第二章 鐵路能力

第二章鐵路能力

教學(xué)要求：了解鐵路客貨運(yùn)量的相關(guān)參數(shù)熟悉鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的含義重點(diǎn)掌握牽引質(zhì)量計(jì)算及限制驗(yàn)算

重點(diǎn)掌握通過能力和輸送能力的計(jì)算理解客貨運(yùn)量、設(shè)計(jì)年度的概念和意義鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對工程和運(yùn)營的影響課程內(nèi)容鐵路運(yùn)量列車牽引質(zhì)量及其限制條件運(yùn)行速度與運(yùn)行時(shí)分鐵路通過能力與輸送能力鐵路等級與主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)鐵路運(yùn)量（一）客貨運(yùn)量的意義客貨運(yùn)量是設(shè)計(jì)鐵路的依據(jù)客貨運(yùn)量是評價(jià)鐵路經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)客貨運(yùn)量是影響鐵路線路方案取舍的重要因素客貨運(yùn)量的調(diào)查和預(yù)測劃定吸引范圍貨運(yùn)量的調(diào)查和預(yù)測客運(yùn)量的調(diào)查和預(yù)測吸引范圍直通吸引范圍：路網(wǎng)中通過本設(shè)計(jì)線運(yùn)送的有利區(qū)域范圍按等距離的原則擬定，按上、下行分別勾劃地方吸引范圍：設(shè)計(jì)線經(jīng)行地區(qū)內(nèi)，客貨運(yùn)量由設(shè)計(jì)線運(yùn)送有利的區(qū)域范圍，運(yùn)量包括運(yùn)出、運(yùn)入和在本線裝卸的貨物。按運(yùn)價(jià)最低的原則擬定貨運(yùn)量的調(diào)查和預(yù)測直通貨運(yùn)量根據(jù)國家計(jì)劃部門制定的地區(qū)間物資交流規(guī)劃，分析直通吸引范圍內(nèi)的物資供求情況，分上、下行匯總得到。地方貨運(yùn)量可按產(chǎn)銷運(yùn)平衡法估算各運(yùn)品的鐵路運(yùn)量。設(shè)計(jì)線遠(yuǎn)期運(yùn)量一般比照條件接近的既有鐵路，結(jié)合設(shè)計(jì)線近期的調(diào)查運(yùn)量，用曲線擬合或多元回歸等方法預(yù)測。

客運(yùn)量的調(diào)查和預(yù)測直通客運(yùn)量：進(jìn)行客流的典型調(diào)查，找出直通客流量與地方客流量的比值，根據(jù)地方客運(yùn)量估算直通客運(yùn)量。地方客運(yùn)量：用乘車率或多元回歸法預(yù)測。

選線設(shè)計(jì)需要的運(yùn)量參數(shù)貨運(yùn)量：鐵路一年內(nèi)單方向需要運(yùn)輸?shù)呢浳飮崝?shù)，應(yīng)按設(shè)計(jì)線（或區(qū)段）分上、下行分別計(jì)算。C=∑Ci(104t/a)(

Ci——某種貨物的年貨運(yùn)量)貨物周轉(zhuǎn)量：設(shè)計(jì)線（或區(qū)段）一年內(nèi)所完成的貨運(yùn)工作量，可根據(jù)單方向一年內(nèi)各種貨運(yùn)量與相應(yīng)的運(yùn)輸距離計(jì)算：CHZ=∑(

Ci×Li)(104t·km/a)(

Li——運(yùn)輸距離)貨運(yùn)密度：貨運(yùn)密度是設(shè)計(jì)線（或區(qū)段）每km的平均貨物周轉(zhuǎn)量。CM=CHZ/L(104t·km/km·a)選線設(shè)計(jì)需要的運(yùn)量參數(shù)(續(xù))貨流比：輕車方向貨運(yùn)量CQ與重車方向方向貨運(yùn)量CZ的比值。

