基本阻力

列車運(yùn)行阻力直接影響列車運(yùn)行速度與列車質(zhì)量的優(yōu)化，并與列車能耗密切相關(guān)，此外，列車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)定既有列車運(yùn)行阻力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。有鑒于鐵路列車提速的緊迫性和列車高速化的大趨勢(shì)，既有列車阻力能否有條件的外延，或者說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：

無論在專用線路 (如環(huán)行線 ) 或營業(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輛和機(jī)車的單位基本阻力公式，也保留了部分原有車輛和機(jī)車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) 為類型眾多的貨車提供三個(gè)重車阻力公式 (滾動(dòng)及滑動(dòng)軸承和油罐車專列 ) 和一個(gè)不分車型的空車阻力公式。 除煤車、罐車和保溫車等專列外，具體列車以混編居多，有些列車 (如輕浮貨物 ) 介于空重車之間，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在著如何取舍的問題。

( 2) 為現(xiàn)有客車提供 4個(gè)阻力公式，有無相應(yīng)關(guān)系，能否簡統(tǒng)化，其中快速雙層客車橫斷面積和質(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)車阻力統(tǒng)一按惰行取值，考慮到機(jī)車質(zhì)量在全列車中所占份額不大 (約 5%～ 10% )，這就牽涉到機(jī)車阻力能否簡化的問題。

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外，現(xiàn)行列車均屬輪軌粘著牽引方式。列車在運(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

列車運(yùn)行時(shí)，與靜止空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。列車頭部前面空氣被沖壓，形成正壓，空氣繞流至列車尾部時(shí)產(chǎn)生渦流，形成負(fù)壓，前后壓差產(chǎn)生壓差阻力。列車四周表面 (含車頂及下部 ) 與空氣摩擦產(chǎn)生表面摩擦阻力。此外 ，列車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 (含機(jī)車車輛 )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長度有關(guān)。

基本阻力貨車單位

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

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

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

( 4) 除專列外，大部分列車車型混編，而且前后次序隨機(jī)性大。

( 5) 列車長度 (或混編輛數(shù) ) 有差別，重載列車更長，輛數(shù)更多。

( 6) 還有少量滑動(dòng)軸承貨車存在。

基本阻力客車單位

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

( 2) 除快速雙層客車下部包覆外，沒有重大流線化措施。

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

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

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

( 6) 全部客車均已滾動(dòng)軸承化。

調(diào)車場(chǎng)內(nèi)車輛溜放基本阻力和風(fēng)阻力是設(shè)計(jì)各類減速器、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)，都依賴于這兩項(xiàng)阻力參數(shù)。

車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 稱《 阻力報(bào) 告》)，對(duì)大量車輛溜放基本阻力測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得出車輛溜放基本阻力( W。) 。

《 阻力報(bào)告》認(rèn)為，車場(chǎng)內(nèi)各類貨車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)軸承貨車溜放阻力的試驗(yàn)研究 》 指出 ，在氣溫、車輛總重相同，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。

車輛溜放風(fēng)阻力的分布

根據(jù)流體力學(xué)的理論，車輛溜放風(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，從而獲得車輛溜放總阻力。

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

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

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。可得計(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 一段長度上膠帶運(yùn)行的基本阻力。

船舶阻力通常分為兩大類：一是基本阻力，二是附加阻力?；咀枇κ切鲁鰤]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?、粘壓阻力、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)無量綱量。

阻力系數(shù)又指鋼絲繩通過滑車時(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)稱為阻力系數(shù)，用ω或f來表示。

汽車的阻力系數(shù) 是在一個(gè)共同的度量汽車設(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。汽車的阻力系數(shù)影響汽車通過周圍空氣的方式。當(dāng)汽車公司設(shè)計(jì)新車時(shí)，除考慮其他性能特征外，還考慮汽車阻力系數(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。汽車的阻力系數(shù)的降低提高了車輛的性能，因?yàn)樗婕暗剿俣群腿加托?。有許多不同的方式來減少車輛的阻力。測(cè)量車輛阻力的常用方法是通過阻力區(qū)域。

現(xiàn)代汽車的平均阻力系數(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。車輛的阻力系數(shù)受到車身形狀的影響。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。一些跑車有驚人的高阻力系數(shù)，但是這是為了補(bǔ)償車輛產(chǎn)生的提升量，而另一些則使用空氣動(dòng)力學(xué)來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，它可以是從C_d= 0.285到C_d= 0.315的任何地方。