鐵路選線設計與線路CAD：第2章 鐵路能力

1、 第二章 鐵路能力 1鐵路運量2列車牽引質(zhì)量及其限制條件3運行速度與運行時分4鐵路通過能力與輸送能力5鐵路等級與主要技術(shù)標準 第二章 鐵路能力 1鐵路運量1.1客貨運量的意義設計鐵路能力的依據(jù) 決定 決定客貨運量主要技術(shù)標準運輸裝備的能力評價經(jīng)濟效益的基礎 決定 運營收入客貨運量 運輸成本 投資償還期影響線路方案的取舍投資大的方案運營條件好，運營支出小。投資小的方案運營條件差，運營支出大。 客貨運量在鐵路設計中的重要作用運量偏大建設標準和技術(shù)裝備偏高，投資增大能 力 閑置，投資浪費，運營收入偏少投資效益降低運量偏小投資減少，能力很快飽和鐵路過早改建 不經(jīng)濟1.2客貨運量的調(diào)查和預測 劃定吸引范

2、圍貨運量的確定客運量的確定劃定吸引范圍直通吸引范圍（圖21）定義：路網(wǎng)中客貨運量通過設計線運送的有利區(qū)域范圍。劃定方法：按等距離的方法，哪邊近就走哪邊。上、下行方向直通吸引范圍不同，需分別勾畫。 求出ABFDA的總里程TM1TM1=600+80+390+350+160+90 =1670km求出ABECA的總里程TM2TM2=600+290+300+370+200 =1760km 上行直通吸引范圍的確定：在環(huán)路ABFDA中找出距B點為TM1/2的點D點，在環(huán)路ABECA中找出距B點為TM2/2的點C點，則CADB即為上行直通吸引范圍。 下行直通吸引范圍的確定：在環(huán)路ABFDA中找出距A點為TM1

3、/2的點F點，在環(huán)路ABECA中找出距A點為TM2/2的點E點，則EBFA即為下行直通吸引范圍。 地方吸引范圍（圖22）定義：在設計線行經(jīng)地區(qū)內(nèi)，客貨運量由設計線運送的有利區(qū)域范圍。確定原則：按運量由設計線運送運價最低的原則確定，哪邊花錢少就往哪邊走。步驟：找出設計線和鄰接鐵路上的經(jīng)濟據(jù)點將相關(guān)聯(lián)的據(jù)點用直線連接作各連線的垂直平分線，垂線交成的多邊形，即為地方吸引范圍修正吸引范圍貨運量的確定直通貨運量按地區(qū)間物資交流規(guī)劃，按上下行方向分別確定。地方貨運量按產(chǎn)銷運平衡法確定。 0，為運出量地方貨運量產(chǎn)量當?shù)劁N售量 0，為運入量 鐵路地方運量地方貨運量其他方式貨運量客運量的確定地方客運量乘車率（每

4、人每年乘車次數(shù)）人口總數(shù)直通客運量地方客運量 直通客運量地方客運量1.3鐵路選線設計所需要的運量參數(shù)貨運量一年內(nèi)單方向需要運輸?shù)呢浳飮崝?shù)，按上下行分別計算。貨物周轉(zhuǎn)量等于單方向一年內(nèi)各種貨運量乘以相應運距，表示一年內(nèi)所完成的貨運工作量。C=Ci (104t/a)Ci 某種貨物的年貨運量CHZ=（CiLi) (104t-km/a)貨運密度設計線或區(qū)段每公里的平均貨物周轉(zhuǎn)量。貨流比貨流比輕車方向的貨運量重車方向的貨運量輕車方向貨運量較小的那個方向貨運波動系數(shù)貨運波動系數(shù)一年內(nèi)最大月貨運量全年月平均貨運量 CM= CHZ /L (104t-km/km-a)QZ= CQ / CZ = 一年內(nèi)最大的月貨

