基本阻力計(jì)算方法

1. 機(jī)車(chē)和車(chē)輛單位基本阻力的計(jì)算W₀=a bV cV² (N/kN)V——列車(chē)運(yùn)行速度（km/h）；a、b、c——由試驗(yàn)確定，因機(jī)車(chē)車(chē)輛類(lèi)型結(jié)構(gòu)而異。

2. 列車(chē)基本阻力列車(chē)基本阻力W₀為機(jī)車(chē)基本阻力W₀‘與車(chē)輛基本阻力W₀‘’‘’之和。

列車(chē)運(yùn)行阻力直接影響列車(chē)運(yùn)行速度與列車(chē)質(zhì)量的優(yōu)化，并與列車(chē)能耗密切相關(guān)，此外，列車(chē)阻力還是選擇配置牽引動(dòng)力的基本參數(shù)，因此，合理的、確切的剖析與認(rèn)定既有列車(chē)運(yùn)行阻力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。有鑒于鐵路列車(chē)提速的緊迫性和列車(chē)高速化的大趨勢(shì)，既有列車(chē)阻力能否有條件的外延，或者說(shuō)能否提供更高速度下的可信阻力值，還具有重要的發(fā)展意義。

基本阻力現(xiàn)狀和思考

1　現(xiàn)狀：

無(wú)論在專(zhuān)用線路 (如環(huán)行線 ) 或營(yíng)業(yè)線路上采用動(dòng)力計(jì)法 (多為推送法，含瞬時(shí)及平均距離間隔兩種處理方式 ，為避免動(dòng)力計(jì)測(cè)力精度影響，不優(yōu)先推薦 ) 或溜放法試驗(yàn)測(cè)定為數(shù)眾多的不同速度下基本阻力值，都形成隨速度上升變化的較寬離散帶，單位基本阻力帶寬可達(dá) 2N^。 kN^{- 1}或以上，即其波動(dòng)幅度約為± 1 N^。 kN^{- 1}或更大， 這還不包括若干偏離更大的“飛點(diǎn)”。

2　思索：

1998年 “牽規(guī)” 提供了一批新的客貨車(chē)輛和機(jī)車(chē)的單位基本阻力公式，也保留了部分原有車(chē)輛和機(jī)車(chē)的單位基本阻力公式，反映了鐵路技術(shù)裝備的更新和技術(shù)水平的進(jìn)步。

( 1) 為類(lèi)型眾多的貨車(chē)提供三個(gè)重車(chē)阻力公式 (滾動(dòng)及滑動(dòng)軸承和油罐車(chē)專(zhuān)列 ) 和一個(gè)不分車(chē)型的空車(chē)阻力公式。 除煤車(chē)、罐車(chē)和保溫車(chē)等專(zhuān)列外，具體列車(chē)以混編居多，有些列車(chē) (如輕浮貨物 ) 介于空重車(chē)之間，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在著如何取舍的問(wèn)題。

( 2) 為現(xiàn)有客車(chē)提供 4個(gè)阻力公式，有無(wú)相應(yīng)關(guān)系，能否簡(jiǎn)統(tǒng)化，其中快速雙層客車(chē)橫斷面積和質(zhì)量都較大 ， 但因有局部流線化措施 (如下部有裙邊包覆 ) ，其單位基本阻力較小。

( 3) 為利于試驗(yàn)和應(yīng)用 ，“牽規(guī)” 將各機(jī)車(chē)阻力統(tǒng)一按惰行取值，考慮到機(jī)車(chē)質(zhì)量在全列車(chē)中所占份額不大 (約 5%～ 10% )，這就牽涉到機(jī)車(chē)阻力能否簡(jiǎn)化的問(wèn)題。

基本阻力構(gòu)成阻力系數(shù)

1　阻力源和基本阻力的構(gòu)成

除研制中的磁浮列車(chē)外，現(xiàn)行列車(chē)均屬輪軌粘著牽引方式。列車(chē)在運(yùn)行中存在著輪軌耦合，外層與空氣耦合 (氣動(dòng)效應(yīng) ) 以及電力牽引時(shí)的弓網(wǎng)耦合等關(guān)系，這即是阻力源也是噪聲源，一般而言，減小阻力和降低噪聲是相輔相成的。

