深度觀察動(dòng)車組

劉立毅　董玉秋

如果把動(dòng)力裝置分散安裝在每節(jié)車廂上，使其既具有牽引動(dòng)力，又可以載客，這樣的客車車輛便叫做動(dòng)車，而將幾節(jié)自帶動(dòng)力的車輛和幾節(jié)不帶動(dòng)力的車輛編成一組，就成了動(dòng)車組。帶動(dòng)力的車輛叫動(dòng)車，不帶動(dòng)力的車輛叫拖車。于2008年8月1日正式運(yùn)營的京津城際鐵路連接北京、天津兩大直轄市，全長120 km，鐵路設(shè)計(jì)最高時(shí)速為350 km。投入運(yùn)營后，該線采用了公交化城際列車和跨線列車混合開行的運(yùn)輸組織模式，大量開行國產(chǎn)時(shí)速300 km的CRH2型動(dòng)車組列車和時(shí)速350公里的CRH3型動(dòng)車組列車，京津間全程直達(dá)運(yùn)行時(shí)間控制在30 min內(nèi)，列車最小行車間隔3 min。截至2008年11月，鐵道部動(dòng)車組招標(biāo)總計(jì)為420列，據(jù)預(yù)測，2010年我國動(dòng)車組列車將達(dá)700列。動(dòng)車組的提速為人們的出行帶來了極大的便利，節(jié)約了乘車時(shí)間。

一、動(dòng)車組的牽引功率

1. 動(dòng)車組的速度和動(dòng)車組牽引力的功率有關(guān)，某動(dòng)車組在提速前的最大速度為v=60 km/h，此時(shí)牽引力的功率為P，若CRH2型動(dòng)車組列車提速后的最大速度為v=300 km/h，對應(yīng)的牽引力的功率為P，設(shè)動(dòng)車組運(yùn)行過程所受的阻力與其速度成正比。

（1）求P/P；

（2）簡要說明提高動(dòng)車組速度應(yīng)采取的措施。

二、動(dòng)車組的節(jié)能途徑

2. 動(dòng)車組之所以運(yùn)行速度較大，是以消耗超大功率為代價(jià)的，如南車四方（聯(lián)合日本財(cái)團(tuán)）生產(chǎn)的日本新干線E2-1000，牽引功率為4 800 kW。專家計(jì)算結(jié)果表明：與80 km/h最大設(shè)計(jì)速度相比，100 km/h的最大設(shè)計(jì)速度可以壓縮旅行時(shí)間12.1%，但能耗將增加22.7%。這就需要我們探索節(jié)能的各種方法。對動(dòng)車組的車站，可像2008年投入使用的北京地鐵10號(hào)線車站一樣，將站臺(tái)建得高些，車輛進(jìn)站時(shí)要上坡將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢能，出站時(shí)要下坡將重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。如圖1所示，已知坡高為h，重力加速度為g，車輛的質(zhì)量為m，進(jìn)站車輛到達(dá)坡下A處時(shí)的速度為v0，此時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)的電源，求：

（1）車輛在上坡過程中，若只受重力和軌道的支持力，求車輛“沖”到站臺(tái)上的速度有多大？

（2）實(shí)際上車輛上坡時(shí)，還受到其他阻力作用，要使車輛能“沖”上站臺(tái)，車輛克服其他阻力做的功最大為多少？

三、動(dòng)車組的噪聲消除

3. 人們在乘坐動(dòng)車組出行時(shí)，希望有一個(gè)安靜、無噪聲污染的環(huán)境，消除噪聲污染也是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要課題。動(dòng)車組的通風(fēng)機(jī)等設(shè)備在排放各種高速氣流的過程中都發(fā)出噪聲，干涉型消聲器可以用來消弱高速氣流產(chǎn)生的噪聲，其結(jié)構(gòu)及氣流運(yùn)行如圖2所示，該消聲器產(chǎn)生波長為λ的聲波，沿水平管道自左向右傳播，當(dāng)聲波到達(dá)a處時(shí)，分成兩束相干波，它們分別通過r1和r2的路程，再在b處相遇，即可達(dá)到消弱噪聲的目的。若Δr=r2-r1，則Δr等于（）

