交通运输工程导论第二章

第二章载运工具的运行特性•各项交通运输工程设施的规划和设计，要考虑并满足这些设施的使用对象——载运工具的运行特性要求。•各种交通运输方式输送旅客和货物的速度以及能承运的容量，主要取决于载运工具的速度速度速度速度和容量容量容量容量。因此,交通运输工程的规划和设计人员，必须了解载运工具的运行特性，以便能规划和设计出满足使用要求的各项工程设施。•工程设施的结构设计则要能承受得住载运工具的作用。例如•工程设施的几何设计要能容纳载运工具在尺寸和通行能力等方面的使用要求。第一节载运工具的类型•相应于运输方式的分类，载运工具可分为以下五类：轨道载运工具道路载运工具空中载运工具水上载运工具其它载运工具•对于被输送旅客和货物来说，通常希望所乘坐的载运工具具有下述性能：①速度快；②容量大（一次装载能容纳的旅客数或货物量）；③费用低（包括建设投资、运营管理、能源消耗等方面的费用）；④安全可靠（事故少、耗损少、准点等）；⑤对环境污染少（空气、水质和噪音等）；⑥舒适性好（对客运）等性能•载运工具的速度和容量不断增快和增大◇协和飞机的巡航速度达到2178km/h，为一般飞机的2.5倍◇法国高速列车TGV采用25000hp功率的机车实现了575km/h的行驶速度◇空中客车公司建造了可以载运555名旅客的飞机A-380◇皇家加勒比公司建造了158000t的邮轮•各种载运工具具有不同的使用性能特点，分别适应于各种运输对象在速度和容量等方面的不同要求。用户可以根据各自的目的和要求，依据效率和效益选择合适的运载工具。•速度提高同能源消耗增长之间大体上呈现出指数关系，因而，要求速度快，就势必要多消耗能源，从而使运营费用大大增加。第二节轨道载运工具•轨道载运工具依靠车辆外部的轨道进行导向，车辆通过带凸缘的钢轮沿钢轨内侧行驶，轨道起着支承车辆和导向的作用，而驾驶员的作用仅是控制车辆的行驶速度。缺点•初期投资高，通达性受一定限制•在坡道上行驶不如轮胎式车辆•制动距离长（驾驶时需高度注意安全）•小半径转弯时噪音大于轮胎式车辆优点•钢轮同钢轨之间的滚动阻力约是汽车轮胎在水泥混凝土路面上的滚动阻力的1/10，因而轨道载运工具单位重量的能源消耗最低。•维护工作少，耐久性高，行驶平稳舒适，可适应不利的气候条件，对环境的污染小（蒸汽机牵引除外）一、应用类型①①①①有轨电车有轨电车有轨电车有轨电车•较好的动力特性和行驶舒适性•原始的有轨电车由于与公共汽车和汽车共用街道路权，且平交道口多，故运行速度低（通常小于20km/h），正点率低，单向输送能力一般低于1万人/h。•现代有轨电车的车体更轻、结构更合理、舒适性更好，运行速度为20～25km/h，单向输送能力可达1万人/h左右•轨道载运工具广泛地应用于城市间的中长途客货运输，城市内和市郊的公共交通，特别是大容量、快速的公共交通。轻轨车包括钢轮钢轨轻轨车、悬挂式独轨车、跨坐式独轨车、磁浮车、自动导轨车、直线电机车、橡胶轮车等②②②②轻轨车轻轨车轻轨车轻轨车•单向输送能力为1～3万人/h的轨道交通系统称为轻轨交通，所运行的列车称为轻轨车。•加速和减速性能好（1～2m/s,紧急制动时可达3m/s），最大速度通常为60～80km/h，平均运行速度一般为20～35km/h.。平交道口越多，运行速度越低。③快速轨道交通列车（地铁列车）快速轨道交通列车（地铁列车）快速轨道交通列车（地铁列车）快速轨道交通列车（地铁列车）•我国把单向输送能力为3万人/h以上的城市快速轨道交通系统称为地铁。•路权为全封闭形式，在市中心区多为地下或高架形式，在市郊多为地面或高架线路形式。•旅客输送能力大，使用性能好，服务水平高。虽然初期投资高，但对于客流量大而集中的城市，其边际费用较其它公共交通的为小。④市郊铁路列车市郊铁路列车市郊铁路列车市郊铁路列车•为城市郊区与中心区之间的通勤和短途旅客提供大运量、高速度、舒适而可靠的服务。这类列车主要通勤客流服务，故也称通勤列车。