5、運量 /全年月平均貨運量 列車種類零擔列車：在中間站辦理零擔貨物裝卸，貨運量小于一整車。摘掛列車：在中間站辦理貨車甩掛和到貨場取送車作業(yè)，只運送整車貨物?？爝\貨車：很少停站，一般只在大站停車（區(qū)段站）。旅客列車：專門運送旅客的列車。 1.4設計年度 鐵路設計年度： 鐵路設計線交付運營后，設計線的能力與之相適應的年度，分為近期、遠期。近期為交付運營后第十年，遠期為交付運營后第二十年。 各期運量均應通過經(jīng)濟調(diào)查確定。 鐵路設計時，如何考慮鐵路設施的能力與運量增長相適應：對于可以逐步改、擴建的建筑物和設備，應按近期運量和運輸性質(zhì)確定，并考慮預留遠期發(fā)展的條件；對于不易改、擴建的建筑物和設備，應按遠期

6、運量和運輸性質(zhì)確定。2列車牽引質(zhì)量及其限制條件2.1作用在列車上的力2.1.1機車牽引力形成機車動力裝置產(chǎn)生機械能傳動裝置將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給動輪動輪與鋼軌間相互作用產(chǎn)生牽引力。 牽引力制動力運行阻力F1=F2=M/RF=F3=M/R牽規(guī)規(guī)定：牽引計算中的機車牽引力按動輪輪周牽引 力計算。 動輪轉(zhuǎn)矩M對機車是內(nèi)力，不能使機車前進，可以用一對力F1、F2來代替M。（圖23）F1作用在鋼軌上企圖推移鋼軌；F2作用在動輪中心，即輪軸的軸承上。輪心O及輪軌接觸點處必產(chǎn)生反力矩F、F3大小與M相等，方向相反。F3為軸承作用于輪軸的反作用力，F(xiàn)為鋼軌作用于車輪的反作用力。各力平衡后，只剩下作用于機車上

7、的唯一外力F，也就是使機車前進的牽引力，稱為輪周牽引力。 粘著牽引力的限制輪周牽引力是動輪壓在鋼軌上產(chǎn)生的粘著力。輪周牽引力的最大值為動輪荷載的重力乘以輪軌間的粘著系數(shù)，即為粘著牽引力。機車的輪周牽引力不能大于該值。式中： 機車粘著質(zhì)量 計算粘著系數(shù) 的影響因素：行車速度線路情況動輪踏面和鋼軌與表面狀況 機車牽引性能曲線機車輪周牽引力與速度的關(guān)系曲線電力機車a原理： 受電弓 變壓器 整流器 25千伏高壓交流電機車1500伏低壓交流電直流電供給牽引電機傳動裝置 輪軌作用動輪得到旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生機車牽引力 受電弓b牽引性能曲線分析粘著牽引力曲線CD電動機牽引力曲線：1、2、38、8、8，由牽引電機的功

8、率決定，干線機車通過改變端電壓和磁通量來調(diào)節(jié)速度。電動機允許電流限制的牽引力曲線AB段，持續(xù)電流限制線。A點對應最低計算速度和最大計算牽引力。 速度和牽引力的調(diào)節(jié)：當需要大的牽引力和速度時，電壓應調(diào)在較大的位置。當列車啟動或在限速下運行時，采用較低的電壓。當速度要求高而牽引力不需要很大時，采用削弱磁場運行。 內(nèi)燃機車a概述內(nèi)燃機車不采用內(nèi)燃機直接驅(qū)動車輪的方式如果內(nèi)燃機直接驅(qū)動車輪，其特性曲線不是理想的恒功雙曲線形式，不能適應機車牽引特性要求，應采用如下傳動方式： 傳動裝置 輪軌作用內(nèi)燃機發(fā)出功率機車動輪產(chǎn)生牽引力 傳動方式機械傳動只適用于小功率機車電傳動只適用于小功率機車液力傳動大小功率機車

