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# 鐵路工程 - PowerPoint PPT Presentation

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## PowerPoint Slideshow about '鐵路工程' - zurina

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Presentation Transcript

### 鐵路工程

• 車軸配置

• 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

Source: 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

• 慣性
• 重力
• 摩擦
• 空氣
• 轉向
• starting resistance, acceleration resistance
• Train resistance
• Wind resistance
• Curve resistance

Tractive effort = Train resistance

F = W = Wf + Wi + Wa + Wb

Running resistance:rolling on a straint and level track

Acceleration resistance:force to accelerate the train

• Resistance of wheels
• Friction of bearings
• Air resistance

Running (train) Resistance
• Internal resistance (列車機件間活動摩擦損耗)
• Journal friction
• Rolling resistance
• Track resistance
• Speed related
• Flange friction
• Oscillation, swaying
• Square of speed related
• Air resistance
• 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
• 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

Speed related

Square of 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
• 距離與垂直距離之比， ‰
• 1000公尺水平距離高差10公尺之坡度為 10/1000 (10 ‰)
• F = W sin≒W tan(很小)≒ W／1000 = W坡度

Example: train resistance = 4.5 lb/ton

v

F

q

a

1000

W

• 荷鐵平原線(NSplain line) :5‰
• 荷鐵特例 :16‰
• Gotthard :27‰
• TGV (Paris-Lyon) :35‰
• 德鐵主幹線(DBmain lines) :12‰
• 德鐵次級線(DBsecondary) :40‰
• cf. 阿里山森林鐵路 :62.5‰
• 台鐵 :25 ‰
• 台灣高鐵 :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

m: 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)

• 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

• 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 ‰

• 牽引桿牽引力
• 引擎出力 -- 牽引桿(draw bar)間有馬力損失
• T0 = T –Rl
• 牽引重量
• W = T0/g
• g = 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

Resistance on 40%0

Resistance on level

• 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

• 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

Source: Hay, William W., Railroad Engineering，John Wiley & Sons，1982

• 實際坡度 –入坡動能轉換之坡度

• 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
• 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

• 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

• 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？)