λQZ=CQ/CZ貨運(yùn)波動(dòng)系數(shù)：一年內(nèi)最大的月貨運(yùn)量與全年月平均貨運(yùn)量的比值，以β表示。

β

=一年內(nèi)最大的月貨運(yùn)量/全年月平均貨運(yùn)量零擔(dān)、摘掛、快運(yùn)貨物和旅客列車鐵路運(yùn)量（二）

設(shè)計(jì)年度

鐵路設(shè)計(jì)線交付運(yùn)營后，設(shè)計(jì)線的能力與之相適應(yīng)的年度，分為近期、遠(yuǎn)期。近期為交付運(yùn)營后第五年，遠(yuǎn)期為交付運(yùn)營后第十年。各期運(yùn)量均應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)調(diào)查確定。

鐵路設(shè)計(jì)時(shí)，如何考慮鐵路設(shè)施的能力與運(yùn)量增長相適應(yīng)？對于可以逐步改、擴(kuò)建的建筑物和設(shè)備，應(yīng)按近期運(yùn)量和運(yùn)輸性質(zhì)確定，并考慮預(yù)留遠(yuǎn)期發(fā)展的條件；對于不易改、擴(kuò)建的建筑物和設(shè)備，應(yīng)按遠(yuǎn)期運(yùn)量和運(yùn)輸性質(zhì)確定。作用于列車上的力1作用于列車上的力來源：由機(jī)車動(dòng)力裝置傳給機(jī)車動(dòng)輪以旋轉(zhuǎn)力矩M，通過動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向相同力的大?。河伤緳C(jī)根據(jù)需要控制機(jī)車牽引力《列車牽引計(jì)算規(guī)程》：牽引計(jì)算時(shí)，機(jī)車牽引力按動(dòng)輪輪周牽引力計(jì)算。車鉤牽引力＝輪周牽引力－機(jī)車運(yùn)行阻力F：輪周牽引力作用于列車上的力1（續(xù)1）粘著牽引力粘著牽引力Fμ＝機(jī)車粘著質(zhì)量Pμ

×輪軌粘著系數(shù)μj計(jì)算公式：粘著牽引力限制：機(jī)車輪周牽引力不能大于機(jī)車所能產(chǎn)生的粘著牽引力作用于列車上的力1（續(xù)2）機(jī)車牽引性能曲線因?yàn)檎持禂?shù)與速度相關(guān)可以得到機(jī)車輪周牽引力與運(yùn)行速度相互關(guān)系曲線，通常由試驗(yàn)得到粘著牽引力：由粘著限制條件計(jì)算電動(dòng)機(jī)牽引力：電力機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)功率所決定的牽引力電動(dòng)機(jī)允許電流限制的牽引力：受電機(jī)持續(xù)電流發(fā)熱條件限制的牽引力；持續(xù)電流：電機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)不致使電機(jī)發(fā)熱溫度超過允許值的電流。粘著牽引力電機(jī)持續(xù)電流條件限制的牽引力曲線電動(dòng)機(jī)牽引力

電力機(jī)車牽引性能曲線作用于列車上的力1（續(xù)3）牽引力取值及參數(shù)最低計(jì)算速度與最大牽引力：電機(jī)持續(xù)電流限制的牽引力曲線的上限與電動(dòng)機(jī)牽引力曲線的交點(diǎn)A點(diǎn)所對應(yīng)的速度與牽引力稱為最低計(jì)算速度Vmin與最大計(jì)算牽引力Fmax起動(dòng)牽引力：取速度為零時(shí)的粘著牽引力為起動(dòng)牽引力《列車牽引計(jì)算規(guī)程》：電力機(jī)車牽引力取持續(xù)制，韶山3型機(jī)車自起動(dòng)至機(jī)車構(gòu)造速度，牽引力分別取粘著牽引力（CD段）、電動(dòng)機(jī)牽引力（DA段、BE段）和電動(dòng)機(jī)持續(xù)電流限制的牽引力（AB段）其他參數(shù)：機(jī)車質(zhì)量機(jī)車長度作用于列車上的力2來源：

列車運(yùn)行阻力：作用于列車上的阻止列車運(yùn)行且不能由司機(jī)控制的外力阻力類型：基本阻力附加阻力起動(dòng)阻力列車運(yùn)行阻力列車在空曠地段沿平直軌道運(yùn)行時(shí)所遇到的阻力列車起動(dòng)時(shí)的阻力列車在線路上運(yùn)行所受到的額外阻力，包括坡道阻力、曲線阻力、隧道阻力等列車阻力＝機(jī)車阻力+車輛阻力作用于列車上的力2（續(xù)1）構(gòu)成因素：

