交通运输工程导论第二章

1、 第二章第二章 载运工具的运行特性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

2、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： 速度快； 容量大（一次装载能容纳的旅客数或货物 量）； 费用低（包括建设投资、运营管理、能源 消耗等方面的费用）； 安全可靠（事故少、耗损少、准点等）； 对环境污染少（空气、水质和噪音等）； 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2 178km/h，为 一般飞机的2.5倍 法国高速列车TGV采用25 000hp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

3、司建造了158 000t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

4、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 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2025km/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

5、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 轻轨车轻轨车轻轨车轻轨车 单向输送能力为13万人/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（12m/s,紧急制动时可达 3m/s），最大速度通常为6080km/h，平均运行 速度一般为2035km/h.。平交道口越多，运行 速度越低。 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/

6、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。 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。 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）。 高速铁路列车高速铁路列车高速铁路

7、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。 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

8、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-

9、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 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： 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。 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

10、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（l hp = 0.7457 kW）。 图2-7 NF11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

11、.4eHP F v = 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2-8 SS4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0.950.97； v机车速度（km/h）。 0.14

12、56eTS F v = 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; 粘着系数，随速度增加而降低，在060km/h范围内变 动于0.360.26（电力机车）或0.330.256（内燃机车） 之间。 max FW= 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

13、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 小客车小客车小客车小客车 为二轴四轮车辆，可坐26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。 面包车面

14、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615人 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1525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。 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。 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

15、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

16、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400330-740 237(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

17、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

18、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。 /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 车辆的运行费用 车辆折旧费 养路费 工资和附加费 管理费 其他费用 第四节 水上载运工具 船舶为主要载运工具。 现代船舶以柴油机为主要动力装置，带 动螺旋桨推进器产生推动力，使船舶行 进。船舶尾部设置舵装置以控制方向， 首部两侧设锚、锚链等辅助船舶停泊。 一、类型 油船，运送液 体货物 客船 客货船 船舶 杂货船 货船 散货船 专用货船

19、（集装箱船、滚装 船和载驳船等） 干货船，运送 固体货物 油船油船油船油船 载运散装液货（包括原油、成品油和各种液化 气体等）的专用船舶。 批量大，运距长，往往是大型船舶。停泊时间 较短 特大型的油船，通常在港外的单点泊位（专用 浮筒）碇泊，通过管道用油泵装卸液货。 杂货船杂货船杂货船杂货船 载运各种桶装、箱装、包装或成捆的件杂货。 集装箱船集装箱船集装箱船集装箱船 专门运载集装箱的货船。装卸速度较快，停港 的时间较相同载重量的杂货船短，平均航速较 快。 集装箱船的运载能力，除以载重吨表示，还用 集装箱的载箱数量（以20英尺集装箱为标准箱 简称 TEU）表示。 散装船散装船散装船散装船 载运各

20、种不加包装的块状、粉状或粒状干货。 运输批量大的大宗货物，如煤、矿石、粮食等。 船型较大，货舱的容积大，货舱口较大以便于装 卸。 载驳船载驳船载驳船载驳船 载运驳船的船舶。 主要优点：可利用船上的设备装卸货物，不需 等待码头空出泊位。可不通过转驳而直接到达 内河港口。其载运能力与集装箱船相近。 滚装船滚装船滚装船滚装船 由牵引车或者有轮的设备（如叉车等），利用 本身的动力，通过船尾或船首的跳板直接进出 货舱装卸载货。 特别适用于海上短程横渡运输，以减少海关的 延误。 内河货船内河货船内河货船内河货船 普遍采用由若干艘驳船编组成船队，用推船 顶推或拖船拖曳的方式航行。 相比机动货船运输，其运量大

21、，投资小，成 本低，适用于大宗货物和批量小货种多的货 物运输。 驳船按船型可分为普通驳和分节驳两种。 客船和客货船客船和客货船客船和客货船客船和客货船 客船载运旅客的船 客货船利用下层船舱装载货物的客船 二、尺寸和吨位 船舶主要尺寸和吨位特性有：船长、船宽、 船深、吃水深、船高、吨位和载重量等。 全长全长全长全长全长全长全长全长：船体首尾两端间的最大水平距离为船舶的总长度 型宽型宽型宽型宽型宽型宽型宽型宽：中横剖面内两侧舷板间的最大水平距离 吃水深吃水深吃水深吃水深吃水深吃水深吃水深吃水深：处于水面以下的船体深度 桅高度桅高度桅高度桅高度桅高度桅高度桅高度桅高度：全高减去吃水深，所得到的水面以

22、上的船舶高度 船高船高船高船高船高船高船高船高：船底基线到船舶最高点的垂直距离 型深型深型深型深型深型深型深型深：自上甲板边板的内表面到龙骨上表面的垂直距离 船舶的吨位分容积吨位和重量吨位。 容积吨位：按船舶内部封闭容积以2.83m 作为1t表示的吨位数，用于船舶登记，故 又称为登记吨位。 重量吨位：船舶的载重量，分总载重量（ 容许装载的最大重量）和净载重量（货物 和旅客的重量）。 第五节 空中载运工具 飞机是航空运输的主要载运工具。 它是20世纪初新出现的、也是技术 发展最迅速的一种载运工具。 一、类型 民用民用民用民用 飞机飞机飞机飞机 此外，可用于客货运输的还有直升飞机和短距起降飞机。 按发动机和产 生推力的类型 涡轮螺旋式 按航程距离 运输飞机 涡轮喷气式 涡轮风扇喷气式 活塞式 中程飞机：航程约30005000km 近程飞机：航程约3000km以下 短途飞机：航程约1000m以下 远程飞机：航程约8000km以上 通用航空飞机 二、飞机尺寸和旅客容量 运输飞机的主要外形尺寸： 机身长度 翼展（两翼尖间的距离） 纵向轮距（前后起落架之间的纵向距离） 横向轮距（主起落架两侧轮组中心间的横向间距） 对跑道和滑行道所需宽度，停机坪、机库、维修 机坪所需面积等的确定起着决定作用。 三、飞机质量和跑