列車的推進功率要求

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

1 列車運動阻力

由升坡產(chǎn)生的坡度阻力，對于每噸列車等于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，必須由制動加以控制。

曲線阻力是通過曲線時，引導和滑動車輪所需的附加阻力。通常認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于曲線的長度的坡度來補償曲率是一種慣例。因而，如果在一條線路上相對于曲率補償?shù)南拗破露仁?.5%，在計算功率要求時，不需要對曲線阻力給予考慮，因為它已經(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。

滾動阻力或列車阻力是對于水平直軌上的列車運動的阻力。列車阻力受到速度、車軸上的重量和軌道特點的影響。因為相對較小，最后一個因素通�！”缓雎�。帶有滾動軸承時，起動阻力較小，但是列車起動之后，對于滾柱式和整體式軸承，列車阻力大致一樣。例如，對于帶有整體式軸承的車廂，起動阻力可以達20lb/ton，但是一旦車廂處于運轉(zhuǎn)中時，列車阻力變成5lb/ton; 在滾動軸承上同樣的車廂將具有與低速運行時相同的起動阻力，51b/ton。

2 列車阻力公式

有幾個公式用于計算列車阻力。戴維斯公式 (W.J.Davis，Jr.，《電動機車和車廂的牽引阻力》，通用電動機回顧，1926.10) 是由幾個調(diào)查人得到的代表性結(jié)果。依照AREA 《鐵道工程手冊》，對于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車廂加載，貨運列車更高的運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——軸負重 (ton);

N——每個車廂的軸數(shù);

V——速度 (mi/h);

K——空氣阻力系數(shù)，對于傳統(tǒng)的貨運列車設備，0.07; 平板車 (背負式運輸) 拖車，0.16; 平板車集裝箱，0.0935。

方程中的最后一項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主要因素，考慮車廂的橫斷面面積、車廂設計的空氣動力學性能、空氣密度以及風速和方向是必要的。

關(guān)于高速客運業(yè)務這個主題的詳細論述，參見J.L.Koffman《多部件機車拖運客運列車的牽引阻力》 (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)代客運列車設備的代表：

(19.20)

式中 R——傳統(tǒng)客運列車的總牽引阻力 (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)。

有效的機車和臥車最大截面視為10m²，基于速度達100mi/h的機車的實驗數(shù)據(jù)，方程 (19.20) 假定一個0.6的空氣阻力系數(shù)。使用某些對空氣動力特性給予很少考慮的車廂設計，對于8車廂列車，認為空氣阻力系數(shù)高達1.85。另一方面，對于249.5m長的10臥車Tokaido列車，對其在風洞中做了大量的模型試驗以得到良好的空氣動力特性，認為空氣阻力小至0.97。美國鐵路協(xié)會繼續(xù)在測試新的設備并更新數(shù)值。

在以超過100mi/h的速度運行的車輛的設計中，考慮空氣動力特性是非常重要的，因為在這些高速下，空氣阻力造成大量的滾動阻力，并隨著速度的平方增大。

3 計算運行時間和燃油消耗量

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

在這個方法中，加速力 (lb/ton) 通過從機車的牽引拉桿力特征中減去水平軌道上的列車阻力計算。從起動到最大允許運行速度，這個計算關(guān)于5mi/h的增量重復進行。因為坡度阻力是20lb/ton(見第1節(jié))，加速力可以通過除以20變?yōu)橐粋�等值坡度。路線的實際剖面繪于顯示高度一距離的圖表中。在同一張圖表中，對于每個速度增量，等值坡度繪于點之間，對其實際坡度和等值坡度之間的垂直差值等于速位差。對任何速度的速位差 (ft) 是

VH =0.035V² (19.21)

其中，V是速度，單位為mi/h。這個公式將列車歸于其速度的動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。象征等值坡度的一系列線就是速度剖面 (列車性能計算的詳細說明見《鐵道工程手冊》，美國鐵道工程和線路養(yǎng)護協(xié)會)。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增量所需的時間加起來得到運行時間�？梢允褂糜嬎銠C來簡化和加速所需的計算。

機車工作在全容量、部分容量或漂移中的時間可以由速度剖面來確定。將每個時段乘以相應的特殊機車使用燃料的速率就產(chǎn)生燃油消耗量�？梢杂糜谟嬎闳加拖�耗量的另一種方法是首先計算出做的總功，這是由克服滾動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。從這個總數(shù)中應當減去在下降坡度上的重力能量，但是由于剎車的應用產(chǎn)生的能量損失 (速位差) 應當添加到總功中。

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)。