軸頸與軸承間的摩擦阻力

車輪與鋼軌的滾動(dòng)摩擦阻力

車輪在鋼軌上的滑動(dòng)摩擦阻力

軌道不平順與車輪踏面擦傷等引起的沖擊和振動(dòng)阻力

空氣阻力

基本阻力影響因素復(fù)雜，難以采用理論公式計(jì)算，一般采用試驗(yàn)公式：a、b、c—為常數(shù)，由試驗(yàn)確定；V—為列車運(yùn)行速度試驗(yàn)條件：V不小于10km/h，外溫不低于－10℃，風(fēng)速不大于5m/s作用于列車上的力2（續(xù)2）影響因素：

線路情況（坡道、曲線、隧道）

氣候條件（大風(fēng)、嚴(yán)寒等▲目前尚無可靠計(jì)算方法）附加阻力坡道附加阻力定義：

列車在坡道上運(yùn)行時(shí)，其重力在平行與軌道方向產(chǎn)生的分力方向：上坡-與運(yùn)行方向相反，正值下坡-與運(yùn)行方向相同，負(fù)值作用于列車上的力2（續(xù)3）α一般很小，可令sinα≈tanα，并將q的單位t換算為kg，則得：坡道附加阻力計(jì)算設(shè)機(jī)車或車輛的質(zhì)量為q(t)，其在坡道上運(yùn)行時(shí)，重力為q×g(N)，平行于軌道方向的分力F2就是坡道附加阻力，即線路坡度用千分率表示，即作用于列車上的力2（續(xù)4）因單位阻力的定義為單位質(zhì)量阻力，故坡度單位附加阻力為坡道附加阻力計(jì)算（續(xù)）綜合上述公式，可得坡道附加阻力為例1：設(shè)線路坡度為4‰，求坡度單位附加阻力？作用于列車上的力2（續(xù)5）曲線附加阻力定義：列車在曲線上運(yùn)行比直線上運(yùn)行增大的阻力起因：結(jié)合曲線運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析如下1）離（向）心力下，輪軌間的橫向滑動(dòng)；2）輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)面的摩擦增加；3）由于側(cè)向力的作用，上、下心盤之間以及軸承有關(guān)部分摩擦加劇根據(jù)試驗(yàn)得到曲線單位附加阻力公式為作用于列車上的力2（續(xù)6）曲線附加阻力計(jì)算設(shè)列車長度為Ll(m)，列車每延米質(zhì)量為q(t/m)1、Ll≤Ly時(shí)，列車全長均在曲線內(nèi)2、Ll＞Ly時(shí)，列車部分位于曲線內(nèi)3、列車位于n個(gè)曲線內(nèi)作用于列車上的力2（續(xù)7）隧道空氣附加阻力定義：列車在隧道運(yùn)行比在空曠地段運(yùn)行所增加的空氣阻力來源：空氣受隧道約束不能向四周擴(kuò)散，前端氣壓大，尾部稀薄，空氣與列車表面及隧道表面產(chǎn)生摩擦影響因素：行車速度、列車長度、列車迎風(fēng)面積、隧道長度、隧道凈空面積、列車表面粗糙度、隧道表面粗糙度根據(jù)試驗(yàn)得到曲線單位附加阻力公式為作用于列車上的力2（續(xù)8）附加阻力換算坡道曲線附加阻力可視為坡度產(chǎn)生的阻力，則換算坡度，即同理，隧道附加阻力也可視為坡度產(chǎn)生的阻力，即加算坡度縱斷面上每一坡段的坡度與與其換算坡度之和，即對應(yīng)單位加算阻力為作用于列車上的力2（續(xù)9）1、計(jì)算列車平均單位基本阻力1）韶山3型機(jī)車單位基本阻力為：例2：韶山3型電力機(jī)車，機(jī)車質(zhì)量P=138t，牽引質(zhì)量為2620t，列車長度為500m，車輛均為滾動(dòng)軸承貨車；列車在9‰的上坡道上運(yùn)行，運(yùn)行速度為70km/h；求列車處于下列平曲線地段的列車平均單位阻力：