2　氣動(dòng)阻力的分析

列車(chē)運(yùn)行時(shí)，與靜止空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。列車(chē)頭部前面空氣被沖壓，形成正壓，空氣繞流至列車(chē)尾部時(shí)產(chǎn)生渦流，形成負(fù)壓，前后壓差產(chǎn)生壓差阻力。列車(chē)四周表面 (含車(chē)頂及下部 ) 與空氣摩擦產(chǎn)生表面摩擦阻力。此外 ，列車(chē)外露裝置及突出部導(dǎo)致氣流分離產(chǎn)生干擾阻力。壓差 (型面 ) 阻力、表面摩擦阻力和干擾阻力構(gòu)成氣動(dòng)阻力。氣動(dòng)阻力與列車(chē) (含機(jī)車(chē)車(chē)輛 )流線化程度、表面粗糙度以及外露和突出部是否屏蔽整流等因素以及列車(chē)長(zhǎng)度有關(guān)。

基本阻力貨車(chē)單位

( 1) 運(yùn)行速度 v < 90 km^。 h^{- 1}，均無(wú)流線化措施。

( 2) 車(chē)型多，最大橫斷面積差別較大，尤其是敞車(chē)(含煤車(chē)、砂石車(chē)) 和平車(chē)受裝載貨物影響大。

( 3) 空重車(chē)質(zhì)量差別大，二者質(zhì)量比約為 1 /3。5～ 1 /4 (保溫車(chē)、家畜車(chē)等除外，其空重車(chē)質(zhì)量比可達(dá) 1 /2或更大 )。

( 4) 除專(zhuān)列外，大部分列車(chē)車(chē)型混編，而且前后次序隨機(jī)性大。

( 5) 列車(chē)長(zhǎng)度 (或混編輛數(shù) ) 有差別，重載列車(chē)更長(zhǎng)，輛數(shù)更多。

( 6) 還有少量滑動(dòng)軸承貨車(chē)存在。

基本阻力客車(chē)單位

( 1) 速度達(dá)到一定水平，除個(gè)別動(dòng)車(chē)組外，最高為快速單層或雙層客車(chē)達(dá) 160 km h- 2。

( 2) 除快速雙層客車(chē)下部包覆外，沒(méi)有重大流線化措施。

( 3) 除雙層客車(chē)橫斷面積較大外(約 13_m² )，其余客車(chē)橫斷面積約為 9.5_m²。

( 4) 車(chē)型不同，單層客車(chē)載客量在32～ 118人之間，即相當(dāng)載質(zhì)25 t～ 9 t，對(duì)客車(chē)軸質(zhì)影響不太大，除雙層客車(chē)的軸質(zhì)q^。≤ 15. 5t外，其他客車(chē)約為12 t～ 13.8 t。

( 5) 旅客列車(chē)基本是固定編組，輛數(shù)約為14～ 20輛，餐車(chē)和行李車(chē)各占一輛。

( 6) 全部客車(chē)均已滾動(dòng)軸承化。

膠帶在直線區(qū)段的運(yùn)行阻力，是帶式輸送機(jī)運(yùn)行阻力的主要成分。它包括基本阻力和傾斜輸送時(shí)的傾斜阻力。僅就基本阻 力進(jìn)行分析，基本阻力由下列各種阻力組成：( l) 托輥旋轉(zhuǎn)阻力；( 2) 壓陷阻力；( 3) 膠帶反復(fù)彎曲的變形阻力與物料的擠搓阻力；( 4) 組合阻力。

( l) 項(xiàng)阻力，是托輥運(yùn)動(dòng)部分旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的阻力，它產(chǎn)生于相對(duì)運(yùn)動(dòng)處，計(jì)算時(shí)是變位到托輥表面：( 2 ) 、( 3 ) 、 ( 4) 項(xiàng)阻力，是膠帶在托輥表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力，如能降低以上兩類(lèi)阻力，可節(jié)省大量的電能。

基本阻力單托輥旋轉(zhuǎn)

1 測(cè)試原理

測(cè)試的基本原理是：托輥外圓上搭放一 尼龍繩，繩的下端各懸掛G₁一 G₂ 的重物，當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)托輥心軸時(shí) ，則托輥心軸給予托輥管體以順時(shí)針摩擦力，G₁ 為相遇點(diǎn)處將上升，G₂ 為分離點(diǎn)處則下降，設(shè)該摩擦力為F₁，在 G₁ 邊逐次掛鉤碼，直至掛到G₁、G₂ 兩邊高度相等的平衡狀態(tài)，即托輥外圓保持靜止不轉(zhuǎn)為止。

