第二章铁路能力

第二章铁路能力第一节概述第二节列车上的各种力机车牵引力、列车运行阻力、列车制动力第三节牵引质量计算和检查牵引力质量的计算、牵引质量的检查、牵引辆数、牵引净载及列车长度计算第四节单位合力曲线图及应用单位合力曲线图的计算及绘制、行车速度与行车时分的确定第五节铁路通过能力和输送能力铁路设计所需的运量资料、通过能力计算、输送能力计算牵引计算是研究列车在各种外力作用下沿轨道运行时的各种实际问题。牵引计算的任务：研究作用在列车上的各种力；研究在这些力的相互作用下列车的运行情况；研究解决一些实际问题包括：牵引质量、列车运行速度、列车运行时间、制动问题等。第一节概述是计算铁路通过能力、输送能力、车站分布和运营支出等的基本资料，也是评价各设计方案的依据。第二节列车上的各种力一、机车牵引力作用在列车上的力有机车牵引力、列车运行阻力和列车制动力。机车牵引力：是由机车动力装置传给机车动轮以旋转力矩，通过动轮与钢轨的相互作用而产生的力。力的作用方向与列车运动方向相同，力的大小可由司机根据需要控制。（一）机车牵引力的形成通过能量转换装置和传动装置，传递到机车动轮上是动轮受到扭矩M的作用→轴荷重Q压在钢轨A点形成的静摩擦阻力M→产生动轮对钢轨作用力△F′→钢轨对轮的反作用力△FM⊿F′

A⊿FQR轮周牵引力F

：机车重力使动轮粘着于钢轨上而产生的作用于动轮轮周（踏面)上的力，称为轮周牵引力。由力矩平衡条件：

M=△F×R→△F=M/R

M——动轮扭矩

R——动轮半径

对整个机车：

F=m×△F

m——机车动轴数

我国《列车牵引计算规程》规定：牵引计算中的机车牵引力F均按轮周牵引力计算。M⊿F′

A⊿FQR△F∝M，M↑→△F↑,△F>F静（黏着力）→轮轨相对滑动动轮空转→丧失牵引力车轮与钢轨之间，微量的纵向和横向滑动。在铁路牵引和制动理论中，在分析轮轨间纵向力问题时，不用“静摩擦”这个名词，而以“黏着”来代替它。相应地，在粘着状态下轮轨间纵向水平作用力的最大值就称为粘着力，而把粘着力与轮轨间垂直载荷之比称为黏着系数。（二）黏着牵引力的限制受轮轨黏着牵引力限制允许机车发挥的最大牵引力：1、计算黏着系数µj的计算式：82、µj

的修正产生原因：机车在曲线上运行时，由于内外轨不等长，导致运行不稳定，故在小半径曲线上运行时，黏着系数应修正，重新计算。修正公式电机机车内燃机车长隧道黏着系数修正（L>1000m）：由试验确定。9例：求SS1型电力机车在半径为500m的曲线上以50km/h运行时的计算粘着系数。（三）机车牵引特性牵引特性曲线是表示机车轮周牵引力F（纵轴）与运行速度V（横轴）相互关系的曲线，通常由试验得到。1.电力机车牵引特性电力机车系由接触网取得电能，牵引电动机目前均采用直流串激电动机。因为这种电动机的机械特性曲线与双曲线相近，适合于机车牵引特性需要。粘着牵引力电机持续电流条件限制的牵引力曲线电动机牵引力电动机牵引力VJminFJmax(1)受粘着条件的限制(2)受牵引电机允许的最大电流及最大允许温升的限制(3)受牵引电动机安全换向的限制(4)受机车最大速度的限制机车牵引特性的有效范围2.内燃机车牵引特性DF4C(货)型内燃机车牵引特性曲线图

牵引力限制条件：（1）内燃机功率（2）传动装置（3）轮轨间黏着力传动装置有机械传动、电传动、液力传动三种方式。我国铁路干线机车多采用电传动。3.计算速度在一定的机车类型、车辆种别和限制坡度的条件下，列车的牵引质量与机车在限制坡道上的运行速度有关。根据机车质量和牵引特性，在保证机车一定的经济效益与行车安全的前提下，对各型机车规定了计算牵引质量时的运行速度，此速度称为机车计算速度，所对应的牵引力称为计算牵引力。二、列车运行阻力列车运行时，作用在列车上的阻止列车运行且不能由司机控制的外力，称为列车运行阻力，简称列车阻力，以W表示。总阻力：作用在机车、车辆或列车上全部重量上的阻力。W=W’（机车阻力）+W’’

（车辆阻力)（N）单位阻力：单位机车或车辆质量所受到的阻力。w=w’+w”=W’/P+W”/G(N/t)根据阻力的性质，将阻力分为以下三类基本阻力：列车在空旷地段沿平直轨道运行时遇到的阻力，总是存在。附加阻力：列车线路上运行所受到的额外阻力，包括坡道阻力、曲线阻力、隧道阻力等。随列车运行的线路平、纵断面情况而定。起动阻力：列车启动时的阻力。（一）基本阻力试验条件：速度不小于10km/h，温度不低于-100C，风速不大5m/s.