1）曲線資料：R=1000m，α=30°；Ly=523.6m2）曲線資料：R=600m，α=26°；Ly=272.27m作用于列車上的力2（續(xù)10）2、計(jì)算加算阻力3）列車平均單位基本阻力為：2）計(jì)算車輛單位基本阻力為：由于線路上有坡道和曲線，所以應(yīng)計(jì)算相應(yīng)的坡道附加阻力和曲線附加阻力作用于列車上的力2（續(xù)11）3、計(jì)算列車平均單位阻力2）單位曲線阻力為：1）單位坡道阻力為：曲線1Ll＝500m＜Ly＝523.6m曲線2Ll＝500m＞Ly＝272.27m曲線1曲線2作用于列車上的力2（續(xù)12）起動(dòng)阻力來源：起動(dòng)時(shí)，軸頸與軸承的摩擦阻力增大；輪軌間存在滾動(dòng)阻力機(jī)車單位起動(dòng)阻力公式《列車牽引計(jì)算規(guī)程》：將起動(dòng)加速力包括在起動(dòng)阻力中考慮應(yīng)另行計(jì)算列車起動(dòng)時(shí)的基本阻力及起動(dòng)附近阻力內(nèi)燃和電力機(jī)車蒸氣機(jī)車貨車單位起動(dòng)阻力公式滑動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承式中：iq

—起動(dòng)地段的加算坡度(‰)對于滑動(dòng)軸承，當(dāng)計(jì)算結(jié)果小于5×g(N/t)時(shí)，按5×g(N/t)計(jì)算。作用于列車上的力3起因：使列車減速或停車性質(zhì)：由司機(jī)操縱制動(dòng)裝置產(chǎn)生的與列車運(yùn)行方向相反的力力的大?。河伤緳C(jī)控制制動(dòng)方式：空氣制動(dòng)（由摩擦產(chǎn)生制動(dòng)）動(dòng)力制動(dòng)（機(jī)車產(chǎn)生制動(dòng)力，包括電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)、液力制動(dòng)）電磁制動(dòng)（磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)）列車制動(dòng)力作用于列車上的力3（續(xù)1）制動(dòng)原理空氣制動(dòng)閘瓦制動(dòng)：以機(jī)車上裝置的空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣為動(dòng)力，推動(dòng)機(jī)車車輛上的制動(dòng)閘瓦壓緊車輪輪箍，由摩擦產(chǎn)生制動(dòng)。

盤形制動(dòng)：將閘瓦緊裝在車軸上的制動(dòng)盤而引起制動(dòng)作用，也是一種摩擦制動(dòng)方式。制動(dòng)特點(diǎn)制動(dòng)力大，當(dāng)列車速度為零時(shí)，仍然可產(chǎn)生較大的制動(dòng)力；所有機(jī)車車輛上，均安裝有空氣制動(dòng)裝置制動(dòng)用途用于區(qū)間緊急制動(dòng)和列車進(jìn)站停車計(jì)算公式為閘瓦與輪箍間的換算摩擦系數(shù)為列車換算制動(dòng)率作用于列車上的力3（續(xù)2）制動(dòng)原理電阻制動(dòng)利用列車在坡道上的下滑力帶動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)，使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行。制動(dòng)特點(diǎn)制動(dòng)特性穩(wěn)定，可根據(jù)運(yùn)行需要提供必要的制動(dòng)力；制動(dòng)力大小是速度的函數(shù)，低速運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)力迅速減小。

制動(dòng)用途用于區(qū)間調(diào)速與限速運(yùn)行

電阻制動(dòng)特性曲線最大勵(lì)磁電流限制線

最大制動(dòng)電流限制線最大勵(lì)磁電流限制線最大制動(dòng)電流限制線橫軸：列車速度縱軸：電阻制動(dòng)力

作用于列車上的力3（續(xù)3）1、若要求電力牽引的列車在區(qū)間以某規(guī)定的限制速度運(yùn)行，先按合力等于零的條件求出需要的制動(dòng)力電阻制動(dòng)力需要值的確定2、求出需要的制動(dòng)力后，根據(jù)機(jī)型查相應(yīng)的電阻特性曲線，若需要的制動(dòng)力在特性曲線的使用范圍內(nèi)，說明可以用電阻制動(dòng)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(dòng)力外，還需要輔以部分空氣制動(dòng)，使列車不超限速運(yùn)行。則，需要的電阻制動(dòng)力為

