Transcript 鐵路工程
行車運轉
鐵路車輛
車軸配置
VDEV
Bruth White
美國式
<ooOO
2B
2/4
4-4-0
American type
<ooOOOo
2C1
3/6
4-6-2
Pacific type
<oOOO
1C
3/4
2-6-0
Mogul type
<oOOOOo
1D1
4/6
2-8-2
Mikado type
<oOOOO
1D
4/5
2-8-0
Consolidation
<OOO OOO
Co-Co
6/6
0-6-6-0 Mallet type
<OO OO
Bo-Bo
4/4
0-4-4-0
<OoO OoO
AIA-AIA
4/6
黏著力
摩擦係數
動軸軸重
輪重轉移
防空轉裝置
滑上型脫軌
爬上型脫軌
Y
tan f
Q 1 f tan
Source: 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993
阻力
慣性
starting resistance,
acceleration resistance
重力
Grade resistance
摩擦
Train resistance
空氣
Wind resistance
轉向
Curve resistance
Tractive effort = Train resistance
F = W =
Wf
+
Wi
Running resistance:
rolling on a straint
and level track
Gradient resistance:
force due to weight
of the trainset on a
gradient
+
Wa
+
Wb
Acceleration
resistance:
force to accelerate
the train
- Resistance of wheels
Curve resistance:
- Friction of bearings
additional resistance
- Air resistance
during curves
Running (train) Resistance
Internal resistance (列車機件間活動摩擦損耗)
Axle loading related
Journal friction
Rolling resistance
Track resistance
Speed related
Flange friction
Oscillation, swaying
Square of speed related
Air resistance
Axle loading related
Journal friction : 軸頸(承)阻力
重量大,溫度低,阻力係數大。
冬天起步阻力大,一段時間後,
阻力變小。
David‘s equation Rj = 1.3wn + 29n
成功大學 郭振銘老師 攝
Rolling resistance : 輪軌間摩擦力,接觸面壓平效應
因素複雜,金屬種類、表面狀況(乾淨、潮濕、油漬、鏽蝕、、)
fr = f (rolling) 金屬摩擦係數
Track resistance
重壓之下軌道變形,車輪前緣呈隆起狀,形同爬坡。
Rtr = f(track structure)
重軌或減輕車重=> Stiffness increase => deflection/bending decrease
Square of speed related
Speed related
Flange resistance : comes
from hunting action
swaying, oscillation
與車廂底盤輪軸距離
成反比。
不易量測,通常以
Train resistance減去
Journal friction 和Air
resistance。
Air resistance : 在無風狀況下
之空氣阻力
與車速平方成正比,與車廂斷面
積成正比 = CAV2 (CAV2/wn)
C : experimental coefficient
A : cross section
V : train speed
w : weight per axle
n : number of axles
Running (Train) Resistance Models
RuM
20
KV 2
0.6 0.01V
w
wn
Gradient resistance (坡度阻力)
距離與垂直距離之比, ‰
○ 1000公尺水平距離高差10公尺之
v
坡度為 10/1000 (10 ‰)
○
F = W sin≒W tan (很小)≒
W/1000 = W坡度
F
1000
Example: train resistance = 4.5 lb/ton
W
坡度 = 8 ‰, 總阻力 = 4.5 lb/ton + 0.008 * 2000 lb/ton = 20.5 lb/ton
若全車重 5000 ton
平地阻力
=> 5000*4.5 = 22500 lb
爬 8 ‰ 坡度時
=> 5000*20.5 = 102500 lb
歐洲鐵路坡度
荷鐵平原線(NS plain line)
荷鐵特例
Gotthard
TGV (Paris-Lyon)
德鐵主幹線(DB main lines)
德鐵次級線(DB secondary)
cf. 阿里山森林鐵路
台鐵
台灣高鐵
: 5‰
: 16‰
: 27‰
: 35‰
: 12‰
: 40‰
: 62.5‰
: 25 ‰
: 35 ‰
Acceleration resistance 加速阻力
F = [1000 W/g ] × a = 102 Wa => f = 102 a