试验公式都用单位阻力w0(N/t)的形式表达，其形式为：韶山1、韶山3、韶山4电力机车单位基本阻力：货车重车（滚动轴承）:式中：P——机制质量（t）；

G——牵引质量（t）。列车基本阻力：列车平均单位基本阻力：某混装货物列车50辆、3400吨，其中滚动轴承重车40辆、3180吨，空车10辆、220吨，当列车的运行速度为10km/h时，求该车辆列的总阻力。作业题：组成：附加阻力主要有坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。附加阻力受机车车辆影响很小，主要决定于运行的线路条件。附加阻力不分机车、车辆，而是按照列车计算。（二）附加阻力式中：i—坡度值(‰)坡道单位附加阻力计算公式：定义：列车在坡道上运行时，重力平行于轨道方向的分力。（上坡为正,下坡为负）1.坡道附加阻力2.曲线附加阻力（1）产生的原因:1)由于离心力和外轨超高，车轮沿钢轨的横向滑动及轮缘挤压钢轨的摩擦加剧。2)曲线内外钢轨半径不等，使车轮沿钢轨的纵向滑动增加。3)车体不断转动，转向架内部的摩擦加剧。（2）影响因素:曲线半径、列车速度、曲线的外轨超高、轨距加宽等因素。转向架（3）机车车辆单位曲线附加阻力wr计算公式：3.隧道附加阻力列车头部正压与尾部负压的压力差空气与列车表面、隧道表面的摩擦隧道附加阻力是隧道实际空气阻力与空旷地区空气阻力的差值。与列车速度、长度、迎风面积、隧道长度与截面积、隧道与列车表面粗糙程度等相关。4.附加阻力换算坡度及加算坡度:(‰)1)机车单位起动阻力:2)货车单位启动阻力:（三）起动阻力三、列车制动力大小可由司机控制,方向与列车运动方向相反。

制动力机车车辆闸瓦摩擦制动——空气制动机车动力制动—仅作为列车运行时的调速制动使用。1)电阻制动、再生制动

2)液力制动电磁制度电机的可逆原理磁轨制动涡流制动1.单位空气制动力的计算

大小由闸瓦压力及闸瓦与轮箍间的的摩擦系数决定的，并受到轮轨间黏着力的限制。制动力b取值：紧急制动时,取全值b；列车进站制动时，一般取0.5b。利用列车在运行中的惯性力带动牵引电动机电枢旋转，使牵引电动机变为发电机运行，从而控制列车运行速度。SS3型电阻制特性曲线最大励磁电流限制线最大制动电流限制线2.电阻制动力计算DF4B型货运电阻制特性曲线求出需要的制动力后，根据机型查相应的电阻特性曲线，若需要的制动力在特性曲线的使用范围内，说明可以用电阻制动控制列车按限速保持恒速下坡；如果超出使用范围，说明除采用电阻制动力外，还需要辅以部分空气制动，使列车不超限速运行。四、制动与限速从空气制动和电阻制动的特性可知，当v较高时，制动力随着速度v的升高而降低，因而，当列车在下坡道运行时，为了保证行车安全，必须对列车的速度加以控制，采用限速运行。五、列车运行分析牵引力、阻力和和制动力共同作用于列车上时，合力与列车加（减）速的关系。机车工况：牵引运行：

惰力运行：

制动运行：运行状态：加速(C>0)、减速(C<0)、等速(C=0)；◎在限制上坡道上，机车以计算速度作等速运行时所能牵引的车辆质量；◎在快速线上，有时按列车在平直道上以最高速度运行，并保有一定的加速度余量为条件来确定牵引质量。第三节牵引质量计算及检查牵引质量一、牵引质量计算（一）按限制坡度上机车以计算速度等速运行为条件等速(C=0)F-W=0列车在限制坡道ix上的合力C为：○○ixG牵引质量G

（二）按列车在平直道上以最高速度运行并保有一定的加速度余量为条件运行为条件当取0.06时，上述公式可简化为：《牵规》规定：旅客列车最高速度vmax为120、140、160km/h时，加速度余量分别为0.01、0.015、0.02m/s2，火车取0.005m/s2。机车牵引质量Gg：二、牵引质量的检查Gq>=G时，列车可以顺利起动；Gq