9、均適用 內(nèi)燃機功率影響牽引力的因素 傳動裝置 輪軌粘著能力 b特性曲線原理：內(nèi)燃機帶動發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動牽引電機動輪獲得旋轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生牽引力內(nèi)燃機車牽引力修正原因：空氣稀薄和高溫導致內(nèi)燃機功率下降 空氣溫度修正系數(shù)牽引力修正系數(shù) 海拔修正系數(shù) 隧道影響修正系數(shù)2.1.2列車運行阻力概述列車阻力包括機車阻力和車輛阻力基本阻力：空曠地段沿平直軌道運行的阻力。附加阻力：列車運行時受到的額外阻力，有坡道阻力，曲線阻力，隧道阻力。起動阻力：列車起動時的阻力。基本阻力 軸頸與軸承間的摩擦阻力 車輪與鋼軌間的滾動摩擦阻力構(gòu)成基本阻力的因素 車輪在鋼軌上的滑動摩擦阻力 沖擊和震動阻力 空氣阻力機車單位基本阻力機車的

10、運行工況惰力運行（牽引力0） 基本阻力包括機車傳動機構(gòu)的機械阻力。牽引運行（牽引力0） 計算牽引力已扣除傳動機構(gòu)的機械阻力。制動運行 注意：客車、貨車的外形、尺寸和軸荷載不同，空重車重量不同，應分別計算。裝載輕浮貨物的車輛，凡不足標記裝載量的一半，按重車計算。列車基本阻力與平均單位基本阻力 附加阻力坡道附加阻力定義：列車在坡道上運行時，受到的重力與支持力的合力。方向：平行于坡道，指向下坡方向。很小，有sintan，得坡度 坡道單位附加阻力 曲線附加阻力引起曲線附加阻力的因素轉(zhuǎn)向架輪緣于鋼軌的額外摩擦離（向）心力作用下，輪軌間的額外橫向滑動曲線上內(nèi)外軌長度不同，車輪滾動半徑不同，增加輪軌縱向滑動

11、轉(zhuǎn)向架上下心盤、軸瓦與軸頸之間摩擦加劇計算式假定圓曲線長Ly，曲線轉(zhuǎn)角為，則列車平均單位基本阻力設列車長Ll米，每延米質(zhì)量為q噸LlLy時，列車全長均在曲線內(nèi)LlLy時，僅有Ly長的列車受到曲線阻力列車位于n個曲線上隧道空氣附加阻力產(chǎn)生原因：空氣受隧道約束，不能擴散，前端壓力大，尾部稀薄，與列車及隧道表面產(chǎn)生磨擦。影響因素：行車速度，列車長度，列車迎風面積，隧道長度，隧道凈空面積，列車及隧道表面粗糙度附加阻力換算坡度及加算坡度換算坡度曲線阻力換算坡度 （）隧道阻力換算坡度 （）加算坡度 （） i線路實際坡度。必須保證加算坡度不超過限坡。 起動阻力產(chǎn)生原因：軸承與軸頸的摩擦阻力增大 油膜減薄 油

12、的粘度增大滾動阻力增大（鋼軌上產(chǎn)生的凹形變形比運行時的大）靜態(tài)慣性力2.1.3列車制動力概述制動方式：閘瓦摩擦制動（空氣制動）機車動力制動（制動力由機車產(chǎn)生） 電阻制動原理：利用電機可逆原理，將牽引電機變?yōu)榘l(fā)電機使用。電機發(fā)的電能消耗在機車特設的電阻中。動輪在慣性力作用下帶動傳動齒輪電動機發(fā)電產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩阻止車輪轉(zhuǎn)動。若電能反饋給電網(wǎng)加以利用，則稱為再生制動。 液力制動 傳動齒輪 定子原理：慣性力帶動轉(zhuǎn)子工作油加速工作油減速產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩形成制動力機車制動力的特性機車運行速度較高時，制動力隨速度增大而降低。當運行速度低于最小發(fā)電速度或產(chǎn)生反扭矩速度時，動力制動不起作用。當速度趨向于零時，制動力消