考慮損耗,f = ( 1 + 6%) × 102 a = 108 a
f = 30 a [km/h/sec]
f = 4.17 (v22-v12)/s
啟動阻力(starting resistance)
主要源自於慣性、journal resistance(低溫時)
風阻力(wind resistance):因風向多變,分析估
計困難。
External resistance :除克服車輛行進之阻力外,
為其他功能而對動力增加之額外負擔
Curve resistance 彎道阻力
火車於通過彎道時,必須克服之阻滯力。主要
來自flange與rail接觸面之摩擦
因離心力,外側輪緣與鋼軌摩擦
彎道鋼軌對輪軸產生扭力
1000 (G L)
c
2R
: 鋼輪與鋼軌摩擦係數 G: 軌距(m)
L: 固定軸距(m)
R: 彎道半徑(m)
因彎道而產生之支出及經濟效益
軌枕 :因應額外阻力與高磨損率,
需質料佳的重枕(or混凝土枕)
鋼軌 : 彎道處之鋼軌材質要求較高,尤其外側軌條
扣件 : 扣件增加,部份路段加入墊鈑,減低彎道枕木的損壞。
道渣 : 因彎道增加之道渣主要用於填築超高度
勞力 : 昇高外側軌條至超高,佈設彎道,安裝額外扣件,墊鈑。
維修費用: 彎道的維修費用通常明顯高於興建費用
Equivalent Grade
將彎道阻力換算成為“等效坡度”
換算比率 r 1 彎道阻力相當於 r ‰ 之坡度阻力
○ 8%o 之坡度上,同時有 6 彎道
○ 則 effective gradient = 8 + 6*0.4 = 10.4 ‰
If 3000 ton列車爬坡上限=6 ‰ ,同時有 3 彎道
○ 機車動力必須克服 6 + 0.4*3 = 7.2 %o 阻力 > 6 ‰
○ 必須減緩坡度為 6 - 1.2 = 4.8 ‰
機車牽引重量
牽引桿牽引力
○ 引擎出力 -- 牽引桿(draw bar)間有馬力損失
○ T0 = T – Rl 機車運轉阻力(internal, journal, rolling, ….)
牽引重量
○ W = T0/
○ = Davis Equation
均衡速度 (balancing speed)
牽引能力與阻力相等時之速度
Source: 黃民仁,新世紀鐵路工程學,文笙書局,2007
Tractive force
阻力
Resistance on 40%0
Resistance on level
速度
機車牽引定數 (nominal tractive capacity)
定義
○ 機車在某種坡道上以規定均衡速度運轉時,
所能牽引的重量。
速度與載重間的取捨
在不同速度與運行時間下之牽引能力
○ 速度低 -- 阻力小、牽引力大 -- 牽引定數大
○ 速度高 -- 阻力大、牽引力小 -- 牽引定數小
支配坡度
路線中影響載重能力最大的坡道
不一定是最陡的坡道
接近車站的坡道往往可能控制全線載重能力
影響因素
○ 實際坡度大小
○ 坡道長度
○ 入坡速度
○ 坡道上之計畫速度
Momentum
grade
Velocity
head
Source: Hay, William W., Railroad Engineering,John Wiley & Sons,1982
Source: Hay, William W., Railroad Engineering,John Wiley & Sons,1982
假想坡度 (Virtual grade)
實際坡度 – 入坡動能轉換之坡度
4.17(v1 v2 )
iv i
S
2
2
Momentum grade
4.17(v1 v2 )
Gm Gl
S
2
2
上坡牽引定數
選定速度(客車速度高、貨車速度低)
以牽引重量vs速度圖查出牽引重量
依實際狀況修正公佈
運轉曲線(velocity profile)
計算站間的合理運轉時間
操作車輛之依據
檢討牽引定數是否合理
Conservative design: use 70% of
momentum
適合將動能納入坡度設計嗎?
連結器間的碰撞耗損能量
坡道上突發狀況
只視為安全係數較恰當
Velocity head
利用動能與位能間的轉換,將動能呈現於縱斷面
圖上,便於了解列車爬坡能力與地形關係
Source: 黃民仁,新世紀鐵路工程學,文笙書局,2007
Source: Hay, William W., Railroad Engineering,John Wiley & Sons,1982
坡度起伏變化的影響
行車速度
牽引重量(定數)
列車長度(連結器受力、側向力、、)
Source: Hay, William W., Railroad Engineering,John Wiley & Sons,1982
影響列車運轉的因素
速度、重量、地形、經濟、安全
路線地形的關鍵
最大坡度、坡道長度、坡度間隔、列車長度
營運因素
整體運量(班車間隔)、運行策略(速度為上?)
號 誌 系 統 概 觀
Central Level
OCC
Wayside Level
Interlocking,
ATP Computer
Track Level
Signalling and Communication
On-board Level
ATP/ATO On-board Equipment
Slide
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Source : http://www.railway-technical.com/sigtxt2.shtml
Source : http://www.railway-technical.com/sigtxt2.shtml
成功大學 郭振銘老師 攝
計軸器的磁性探測頭及其接線箱(黃色盒)
成功大學 郭振銘老師 攝