速度或限速作 等速运行。计入起动、停车附加时分。 上坡 下坡注意：用均衡速度法计算列车运行时分的 误差较大，一般只用于概略计算。 4 铁路通过能力与输送能力 通过能力定义：铁路每昼夜可通过的列车对数单线 铁路每昼夜每一方向通过的列车数双线4.1列车运行图横轴：表示

20、时间，每10min划一竖线。纵轴：表示距离，每一车站中心划一横线。斜线：列车运行线，表示列车在区间的运行情况。斜率越 大、线越陡，列车速度越快，运行时分越短。编号：离开北京方向列车为单数，称为下行列车。回京方向列车为双数，称为上行列车。 运行图种类：非平行运行图（运营中使用）特点：各种列车在同一站间、同一方向运行线互不 平行。原因：列车种类不同。 平行成对运行图（设计中使用）特点：运行线相互平行。假定：运行的列车均为直通货物列车；同一方向、同一站间运行速度相同，往返成对。采用此图可直接计算通过能力，可用一个运行图周期表示一昼夜的运行情况。 4.2列车运行速度客车设计速度根据运营条件确定的行车速

21、度走行速度中间站不停车通过的区段平均速度技术速度中间站停车的区段平均速度旅行速度计入起停附加时分和中间站停车时分 的区段平均速度4.3通过能力计算 4.3.1单线铁路通过能力计算图式：平行成对运行图一对货物列车占用的区间总时分运行图周期 （对/d） 4.3.2双线铁路通过能力 计算图示：平行运行图 上下行通行能力要分别计算半自动闭塞，连发运行 前后列车均通过前方车站，则tL=23min。若前一列车通过，后一列车停站，则tL=46min。 自动闭塞，追踪运行 I追踪间隔时分，810min。 4.4列车对数计算 N通过能力储备系数扣除系数 满轴系数，质量之比。 4.5输送能力定义：铁路单方向每年能

22、运送的货物吨数。 （Mt/a）Gj普通货车净载货运波动系数 ，由经济调查确定，通常取1.15 5铁路等级与主要技术标准 5.1 铁路等级： 是铁路的基本标准，设计铁路时需先确定铁路等级，然后选定其他主要技术标准和各种运输装备的类型。 铁路等级划分：新建和改建铁路或区段的等级应根据其在铁路网中的作用、性质和远期客货运量确定，并应符合下列规定： I级铁路：铁路路网中起骨干作用的铁路，远期年客货运量大于或等于20Mt者。 II级铁路：铁路网中起骨干作用的铁路，远期年客货运量小于20Mt者；或铁路网中起联络、辅助作用的铁路，远期年客货运量大于或等于10Mt者； III级铁路：为某一区域服务具有地区运输

23、性质的铁路，远期年客货运量小于10Mt者。 铁路主要技术标准： 定义：是指对铁路输送能力、工程造价、运营质量以及选定其他有关技术条件有显著影响的基本标准和设备类型。 “线路设计规范（简称线规）”规定的各级铁路主要技术标准的内容包括：正线数目、限制坡度、最小曲线半径、车站分布、到发线有效长度、牵引种类、机车类型、机车交路、和闭塞类型等。 工程标准：正线数目、限制坡度、最小曲线半径、车站分布、到发线有效长度； 技术装备类型：牵引种类、机车类型、机车交路、和闭塞类型5.2铁路的主要技术标准 牵引种类和机车类型影响牵引吨数的标准 限制坡度 到发线有效长 正线数目影响通过能力的标准 车站分布 闭塞方式

24、最小曲线半径影响运行速度的标准 机车交路5.2.1影响牵引吨数的主要技术标准牵引种类和机车类型 蒸汽牵引过时，已停产，正逐步被淘汰牵引种类 电力牵引发展的方向，正在我国推广 内燃牵引目前已普及，是目前和今后 的主要牵引种类 机车类型蒸汽机车电力机车优点：热效率高；整备时间短，利用率高； 功率大，速度高，牵引力大。缺点：独立性较差。内燃机车优点：热效率高；整备时间短，利用率高； 速度高，牵引力大，可显著增加铁路能力。缺点：造价高；消耗贵重的液体燃料。 限制坡度设计线单机牵引的最大坡度到发线有效长定义：车站到发线能停放货物列车而不影响 相邻股道作业的最大长度。 决定 决定 决定 到发线有效长货物列车长车辆数目牵引 决定 影响吨数车站站坪长度工程数量 5.2.2影响通过能力的主要技术标准正线数目单双线通过能力悬殊很大单线半自动闭塞 N=4248对/天双线自动闭塞 N=14418