A． 波長λ的整數(shù)倍 B． 波長λ的奇數(shù)倍

C． 半波長的奇數(shù)倍D． 半波長的偶數(shù)倍

四、動(dòng)車組的車門報(bào)警

4. 為保證乘客安全，動(dòng)車組運(yùn)行前必須使車門關(guān)閉完好，為此某同學(xué)應(yīng)用兩個(gè)門電路設(shè)計(jì)了如圖3所示的車門報(bào)警電路，圖3中的兩個(gè)按鈕開關(guān)S、S分別裝在車廂的兩道門上，要求其中的任何一個(gè)車門開啟（即開關(guān)斷開）時(shí)，發(fā)光二極管D（報(bào)警燈）都發(fā)光，請?jiān)趫D4中虛線框中畫出所用門電路的符號(hào)。

五、動(dòng)車組的速度測量

動(dòng)車組在運(yùn)行過程中，為了運(yùn)行安全需適時(shí)監(jiān)測運(yùn)行速度，常用下述方法測量：

利用光電傳感器測量

5. 圖4表示某動(dòng)車組車廂里一實(shí)驗(yàn)小車中，利用光電脈沖來測量車速和行程的裝置，A為光源，B為光電接收器，A、B均固定在車身上，C為小車的車輪，D為與C同軸相連的齒輪。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)齒輪上的齒隙后變成脈沖光信號(hào)，被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電子電路記錄并顯示。若實(shí)驗(yàn)顯示單位時(shí)間的脈沖數(shù)為n，累計(jì)顯示的總脈沖數(shù)為N，則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理量或數(shù)據(jù)是_______；小車速度的表達(dá)式為_______；行程的表達(dá)式為_______。

利用多普勒效應(yīng)測量

6. 某乘客在山東德州火車站觀測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)車組駛?cè)霑r(shí)，會(huì)覺得其汽笛基音頻率為遠(yuǎn)離時(shí)頻率的9/8倍，此即聲波的多普勒效應(yīng)。已知聲音在空氣中的傳播速度為v=340 m/s，求動(dòng)車組的速度。

利用雷達(dá)“測速槍”測量

7. 多普勒測速雷達(dá)是一種測速儀器，通常又叫做“測速槍”。雷達(dá)“測速槍”的結(jié)構(gòu)主要是由電磁波發(fā)射器、電磁波接收器、微型電腦以及數(shù)碼顯示器組成，當(dāng)然它也有槍筒、手柄、板機(jī)和電源等部件。“測速槍”測量動(dòng)車組速度時(shí)，指向動(dòng)車組并發(fā)射一束電磁波，再由動(dòng)車組反射回來被同一個(gè)天線接收。這時(shí)如果動(dòng)車組停止不動(dòng)，那么發(fā)射和接收的電磁波數(shù)量相等。根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)動(dòng)車組駛向“測速槍”時(shí)，由于電磁波受到駛近動(dòng)車組“壓縮”的緣故，接收的波數(shù)比發(fā)射的要多一些，而且速度越大，返回天線的電磁波也越多。

圖5中的雷達(dá)“測速槍”正在向一輛接近的動(dòng)車組發(fā)出無線電波，并接收被動(dòng)車組反射的無線電波，由于動(dòng)車組的運(yùn)動(dòng)，接收的無線電波頻率與發(fā)出時(shí)的不同，利用頻率差“f-f”就能算出動(dòng)車組的速度，已知發(fā)射和接收的頻率間關(guān)系為f=（1+2v/c）f，式中c是真空中的光速，若f=2×109 Hz，f-f=400 Hz，求被測動(dòng)車組的速度大小。