2 旋轉(zhuǎn)阻力公式推導(dǎo)

托輥旋轉(zhuǎn)阻力的計(jì)算公式與測(cè)試方法有密切關(guān)系， 測(cè)試托輥旋轉(zhuǎn)阻力的方法很多，根據(jù)測(cè)試原理可分吊線法、慣性法、滾動(dòng)法、光學(xué)擺桿法、稱(chēng)量法及平衡法等。采用平衡直接測(cè)量法 。設(shè)托輥內(nèi)軸承阻力為f ，根據(jù)杠桿 ( 輪軸 ) 原理?？傻糜?jì)算公式為F_IR= f r 。

基本阻力膠帶運(yùn)行

測(cè)試方法

膠帶運(yùn)行基本阻力測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室建成的線摩擦驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)上設(shè)計(jì)了一種懸吊架測(cè)試裝置。

測(cè)試時(shí)把被測(cè)托輥10裝在托輥架11上，托輥架用柔軟的細(xì)鋼絲繩3與拉力傳感器5以及松緊螺旋扣4 連接后懸吊在定滑輪2上。帶式輸送機(jī)橫梁上裝有阻力測(cè) 力傳感器6，測(cè)試前把它調(diào)整到緊密接觸被測(cè)托輥架前端的平面上 ，當(dāng)開(kāi)動(dòng)電機(jī)膠帶等速在托輥上運(yùn)行時(shí)，由于膠帶與托輥間存在摩擦阻力則帶動(dòng)托輥架向前移動(dòng)。使托輥架緊緊頂在測(cè)力傳感器上，傳感器受力變形，并使貼在其上的電阻應(yīng)變片變形，用電阻應(yīng)變儀和示波器進(jìn)行記錄測(cè)量， 該力就是托輥架 一段長(zhǎng)度上膠帶運(yùn)行的基本阻力。

調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)車(chē)輛溜放基本阻力和風(fēng)阻力是設(shè)計(jì)各類(lèi)減速器、減速頂調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)峰高和自動(dòng)化駝 峰溜放車(chē)輛速度控制方案的基本參數(shù)。點(diǎn)連式調(diào)速系統(tǒng)的打靶坡度和連掛區(qū)坡度的設(shè)計(jì)，都依賴(lài)于這兩項(xiàng)阻力參數(shù)。

車(chē)輛溜放基本阻力的分布

鐵道部科學(xué)研究院運(yùn)輸研究所1977年提出的《 車(chē)輛溜放基本阻力和道岔曲線附加阻力試驗(yàn)研究報(bào)告》( 以下簡(jiǎn) 稱(chēng)《 阻力報(bào) 告》)，對(duì)大量車(chē)輛溜放基本阻力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得出車(chē)輛溜放基本阻力( W。) 。

《 阻力報(bào)告》認(rèn)為，車(chē)場(chǎng)內(nèi)各類(lèi)貨車(chē)的基本阻力呈近似正態(tài)分布。1986年12月鐵道部科學(xué)研究院運(yùn)輸研究所的 《 滾動(dòng)軸承貨車(chē)溜放阻力的試驗(yàn)研究 》 指出 ，在氣溫、車(chē)輛總重相同，平均溜放速度相差不大的情況下，其基本阻力值呈正態(tài)分布。

對(duì)數(shù)正態(tài)分布的物理模型意味著，某偶然現(xiàn)象 ( 這里指基本阻辦 ) 由一連串相互獨(dú)立的正的偶然因素作用引起，若所有的因素取對(duì)數(shù)都很微小且相互獨(dú)立，根據(jù)中心極限定理，此偶然現(xiàn)象服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

車(chē)輛溜放風(fēng)阻力的分布

根據(jù)流體力學(xué)的理論，車(chē)輛溜放風(fēng)阻力為隨機(jī)變量風(fēng)速V_風(fēng)的函數(shù)，因此必須研究隨機(jī)變量V_風(fēng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。顯然V_風(fēng)統(tǒng)計(jì)值的選擇是一個(gè)預(yù)測(cè)問(wèn)題，即根據(jù)統(tǒng)計(jì)年度估算出幾十年的V_風(fēng)值。根據(jù)氣候理論，氣象參數(shù) ( 包括 V _風(fēng) ) 應(yīng)以日為統(tǒng)計(jì)單位。