⑤普通铁路列车普通铁路列车普通铁路列车普通铁路列车•由机车牵引若干辆挂车组成其速度低于200km/h（旅客列车）或100km/h（货物列车）。⑥高速铁路列车高速铁路列车高速铁路列车高速铁路列车•指最高运行速度超过200km/h的客运列车。•速度快，运量大，能耗低，舒适而安全，对环境污染小，经济效益好。⑦⑦⑦⑦高速磁浮列车高速磁浮列车高速磁浮列车高速磁浮列车采用磁力驱动，运行速度一般在300km/h以上。德国——常导长定子高速磁浮技术（TransRapid系列）日本——超导长定子高速磁浮技术（MLX系列）图2-3中速磁悬浮车辆及线路形式（英国伯明翰）1-人行道；2-栏杆；3-反应轨；4-钢轨枕；5-主梁；6-支柱；7-横梁；8-悬轨；9-磁；10-线性感应电动机；11-护轨遮板图2-1悬挂式独轨车辆图2-2跨坐式独轨车辆（重庆2号线）图2-4自动导轨车辆及线路形式（日本神户港）图2-5直线电机车辆（广州4号线）二、车辆类型和基本组成动车和拖车按有无司机室可细分为：有司机室的动车，无司机室的动车，有司机室的拖车，无司机室的拖车。•动车动车动车动车：配置动力的车辆。拖车（挂车）拖车（挂车）拖车（挂车）拖车（挂车）：不配置动力的车辆。动车组动车组动车组动车组：多个动车与拖车连在一起的列车。机车机车机车机车：配置动力而不承运旅客的车辆。轮轴城市轨道车辆专用于城市客运，通常以动车组的形式出现。车身制动设备电动机转向架驾驶装置乘客乘坐设备机电设备其它机电设备轨道车辆车辆通过第三轨或架空受电弓获取电流。图2-6各种轨道式车辆示意图a）4轴单车身车；b)4轴5门地铁车；c)6轴铰接轻轨车；d)8轴铰接轻轨车②内燃机车•由柴油机或燃气轮机产生动力，传动装置可分为机械、电力和液压式。•优点：不需要外界提供动力。•机车按动力装置的不同可分为：①蒸汽机车•以燃煤或燃油的蒸汽机产生动力，在我国已淘汰不用。③电力机车•以外部供电作为动力。通过骑在第三轨上的集电靴或者在架空电线下滑行的受电弓或触轮两种方式获得电流。•广泛地应用于纵坡较陡的铁路线路，车站间距较短而需要不断加速和减速的市郊铁路线路上。•牵引能力大，能源节省，运营成本低，环境污染小，行驶质量高。三、动力特征余下的净可用功率作用在驱动轮轮周上的切向力即为牵引力牵引力牵引力牵引力。牵引力随车辆速度的增加而下降。推动车轮行进的有效功率发动机马力阻力损耗内部附件的功率消耗内燃机:•发动机所产生的功率通常用马力（hp）表示（lhp=0.7457kW）。•图2-7NF11型内燃机车牵引特性曲线图•各机车制造厂通常都提供其相应产品的牵引特征曲线供用户使用•如果已知发动机的额定马力，则可用下式大致估算牵引力：式中：F——牵引力（N）；HP——柴油原动机的额定功率（hp），约为总功率的0.93；v——速度（km/h）；e——电动机械驱动系统的效率，约为0.81～0.83。52.4eHPFv=小时功率一般比持续功率要大15%～20%。电动机可以在短时段内超负荷产生比小时功率大30%～50%的功率而不招致损坏。电动机:•产生的功率以千瓦（kW）表示•小时功率小时功率小时功率小时功率:电动机在一小时内能持续运行而不出现过热的最大功率。•持续功率持续功率持续功率持续功率:电动机在运行时间不受限制时所能产生的最大功率。•图2-8SS4型电力机车牵引特性曲线图•各电动机制造厂家也都提供相应的牵引特性曲线•可用下式估算牵引力：式中：T——电动机扭矩(N/m)；S——电枢转数（r/min）；E——传动效率，约为0.95～0.97；v——机车速度（km/h）。0.1456eTSFv=•传到轮周上的牵引力不能超过车轮同钢轨接触面上的粘着力，否则机车驱动轮便会打滑,发生空转。这个牵引力限值称为粘着牵引力粘着牵引力粘着牵引力粘着牵引力,它可由下式确定：式中：F——粘着牵引力（kN）；W——传递摩擦力的车轮重（KN），推动计算时为驱动轮重，制动计算时为整个机车重;μ——粘着系数，随速度增加而降低，在0～60km/h范围内变动于0.36～0.26（电力机车）或0.33～0.256（内燃机车）之间。