13、失。 空氣制動力計算空氣制動原理 傳動裝置空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮空氣閘瓦壓緊車輪輪箍產(chǎn)生制動力列車單位制動力的計算制動力不得大于輪軌間的粘著力 單位列車制動力為 h列車單位換算閘瓦壓力 h 換算摩擦系數(shù)電阻制動力計算電阻制動原理 傳動齒輪慣性力帶動電動機發(fā)電產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩阻止車輪轉(zhuǎn)動電動機發(fā)出的電消耗在機車特設的電阻中 特性曲線最大勵磁電流限制線a最大制動電流限制線b 電阻制動力需要值的確定列車按限坡恒速下坡 制動力 求出Bd后，再按機型查曲線圖，看是否還需要輔以空氣制動。 2.2列車運動方程式2.2.1列車運動狀態(tài)分析機車的三種工況牽引運行：作用力為牽引力和阻力。 合力C=F-W惰力運行：列車牽引

14、力為0，靠慣性運行，只有阻力作用。 合力C=-W制動運行：作用力為阻力和制動力。 合力C=-(W+B)當C0時，列車加速運行。當C0時，列車減速運行。當C0時，列車等速運行。 t及s的求解方法直接積分法一般將C表示成為速度的函數(shù)，再進行積分。近似積分法將積分式所表示的面積分成有限個曲邊梯形，在每個梯形中，合力C可視為常數(shù)。圖解法利用近似積分法原理，將近似積分算式變?yōu)閳D解法進行。 2.3牽引質(zhì)量及其限制條件牽引質(zhì)量：牽引噸數(shù)，機車所牽引的車列質(zhì)量。牽引質(zhì)量的確定：在新線設計及運營線上，按在限制坡度上，以機車計算速度作等速運行確定?？焖倬€上，按列車在平直道上的最高速度運行，并保有一定的加速度余量來

15、確定。 2.3.1牽引質(zhì)量計算列車在限坡上以計算速度作等速運行 多機牽引或補機推送時 平直道上高速運行，并保有一定的加速度余量 當0.06時， 2.3.2牽引輛數(shù)、凈載及列車長度計算 一般計算貨車牽引輛數(shù)n（包括守車） 貨車牽引凈載GJ貨車長度Ll 新線設計中的簡化計算貨車牽引輛數(shù)貨車牽引凈載 Kj 貨車凈載系數(shù)，取0.72 貨車長 q貨車平均每延米質(zhì)量，取5.677t/m 2.3.3牽引質(zhì)量檢算起動檢算受起動條件限制的牽引質(zhì)量當GqG時，列車可以起動。當GqG時，列車不能起動，應降低G或減少站坪設計坡度。 車站到發(fā)線有效長檢算 La安全距離，一般取30米。若GyxG，則牽引質(zhì)量不受到發(fā)線有效

16、長限制。車鉤強度檢算 Fc車鉤允許拉力若GyxG，則應采用補機推送。一個區(qū)段的貨車牽引質(zhì)量受上述三個條件限制， 按上述限制條件確定的最小的牽引質(zhì)量稱為牽引定數(shù)。 相鄰線路統(tǒng)一牽引定數(shù)，能減少直通列車在技術(shù)站的改編作業(yè)量，加速車輛的周轉(zhuǎn)。我國直通貨車的牽引定數(shù)受機車類型和限制坡度決定，受到發(fā)線有效長的限制。超軸牽引：技術(shù)嫻熟的機車乘務組采用先進的操作方法， 使實際牽引的噸數(shù)超過規(guī)定的牽引定數(shù)。欠軸牽引：列車編掛輛數(shù)不足，或遇到嚴寒逆風天氣， 需要降低牽引定數(shù)。3 運行速度與運行時分3.1單位合力曲線及其應用3.1.1單位合力曲線圖所需資料：機車類型、機車數(shù)量及牽引方式、牽引質(zhì)量、列車單位閘瓦壓力