<G时，列车不能起动，应降低牵引质量或减小站坪设计坡度。应检查所计算的牵引质量是否满足下列条件的限制：1.启动条件2.车站到发线有效长的限制（一）启动检算列车启动时，启动阻力较大，故应检算按限制坡度所求牵引质量是否能在车站上启动。受启动条件条件限制的牵引质量Gq按下式计算：（二）车站到发线有效长检算车站到发线长度Lyx，则可按下式检算到发线长度允许的牵引质量Gyx：Gyx>G时，列车可以顺利起动三、牵引辆数、牵引净载及列车长度计算（一）货物列车牵引辆数n：（二）货物列车牵引净载重Gj：（三）货物列车长度Ll：计算之前，了解铁路设计中采用的货车平均指标（8个），见P24，表2-4。第四节单位合力曲线图及其应用单位合力曲线图是表示机车各种工况下，作用在列车上的单位合力与速度关系的坐标图，它是列车在区间的运行速度和运行速度和运行时分的计算基础。一、单位合力曲线图的计算及绘制（一）单位合力的计算因坡道、曲线、隧道等阻力是因地而异的，绘制单位合力图时，可先不计入这类附加阻力，而按列车在空旷平直道上运行考虑，具体应用时，在根据列车运行地段的线路具体情况，计入加算坡道阻力。计算时，通常先列表计算出列车在3种工况下、各种速度时的单位合力，再绘成单位合力图，以便使用。已知条件：机车类型、机车数量及牵引方式、牵引质量、单位单位闸瓦压力等计算要点：1.速度v：由零开始，列至平坡限制速度，间隔10km/h取值，并将机车牵引性能曲线及动力制动曲线上各转折点的而对应速度列入。v=0km/h时，按v=10km/h计算。2.机车牵引力F：与v相应的F值可先从机车牵引特性曲线图或表上查出，采用外包线时，应乘以牵引力使用系数。3.空气制动时的单位制动力b：单独使用空气制动时，按常用制动取0.5b；与电阻制动配合使用时，取0.2b。4.电阻制动时bd：根据机车电阻制动特性曲线图或表取值。(二)单位合力曲线图的绘制(二)单位合力曲线图的绘制(三)单位合力曲线特性1.可确定列车在各种加算坡度、各种速度下的单位合力值及其速度变化ij>0，将速度坐标轴向左平移个单位；ij<0，将速度坐标轴向右平移个单位；平移后的交点作为该坡道合力的原点。2.可确定列车在任何坡道上的运行的均衡速度均衡速度vjh:曲线c=f-w0与纵轴相交处单位合力c=0，这时列车就以该点所对应的速度作等速运行，该速度就称为列车的均衡速度。3.列车在任何坡道上运行时，列车速度总是趋于均衡速度◆当运行速度大于均衡速度时，单位合力为负值，列车将减速运行，直到单位合力c=0；◆当运行速度小于均衡速度时，单位合力为正值，列车将加速运行，直到单位合力c=0；4.确定按限速运行时的机车操作状况二、行车速度与行车时分的确定方法:图解法、均衡速度法。均衡速度法的理论基础（基本假定）:列车在每一个坡道上,不论坡道长短,进入坡段时的速度高低,都按列车在该坡道的均衡速度（限制速度）作等速运行。均衡速度法的具体方法：根据线路纵断面中各个坡段的加算坡度值ij，在合力曲线图中找出对应的ij的均衡速度，用各自的均衡速度在其坡段上绘制出折线。均衡速度法示意图均衡速度法绘制的速度曲线电算法绘制的速度曲线电算法速度超出部分均衡法速度超出部分均衡速度法计算区间行车时分的公式如下：式中:ti—某一坡段上的每千米的运行时分（min/km），上坡时下坡时;li—某一坡段的长度；tq—启动附加时分，按1~3min计算；tt—停车附加十分，按1~2min计算。

该公式适用于在两站完成一个起停时，当在两站不停车时，不考虑tq、

tt。第五节、铁路通过能力与输送能力二、铁路设计所需的运量资料1.货运量货运量是指铁路一年内单方向需要运输的货物吨数，应按上下行分别计算。货运量包括直通运量和地方运量，前者为通过设计线的运量，后者在设计线范围内有卸载作业，包括运出、运入及区段运量。2.货物周转量货物周转量表示铁路运输在一年时间内所完成的工作量，用单方向一年内各种货运量与相应的运输距离的乘积来计算。3.货运密度货运密度是铁路线每年每公里的货物周转量。4.货流比铁路上下行方向的货运量往往不均衡，因此分为轻车方向（货运量较小的方向）和重车方向（货运量较大的方向）。货流比是轻车方向货运量与重车方向货运量的比值。5.货运波动系数一年之内，铁路运输不可能每月相等。一年之内最大月的运量与平均月运量的比值称为货运波动系数。铁路的运输能力必须完成运量最大月的任务，即铁路的运输设备必须按最大月份的条件来设计。6.零担、摘挂、快运货物和旅客列车零担、摘挂列车是为运输地方运量而组织的列车。快运货物列车是为运送易腐鲜货所组织的列车，这种列车为了缩短旅途时间，很少停车。铁路通过能力：铁路每昼夜可以通过的列车对数（双线为每一方向的列车数）。限制通过能力的因素：区间、车站、机务设备、给水设备和供电设