maxFWµ=车辆运动过程中需要克服的阻力：•车轮与钢轨行驶表面间的滚动阻力车辆的空气阻力坡道上行驶的坡度阻力曲线上行驶的曲线阻力当车辆能以匀速行驶：机车或动车所具有的有效牵引力与阻力相平衡；变速：应有足够的可用牵引力来克服速度变化时的惯性阻力，特别在起动时所需提供的牵引力很大。第三节道路载运工具道路上行驶的车辆，有汽车、无轨电车、拖拉机、摩托车、自行车以及各种专用车和特种车等，其中主要是汽车。本节仅介绍汽车的运行特性。一、类型、尺寸和质量汽车可分为客车和货车两大类。•客车：小客车、面包车、公共汽车（小型、中型和铰接式）等。•货车：整车（轻型、中型和重型）和组合车（各种拖挂式）两类①小客车小客车小客车小客车•为二轴四轮车辆，可坐2～6人，主要作为个人交通工具。•按重量和尺寸大小，可分为小型、中型和重型三种。②面包车面包车面包车面包车•通常由小客车或轻型货车的底盘改装而成，可乘坐6～15人③公共汽车公共汽车公共汽车公共汽车•小型公共汽车通常有15～25个座位，供短途运送用。•中型公共汽车可为二轴或三轴，约有45个座位，最多可容纳100人以内（包括站立的）。•铰接式公共汽车——和半挂车固定地联结的二轴中型公共汽车。包括站立乘客在内最多约可容纳150人。④整车整车整车整车•指载货区和动力设备装在共同的车架上不能分开的货车。•包括二轴四轮（轻型货车）、二轴六轮、三轴（双后轴）和四轴（三后轴）货车四种。⑤组合货车组合货车组合货车组合货车•由牵引车或整车同一个或多个挂车组合而成，可称为拖挂车；因为牵引车和挂车通过铰接方式联结，彼此可相对转动，又可称为铰接车。挂车可分为•全挂式：前后各有一个或多个轴，由整车或带半挂车的牵引车拖带，但不把重量转给前面。•半挂式：后端有一个或多个轴但前端无轴，其前端放在牵引车或前面拖车的后端上，并把一部分重量转给前面。车辆类型总长度总宽度总高度中国欧洲美国中国欧洲美国中国欧洲美国小客车、面包车6(5)-5.81.8-2.12-2.44整车、公共汽车121212.22.52.52.64-4.27单拖挂货车半挂1615.516.752.52.52.6444.27全挂(18)1819.8注；中国栏中括号内数字为城市道路规范的规定。注：中国栏中括号内数字为城市道路规范的规定。表2-5道路上行驶车辆的总重和轴重最大允许值（kN）国家中国美国各州加拿大欧洲各国轴重单轴10082-10255(前轴),9190-130双联轴100（单轮）180（双轮）145-181170160-220三联轴120（单轮）220（双轮）200240200-260车辆总重400330-740237(3轴),316(4轴),395(5轴),465(6轴),535(7轴)350-500表2-4设计车辆的外廓尺寸（m）二、功率推动车辆行驶所需的功率可按下式计算：式中：P——所需的可利用功率（hp）；R——运动阻力总和（kg）；v——车辆行驶速度（km/h）。•发动机的功率，反映车辆具有的最大加速率和在坡道上行驶时能维持的最大速度。0.003656PRv=•运动阻力同车辆的质量大小成正比。用质量－功率比（W/P）可以更好地反映车辆的总体性能（加速性能和爬坡时的速度）。•W/P越高，意味着车辆的加速性能越差；而W/P低，则表明车辆的性能好，可以有较大的功率来克服运动阻力。三、加速性能影响双车道公路上的超车区段长度•道路纵坡度道路纵坡度道路纵坡度道路纵坡度是影响最大加速率的另一个重要因素。坡度增加，最大加速率下降；而在较陡的坡道上，半挂车不能加速或保持速度。设计交叉口信号灯周期立体交叉处加速车道的最小长度•汽车的加速性能•影响加速率最主要的因素是车辆的质量质量质量质量----功率比功率比功率比功率比W/P。Ｗ/P比降低，车辆的最大加速率增加；速度增加范围增大和起始速度的提高，最大加速率降低。四、车辆运行费可变费用不变费用燃料费轮胎保修费车辆的运行费