六、動(dòng)車組的轉(zhuǎn)彎速度

8. 全世界每年死于車禍的人數(shù)約為60萬，我國一年在交通事故中死亡的人數(shù)達(dá)10萬余人。在2008年4月28日，T195次北京至青島四方的動(dòng)車組與5034次煙臺(tái)至徐州的列車在山東省淄博市周村附近相撞，發(fā)生列車脫線、顛覆事故，造成72人死亡，416人受傷。調(diào)查結(jié)果顯示，事故發(fā)生在周村至王村站之間轉(zhuǎn)彎處，其轉(zhuǎn)彎半徑R=359.6 m，把動(dòng)車組在轉(zhuǎn)彎處看成做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)給出在彎道上列車行駛的最大速度和半徑R的關(guān)系為vm=（式中vm的單位為km/h，R的單位為m）。

（1）求T195動(dòng)車組在轉(zhuǎn)彎處的安全速度（保留兩位有效數(shù)字）。

（2）事故后測量出T195次動(dòng)車組在轉(zhuǎn)彎處速度為v=131 km/h，用高中物理學(xué)知識(shí)分析事故原因。很多有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員總結(jié)出的安全秘訣有：①遵守速度限制；②注意彎道等，你看是否有道理。

七、動(dòng)車組的軸溫監(jiān)測

9. 為了列車運(yùn)行安全，“和諧號(hào)”等動(dòng)車組均裝有車軸溫度傳感器，用來監(jiān)測軸承溫度，圖6為其原理圖。圖中R為金屬導(dǎo)體溫度傳感器，靠近車軸軸承處（不隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)），A為由電流表改裝的溫度表，當(dāng)軸溫升高時(shí)，R阻值迅速增大，電流表的示數(shù)增大而顯示報(bào)警?？蓪D6電路簡化為圖7甲所示的電路，將電流表的電流刻度改成對應(yīng)的溫度刻度就將電流表改裝成了溫度表。設(shè)圖7甲中電源的電動(dòng)勢為E=9.0 V，內(nèi)阻為零，R為熱敏電阻，其阻值與溫度的關(guān)系如圖7乙所示。當(dāng)熱敏電阻的溫度為t=20 ℃時(shí)，電流表讀數(shù)為I=2 mA。由圖7乙及相關(guān)知識(shí)計(jì)算，電流表的刻度I=3.6 mA時(shí)，對應(yīng)的溫度t應(yīng)為多少攝氏度？

八、動(dòng)車組的掛接編組

10. 最高速度是動(dòng)車組能夠達(dá)到的最大速度，提高最高速度的效果是加速旅客送達(dá)速度，但具體的提高效果卻取決于列車重量及編組等因素，由于動(dòng)車組的牽引力是相對固定的，列車編組越大，旅客密度越高，牽引重量越大，最高速度的優(yōu)勢越不明顯。為滿足不同列車之間車廂進(jìn)行重新組合的需要，通常需要將相關(guān)的列車通過“駝峰”送入編組場后進(jìn)行重組，如圖8所示。重組后的車廂屬同一組的分布在同一軌道上，但需要掛接在一起?，F(xiàn)有一列車共有n節(jié)車廂，需要在編好組的“駝峰”左側(cè)逐一撞接在一起。已知各車廂之間間隙均為s，每節(jié)車廂的質(zhì)量都相等，現(xiàn)有質(zhì)量與車廂質(zhì)量相等且沒有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的機(jī)車經(jīng)過“駝峰”以某一初速度向第一節(jié)車廂運(yùn)動(dòng)，碰撞后通過“詹天佑掛鉤”連接在一起，再共同去撞擊第二節(jié)車廂，直到n節(jié)全部掛好，此時(shí)車廂的速度為v。不計(jì)車廂在鐵軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力及碰撞過程所需的時(shí)間，求：

（1）這列車掛接前機(jī)車初速度的大小。

（2）機(jī)車帶動(dòng)第一節(jié)車廂完成整個(gè)撞接過程所經(jīng)歷的時(shí)間。