列車的推進(jìn)功率要求

這隨著服務(wù)的類型而變化。對(duì)于城市間的客運(yùn)和貨運(yùn)列車，推動(dòng)列車上坡和獲得預(yù)定時(shí)間的功率是及其重要的。對(duì)于通勤和高速交通服務(wù)，功率要求中一個(gè)重要的因素是快速加速的需要。對(duì)于私人高速運(yùn)輸，速度相對(duì)較低，但是功率必須足以快速加速到所需的速度。對(duì)于所有服務(wù)類型，功率必須足以克服坡度、曲線和滾動(dòng)阻力。運(yùn)行時(shí)間的要求、服務(wù)的頻率和運(yùn)行的成本必須全部考慮。

1 列車運(yùn)動(dòng)阻力

由升坡產(chǎn)生的坡度阻力，對(duì)于每噸列車等于20倍的百分比坡度。從而，在1.5%的坡度上，坡度阻力是301b/ton; 在1.0%的坡度上，為20lb/ton; 在0.5%坡度上，為10lb/ton。在下坡坡度中，相同的力加速列車，必須由制動(dòng)加以控制。

曲線阻力是通過曲線時(shí)，引導(dǎo)和滑動(dòng)車輪所需的附加阻力。通常認(rèn)為曲線阻力等于每度彎曲是0.04%坡度阻力。從而，在4°曲線上，曲線阻力將是每噸列車0.04×20×4=3.2lb。在限制坡度上通過減少相對(duì)于曲線的長度的坡度來補(bǔ)償曲率是一種慣例。因而，如果在一條線路上相對(duì)于曲率補(bǔ)償?shù)南拗破露仁?.5%，在計(jì)算功率要求時(shí)，不需要對(duì)曲線阻力給予考慮，因?yàn)樗�已�?jīng)包括在坡度中了。鋼軌潤滑器的使用使曲線阻力減少大約二分之一。曲線阻力在下降坡度上趨于減速列車。

滾動(dòng)阻力或列車阻力是對(duì)于水平直軌上的列車運(yùn)動(dòng)的阻力。列車阻力受到速度、車軸上的重量和軌道特點(diǎn)的影響。因?yàn)橄鄬?duì)較小，最后一個(gè)因素通�！”缓雎浴�帶有滾動(dòng)軸承時(shí)，起動(dòng)阻力較小，但是列車起動(dòng)之后，對(duì)于滾柱式和整體式軸承，列車阻力大致一樣。例如，對(duì)于帶有整體式軸承的車廂，起動(dòng)阻力可以達(dá)20lb/ton，但是一旦車廂處于運(yùn)轉(zhuǎn)中時(shí)，列車阻力變成5lb/ton; 在滾動(dòng)軸承上同樣的車廂將具有與低速運(yùn)行時(shí)相同的起動(dòng)阻力，51b/ton。

2 列車阻力公式

有幾個(gè)公式用于計(jì)算列車阻力。戴維斯公式 (W.J.Davis，Jr.，《電動(dòng)機(jī)車和車廂的牽引阻力》，通用電動(dòng)機(jī)回顧，1926.10) 是由幾個(gè)調(diào)查人得到的代表性結(jié)果。依照AREA 《鐵道工程手冊(cè)》，對(duì)于5～40mi/h的速度，戴維斯公式給出了滿意的結(jié)果。不過，增大的尺寸和較重的貨運(yùn)車廂加載，貨運(yùn)列車更高的運(yùn)行速度以及自公式形成的車廂類型的變化使得更改戴維斯方程式中的常數(shù)是合理的。新近的試驗(yàn)證明了使用下列修改的戴維斯公式改良的結(jié)果：

(19.19)

式中 R——阻力 (lb/ton);

W——軸負(fù)重 (ton);

N——每個(gè)車廂的軸數(shù);

V——速度 (mi/h);

K——空氣阻力系數(shù)，對(duì)于傳統(tǒng)的貨運(yùn)列車設(shè)備，0.07; 平板車 (背負(fù)式運(yùn)輸) 拖車，0.16; 平板車集裝箱，0.0935。

方程中的最后一項(xiàng)KV²/WN，表示了由于列車速度產(chǎn)生的空氣阻力。在高速下，這成為列車阻力中一個(gè)主要因素，考慮車廂的橫斷面面積、車廂設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力學(xué)性能、空氣密度以及風(fēng)速和方向是必要的。