17、。 單位合力的計算按下列三種工況進行計算牽引運行牽引力、基本阻力惰力運行基本阻力 空氣制動空氣制動力，基本阻力制動運行 電阻制動電阻制動力，基本阻力 空氣與電阻制動并用空氣制動力， 電阻制動力， 基本阻力 注意點速度V：由0開始，每隔10km/h取值，應引入牽引性能曲線上各轉(zhuǎn)折點的速度。V=0時, 按V=10km/h計算。牽引力F：從牽引性能曲線圖上查出。空氣制動力b：常用制動取0.5b，空氣與電阻制動合用時，取0.2b。電阻制動力Bd：查電阻制動特性曲線。 下坡限制速度計算目的：保證列車及時停車。最大制動距離：800米。 空走距離：司機移動閘炳時起，到閘瓦發(fā)生 作用時行走的距離。制動距離 有

18、效制動距離：從閘瓦發(fā)生作用到 完全停車所走的距離。 近似積分法 限速計算已知：Sb=800m,Vmo=0,求Vch。代入試算可得。當h=2.6KN/t時，回歸出Vx=751.2i(km/h)繪制單位合力曲線圖橫軸單位合力縱軸速度 牽引運行惰力運行空氣制動電阻制動空氣與電阻制動并用限速線 3.1.2單位合力曲線特性有加算坡度時的合力曲線如果i0,縱軸左移10i值。 i0,縱軸右移10i值。均衡速度的確定合力為0時列車的速度不同的線路情況（上坡、平坡、下坡）和不同的機車工況對應不同的均衡速度。 VVjh 列車加速運行判斷列車運行狀況 VVjh 列車勻速運行 VVjh 列車減速運行確定按限速運行時的

19、機車操作狀態(tài)原則：使列車運行時間盡量短。使用空氣制動制動力由機車本身產(chǎn)生空氣制動的周期制動機車、車輛交替制動 3.2運行速度與運行時分計算3.2.1數(shù)值解法（基于列車運動方程式）直接積分法近似積分法優(yōu)點：計算精度高。缺點：考慮因素多，計算復雜。計算量大，一般用計算機進行。 3.2.2均衡速度法原理：假定列車在每一坡道上均按該坡道的均衡速度或限速作 等速運行。計入起動、停車附加時分。 上坡 下坡注意：用均衡速度法計算列車運行時分的 誤差較大，一般只用于概略計算。 4 鐵路通過能力與輸送能力 通過能力定義：鐵路每晝夜可通過的列車對數(shù)單線 鐵路每晝夜每一方向通過的列車數(shù)雙線4.1列車運行圖橫軸：表示

20、時間，每10min劃一豎線?？v軸：表示距離，每一車站中心劃一橫線。斜線：列車運行線，表示列車在區(qū)間的運行情況。斜率越 大、線越陡，列車速度越快，運行時分越短。編號：離開北京方向列車為單數(shù)，稱為下行列車?；鼐┓较蛄熊嚍殡p數(shù)，稱為上行列車。 運行圖種類：非平行運行圖（運營中使用）特點：各種列車在同一站間、同一方向運行線互不 平行。原因：列車種類不同。 平行成對運行圖（設計中使用）特點：運行線相互平行。假定：運行的列車均為直通貨物列車；同一方向、同一站間運行速度相同，往返成對。采用此圖可直接計算通過能力，可用一個運行圖周期表示一晝夜的運行情況。 4.2列車運行速度客車設計速度根據(jù)運營條件確定的行車速