由合力為零的條件，可知

作用于列車上的力3（續(xù)4）1、計(jì)算列車平均單位基本阻力韶山3型機(jī)車和貨車的單位基本阻力分別為：例3：韶山3型電力機(jī)車，機(jī)車質(zhì)量P＝138

t，牽引質(zhì)量G＝2

620

t，牽引滾動(dòng)軸承貨車；在坡度為9‰

的下坡道上運(yùn)行，限速為77

km/h，試求采用電阻制動(dòng)能否控制列車按限速保持恒速下坡。2、計(jì)算電阻制動(dòng)力查圖知：V＝77

km/h時(shí)，最大能提供185

000

N的電阻制動(dòng)力，電阻制動(dòng)力在使用范圍內(nèi)，故僅用電阻制動(dòng)即可控制列車不超限速運(yùn)行。列車運(yùn)動(dòng)方程牽引運(yùn)行：作用力－牽引力運(yùn)行阻力惰力運(yùn)行：作用力－運(yùn)行阻力制動(dòng)運(yùn)行：作用力－運(yùn)行阻力制動(dòng)力列車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析合力為C列車工況加速C＞0等速C＝0減速C＜0列車運(yùn)動(dòng)方程1列車運(yùn)動(dòng)=平移運(yùn)動(dòng)+回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)列車運(yùn)動(dòng)方程式相應(yīng)的，動(dòng)能由兩部分組成設(shè)列車為剛性系統(tǒng)，則其動(dòng)能增量為根據(jù)動(dòng)能定律，可得c為單位合力列車運(yùn)動(dòng)方程2對積分，即可得到列車運(yùn)行時(shí)分和距離的公式運(yùn)行時(shí)分求解運(yùn)行時(shí)分和距離的方法直接積分法運(yùn)行距離近似積分法圖解法列車運(yùn)動(dòng)方程3將列車速度間隔劃分為小間隔ΔV，求速度由V1變化到V2的近似積分，可得近似公式如下近似積分法解算牽引運(yùn)行運(yùn)行距離不同工況下的不同表達(dá)形式運(yùn)行時(shí)分惰力運(yùn)行制動(dòng)運(yùn)行牽引質(zhì)量計(jì)算牽引質(zhì)量定義：也稱牽引噸數(shù)，就是機(jī)車所牽引的列車質(zhì)量限坡條件確定條件：一般線路：按列車在限制上坡道上，以機(jī)車計(jì)算速度做等速運(yùn)行為條件來確定牽引質(zhì)量--限坡條件

快速線上：按列車在平直道上的最高速度運(yùn)行，并保有加速度余量為條件來確定牽引質(zhì)量--最高速度條件

牽引質(zhì)量的計(jì)算等速運(yùn)行條件下，合力為零，即設(shè)機(jī)車的計(jì)算速度為Vj，對應(yīng)的機(jī)車計(jì)算牽引力為Fj；則牽引質(zhì)量計(jì)算1列車在限坡上總阻力為由運(yùn)動(dòng)方程可得，列車牽引質(zhì)量為多機(jī)牽引或補(bǔ)機(jī)推送時(shí)λy——機(jī)車牽引力使用系數(shù)，取0.9；∑λ——多機(jī)牽引或補(bǔ)機(jī)推送時(shí)，機(jī)車牽引力利用系數(shù)之和牽引質(zhì)量計(jì)算2最高速度條件設(shè)列車最高速度為Vmax(km/h)，此時(shí)機(jī)車牽引力為Fg(N)，保有的加速度余量為a(m/s2)，對應(yīng)的牽引質(zhì)量為Gg(t)，則扣除加速度余量后的機(jī)車牽引力F為：列車運(yùn)行阻力為列車等速運(yùn)行合力為零，即牽引質(zhì)量計(jì)算31、計(jì)算機(jī)車和貨車平均單位基本阻力查表得：Vj=48km/h，F(xiàn)j=317800N，P=138t例4：韶山3型電力機(jī)車牽引滾動(dòng)軸承貨物列車，線路限制坡度為ix=9‰，求列車的單機(jī)牽引質(zhì)量2、計(jì)算牽引質(zhì)量取G為10t整倍數(shù)，舍去