在我國(guó)的氣象臺(tái)站上，仍按16個(gè)方向觀測(cè)風(fēng)向，由于在觀測(cè)時(shí)常偏重于八個(gè)主要方向( N、N E、E、S E、S、S w、W、N w)，觀測(cè)頻數(shù)較少，常有誤差，所以用16方向繪制的風(fēng)向分配曲線，常有鋸齒形不規(guī)則變化。 為了平滑這種不均勻性，應(yīng)把16個(gè)方向轉(zhuǎn)化為8個(gè)方向，方法是將中間的風(fēng)向頻數(shù)平均分?jǐn)傆谧笥野藗€(gè)主要方向上。這種方法不僅增加了八個(gè)基本方向的頻數(shù)樣本，提高了統(tǒng)計(jì)風(fēng)速的精度，而且有利于對(duì)風(fēng)速分布的研究。

車(chē)輛溜放總阻力是基本阻力和風(fēng)阻力兩隨機(jī)變量之和，其密度函數(shù)繁鎖復(fù)雜，應(yīng)用價(jià)值不大。在實(shí)際應(yīng)用中，仍可分別計(jì)算基本阻力和風(fēng)阻力，從而獲得車(chē)輛溜放總阻力。

船舶阻力通常分為兩大類(lèi)：一是基本阻力，二是附加阻力。基本阻力是新出塢的船（不包括附屬體）在平靜水面行駛時(shí)之阻力?；咀枇Ψ譃槟Σ磷枇Α⒄硥鹤枇?、興波阻力和破波阻力。附加阻力分為附體阻力、污底阻力、空氣阻力和洶濤阻力 。

阻力系數(shù)，指的是物體（如飛機(jī)、導(dǎo)彈）所受到的阻力與氣流動(dòng)壓和參考面積之比，是一個(gè)無(wú)量綱量。

阻力系數(shù)又指鋼絲繩通過(guò)滑車(chē)時(shí)會(huì)產(chǎn)生繩索的剛性阻力和滑輪軸承的摩擦阻力，這些阻力通常用一個(gè)系數(shù)值加以修正，此系數(shù)稱(chēng)為阻力系數(shù)，用ω或f來(lái)表示。

汽車(chē)的阻力系數(shù) 是在一個(gè)共同的度量汽車(chē)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗婕暗娇諝鈩?dòng)力學(xué)。拖動(dòng)是與氣流平行并與相同的力。汽車(chē)的阻力系數(shù)影響汽車(chē)通過(guò)周?chē)諝獾姆绞?。?dāng)汽車(chē)公司設(shè)計(jì)新車(chē)時(shí)，除考慮其他性能特征外，還考慮汽車(chē)阻力系數(shù)。氣動(dòng)阻力隨著速度的平方增加;因此在更高的速度下它變得非常重要。汽車(chē)的阻力系數(shù)的降低提高了車(chē)輛的性能，因?yàn)樗婕暗剿俣群腿加托?。有許多不同的方式來(lái)減少車(chē)輛的阻力。測(cè)量車(chē)輛阻力的常用方法是通過(guò)阻力區(qū)域。

現(xiàn)代汽車(chē)的平均阻力系數(shù)介于0.30和0.35之間。通常具有四方形形狀的SUV通常達(dá)到C_d= 0.35-0.45。車(chē)輛的阻力系數(shù)受到車(chē)身形狀的影響。各種其他特性也影響阻力系數(shù)，并且在這些示例中被考慮到。一些跑車(chē)有驚人的高阻力系數(shù)，但是這是為了補(bǔ)償車(chē)輛產(chǎn)生的提升量，而另一些則使用空氣動(dòng)力學(xué)來(lái)獲得速度并且具有低得多的阻力系數(shù)。

C_d的一些例子如下。給出的數(shù)字通常是基本模型。一些“高性能”車(chē)型可能實(shí)際上有更高的阻力，由于更寬的輪胎，額外的擾流板和更大的冷卻系統(tǒng)，因?yàn)樵S多基本/低功率型號(hào)具有半尺寸散熱器，其余區(qū)域消隱以減少冷卻和發(fā)動(dòng)機(jī)艙拖曳。

一個(gè)給定的車(chē)輛的C_d將根據(jù)測(cè)量的風(fēng)洞而變化。已經(jīng)記錄了高達(dá)5%的變化并且測(cè)試技術(shù)和分析的變化也可以產(chǎn)生變化。因此，如果在不同的隧道中測(cè)量阻力系數(shù)C_d= 0.30的同一輛車(chē)，它可以是從C_d= 0.285到C_d= 0.315的任何地方。