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鐵路工程

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鐵路工程 - PowerPoint PPT Presentation


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行車 運轉. 鐵路工程. 鐵路車輛. 車軸配置. 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. Source: 軌道 工程技術講義 , 高速鐵路工程籌備處 , 1993 . 阻力. 慣性 重力 摩擦 空氣 轉向. starting resistance, acceleration resistance Grade resistance Train resistance Wind resistance Curve resistance. Tractive effort = T rain resistance.

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鐵路車輛
  • 車軸配置
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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
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Source: 軌道工程技術講義, 高速鐵路工程籌備處, 1993

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

Gradient resistance:force due to weight of the trainset on a gradient

  • Resistance of wheels
  • Friction of bearings
  • Air resistance

Curve resistance:additional resistance during curves

running train resistanc e
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
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
  • 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

成功大學郭振銘老師攝

speed related
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
gradient resistance
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

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

v

F

q

a

1000

W

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歐洲鐵路坡度
  • 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
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
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)

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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
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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 ‰
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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
    • 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

機車運轉阻力(internal, journal, rolling, ….)

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Source: 黃民仁,新世紀鐵路工程學,文笙書局,2007

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Tractive force

阻力

Resistance on 40%0

Resistance on level

速度

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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
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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
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Momentum grade

Velocity head

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

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假想坡度 (Virtual grade)
    • 實際坡度 –入坡動能轉換之坡度
  • Momentum grade
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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
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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
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Source: 黃民仁,新世紀鐵路工程學,文笙書局,2007

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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

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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?)
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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)