關(guān)于高速客運(yùn)業(yè)務(wù)這個(gè)主題的詳細(xì)論述，參見J.L.Koffman《多部件機(jī)車拖運(yùn)客運(yùn)列車的牽引阻力》 (鋼軌工程國際性組織，1973.4—5)。作者建議下列公式作為用于英國和大陸鐵路的現(xiàn)代客運(yùn)列車設(shè)備的代表：

(19.20)

式中 R——傳統(tǒng)客運(yùn)列車的總牽引阻力 (kg);

W——列車整體重量 (mton);

n——列車中的臥車數(shù)量;

V——列車速度 (km/h)。

有效的機(jī)車和臥車最大截面視為10m²，基于速度達(dá)100mi/h的機(jī)車的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方程 (19.20) 假定一個(gè)0.6的空氣阻力系數(shù)。使用某些對(duì)空氣動(dòng)力特性給予很少考慮的車廂設(shè)計(jì)，對(duì)于8車廂列車，認(rèn)為空氣阻力系數(shù)高達(dá)1.85。另一方面，對(duì)于249.5m長的10臥車Tokaido列車，對(duì)其在風(fēng)洞中做了大量的模型試驗(yàn)以得到良好的空氣動(dòng)力特性，認(rèn)為空氣阻力小至0.97。美國鐵路協(xié)會(huì)繼續(xù)在測試新的設(shè)備并更新數(shù)值。

在以超過100mi/h的速度運(yùn)行的車輛的設(shè)計(jì)中，考慮空氣動(dòng)力特性是非常重要的，因?yàn)樵谶@些高速下，空氣阻力造成大量的滾動(dòng)阻力，并隨著速度的平方增大。

3 計(jì)算運(yùn)行時(shí)間和燃油消耗量

在新建工程或現(xiàn)有路線的修改的不同路線的相對(duì)合意性對(duì)比中，運(yùn)行時(shí)間和燃油消耗量是有用的數(shù)據(jù)。運(yùn)行時(shí)間可以通過速度剖面方法計(jì)算。

在這個(gè)方法中，加速力 (lb/ton) 通過從機(jī)車的牽引拉桿力特征中減去水平軌道上的列車阻力計(jì)算。從起動(dòng)到最大允許運(yùn)行速度，這個(gè)計(jì)算關(guān)于5mi/h的增量重復(fù)進(jìn)行。因?yàn)槠露茸枇κ?0lb/ton(見第1節(jié))，加速力可以通過除以20變?yōu)橐粋�(gè)等值坡度。路線的實(shí)際剖面繪于顯示高度一距離的圖表中。在同一張圖表中，對(duì)于每個(gè)速度增量，等值坡度繪于點(diǎn)之間，對(duì)其實(shí)際坡度和等值坡度之間的垂直差值等于速位差。對(duì)任何速度的速位差 (ft) 是

VH =0.035V² (19.21)

其中，V是速度，單位為mi/h。這個(gè)公式將列車歸于其速度的動(dòng)能和其車輪中的旋轉(zhuǎn)能量表示為歸于高度的等效勢能。同樣的程序適用于減少速度或停止的制動(dòng)。象征等值坡度的一系列線就是速度剖面 (列車性能計(jì)算的詳細(xì)說明見《鐵道工程手冊(cè)》，美國鐵道工程和線路養(yǎng)護(hù)協(xié)會(huì))。在為線路完成速度剖面之后，通過把關(guān)于增量的平均速度行駛距離的每個(gè)增量所需的時(shí)間加起來得到運(yùn)行時(shí)間�？梢允褂糜�(jì)算機(jī)來簡化和加速所需的計(jì)算。

機(jī)車工作在全容量、部分容量或漂移中的時(shí)間可以由速度剖面來確定。將每個(gè)時(shí)段乘以相應(yīng)的特殊機(jī)車使用燃料的速率就產(chǎn)生燃油消耗量�？梢杂糜谟�(jì)算燃油消耗量的另一種方法是首先計(jì)算出做的總功，這是由克服滾動(dòng)阻力所做的功加上在升坡上的重力阻力所做的功、加上曲率產(chǎn)生的阻力所做的功而成。從這個(gè)總數(shù)中應(yīng)當(dāng)減去在下降坡度上的重力能量，但是由于剎車的應(yīng)用產(chǎn)生的能量損失 (速位差) 應(yīng)當(dāng)添加到總功中。

總功 (ft·lb) 可以通過乘以4 (25%的效率)并除以9千萬 (每加侖柴油的能量ft·lb數(shù)) 變?yōu)椴裼偷募觼鰯?shù)。