21、度走行速度中間站不停車通過的區(qū)段平均速度技術(shù)速度中間站停車的區(qū)段平均速度旅行速度計入起停附加時分和中間站停車時分 的區(qū)段平均速度4.3通過能力計算 4.3.1單線鐵路通過能力計算圖式：平行成對運行圖一對貨物列車占用的區(qū)間總時分運行圖周期 （對/d） 4.3.2雙線鐵路通過能力 計算圖示：平行運行圖 上下行通行能力要分別計算半自動閉塞，連發(fā)運行 前后列車均通過前方車站，則tL=23min。若前一列車通過，后一列車停站，則tL=46min。 自動閉塞，追蹤運行 I追蹤間隔時分，810min。 4.4列車對數(shù)計算 N通過能力儲備系數(shù)扣除系數(shù) 滿軸系數(shù)，質(zhì)量之比。 4.5輸送能力定義：鐵路單方向每年能

22、運送的貨物噸數(shù)。 （Mt/a）Gj普通貨車凈載貨運波動系數(shù) ，由經(jīng)濟調(diào)查確定，通常取1.15 5鐵路等級與主要技術(shù)標準 5.1 鐵路等級： 是鐵路的基本標準，設計鐵路時需先確定鐵路等級，然后選定其他主要技術(shù)標準和各種運輸裝備的類型。 鐵路等級劃分：新建和改建鐵路或區(qū)段的等級應根據(jù)其在鐵路網(wǎng)中的作用、性質(zhì)和遠期客貨運量確定，并應符合下列規(guī)定： I級鐵路：鐵路路網(wǎng)中起骨干作用的鐵路，遠期年客貨運量大于或等于20Mt者。 II級鐵路：鐵路網(wǎng)中起骨干作用的鐵路，遠期年客貨運量小于20Mt者；或鐵路網(wǎng)中起聯(lián)絡、輔助作用的鐵路，遠期年客貨運量大于或等于10Mt者； III級鐵路：為某一區(qū)域服務具有地區(qū)運輸

23、性質(zhì)的鐵路，遠期年客貨運量小于10Mt者。 鐵路主要技術(shù)標準： 定義：是指對鐵路輸送能力、工程造價、運營質(zhì)量以及選定其他有關(guān)技術(shù)條件有顯著影響的基本標準和設備類型。 “線路設計規(guī)范（簡稱線規(guī)）”規(guī)定的各級鐵路主要技術(shù)標準的內(nèi)容包括：正線數(shù)目、限制坡度、最小曲線半徑、車站分布、到發(fā)線有效長度、牽引種類、機車類型、機車交路、和閉塞類型等。 工程標準：正線數(shù)目、限制坡度、最小曲線半徑、車站分布、到發(fā)線有效長度； 技術(shù)裝備類型：牽引種類、機車類型、機車交路、和閉塞類型5.2鐵路的主要技術(shù)標準 牽引種類和機車類型影響牽引噸數(shù)的標準 限制坡度 到發(fā)線有效長 正線數(shù)目影響通過能力的標準 車站分布 閉塞方式

24、最小曲線半徑影響運行速度的標準 機車交路5.2.1影響牽引噸數(shù)的主要技術(shù)標準牽引種類和機車類型 蒸汽牽引過時，已停產(chǎn)，正逐步被淘汰牽引種類 電力牽引發(fā)展的方向，正在我國推廣 內(nèi)燃牽引目前已普及，是目前和今后 的主要牽引種類 機車類型蒸汽機車電力機車優(yōu)點：熱效率高；整備時間短，利用率高； 功率大，速度高，牽引力大。缺點：獨立性較差。內(nèi)燃機車優(yōu)點：熱效率高；整備時間短，利用率高； 速度高，牽引力大，可顯著增加鐵路能力。缺點：造價高；消耗貴重的液體燃料。 限制坡度設計線單機牽引的最大坡度到發(fā)線有效長定義：車站到發(fā)線能停放貨物列車而不影響 相鄰股道作業(yè)的最大長度。 決定 決定 決定 到發(fā)線有效長貨物列車長車輛數(shù)目牽引 決定 影響噸數(shù)車站站坪長度工程數(shù)量 5.2.2影響通過能力的主要技術(shù)標準正線數(shù)目單雙線通過能力懸殊很大單線半自動閉塞 N=4248對/天雙線自動閉塞 N=14418