感谢科普[ ´∀`]每次看这种科普就好兴奋[*´∀`]

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哪裡都有車迷ᕕ[ ᐛ ]ᕗ

>>Po.775668
检测的话还真没什么办法
不过对于极端高温和低温天气到来之前，一般会提前调整轨道的应力，避免胀轨或者低温断轨事件发生

>>Po.775668
不过法国今年夏天实在是太热了，我估计设计师也没想过在有轨电车轨道上发生这么极端的问题

>>Po.775721
不过说到这个，我貌似还真的是铁道宅。比如说，我的电脑锁屏壁纸是下面这幅图
顺便来个高难度的猜车

先回答前面的那幅图，那是JR东海的313系，全车都是横排座椅并配备卫生间，实际上就是城际列车了。截图来自《声之形》，是一部漫改电影，不过我推荐大家去看无删减版的，不要当正版受害者～


下面说说高速动车组列车相关的力学问题吧。
一般来说，制约高速动车组列车运行速度主要有三个方面：轮轨关系、弓网关系和流固耦合关系。

先说轮轨关系，这应该是最好理解的。列车车轮不仅承担着支撑车体和导向的作用，列车加减速一般都还依赖轮轨之间的粘着。这里粘着是指由于正压力而使动轮和轨道保持相对静止的现象。轮轨关系解决不好，分分钟就脱轨了。因此，轮轨粘着机理及其特性是研究轮轨关系的主要研究问题。
轮轨粘着实际上就是一种摩擦力。最大静摩擦力＝静摩擦系数×正压力，类似的，轮轨粘着问题的研究中，可以导入一个系数，称为粘着系数。
在这里，正压力研究意义不那么大（实际上这个因素还是挺重要的，它跟轮上载荷分配相关，关系到车体和转向架的设计以及车轮和轨道之间的踏面形状设计，不过这里先不讲，因为压力会影响粘着系数大小），那么研究轮轨粘着，主要研究粘着系数，看这个系数的大小跟影响条件的关系。最简单的，粘着系数跟轨道湿润程度相关，跟Hertz压力（Hertz接触指一种两曲面接触，其产生的压力称为Hertz压力）相关，跟车速相关……并且还不是线性相关。
对于不同国家，甚至不同线路，都可以确定一个粘着系数表，确定粘着系数跟不同因素之间的关系。在以往，为了保证安全，系数都取得比较保守。现在计算能力提升了，研究也准了许多。

再谈谈弓网关系。
受电弓与接触网接触，列车从接触网取电，电流通过牵引逆变器后供给电机牵引列车前进。另外还有一路电流通过辅助逆变器后供给车辆其他用电装置，如空调、照明、空气压缩机等用电部件。电流通过轨道闭合，铁轨接地，所以人走在铁轨上不会触电。
通常来说，高铁用的是柔性接触网。运行的列车上，受电弓与接触网滑动接触。接触网收到受电弓的力和其他外力干扰，产生特定的振动。对于低速运行的列车来说，运行时速度远小于接触网波动速度，离线和断流现象不易发生。不过对于高速动车组列车而言，接触网振动往往会比较大，很容易出现拉弧现象，不仅加速受电弓碳滑板和绝缘设备的损耗，还影响受流，进而影响列车取电，影响电气设备的工作。
那既然柔性接触网会波动，那刚性接触网如何呢？对于高铁，一般来说都不用刚性接触网。第一个原因是成本原因。刚性接触网比较重，架设精度要求高，因此架设成本比柔性接触网高。就算是在隧道里面，我国高铁一般采用大断面的隧道，柔性接触网也可以满足高速运行的要求。第二个是弓网关系原因，柔性接触网是软的，没有硬点，而刚性接触网存在硬点，其弓网关系比柔性接触网的还要差，受电弓碳滑板磨耗远大于柔性接触网的磨耗，而不规则的磨耗又影响受流效率。因此，现阶段高铁的接触网一般采用柔性接触网。
一般来说，影响弓网关系的因素，从受电弓角度有受电弓的重量、抬升力、接触角度、碳滑板材质等，从接触网角度有半径、密度、材质、悬吊方式、张力、阻尼等。

最后讲讲流固耦合关系。流指流体，这里也就是空气。固指固体，这里指列车。也就是说，流固耦合关系，关系着列车空气动力学设计。
这里的空气动力学设计，不仅仅指列车的流线型头型设计，而是关于所有的列车与空气之间的关系，比如高速交汇列车之间的相互影响、侧风的影响、进出隧道所产生的影响、列尾升力的影响、列车侧面平滑度所产生的阻力等。这些因素我想大家都能理解，这里先不展开。下面我就放一张图片，是某型高速动车组不同部位气动阻力的百分比，其他型号动车组列车的比例大同小异（其实应该叫大同中异更合适）

之后，我会详细讲讲这几个方面的因素相关的研究，给大家介绍高铁列车和线路设计会考虑到哪些因素，介绍一些设计的目的，让大家对高铁系统有更理性的认识。

这里，我再讲讲火车转弯的原理。我之前写过一次，不过因为跳了太多东西，所以删了重新写一遍。
一般来说，火车的轮对跟车轴是固定的，所以一根轴上的两个车轮角速度相等。而车轮的半径，从外到内半径逐渐减小。所以，我们可以把车轮、铁轨模型简化为下面图中所示形状。
理想情况下，直线行驶时，两侧车轮与铁轨接触的位置，所对应的车轮半径是相等的，如图红色线所示。而过弯时，图中的弯心在右侧，此时两侧车轮与铁轨接触的位置对应的车轮半径不等，右侧的半径小于左侧的，所以列车能在无磨耗情况下转弯。

当然，现实中由于有许多因素影响，直线行驶时列车两侧车轮对应的半径不会一直相等，由此会产生蛇形运动，如下图所示。
另外，曲线运动的时候，车轮与轨道之间通常会有相对滑动，也就是磨着车轮过了弯。这是由于踏面形状和铁轨形状以复杂的外力所导致的，目前来看无法完全避免。

下面这幅图是其他人写的资料，大家也可以参考参考

前面提到弓网关系讲到拉弧。实际上，引起拉弧的原因有很多。这里分享一个视频，给大家看看严重的拉弧大概长什么样子。视频中拉弧原因大概是接触网结霜了。
【【铁道迷】受电弓福利：深夜飙车，一路拉弧-哔哩哔哩】【视频标记点 01:32】 网页链接

[ ﾟ∀。]bbbb

这是我不花钱就可以看到的科普吗[ ﾟдﾟ]

>>Po.787118
是的哦～
其实这些都只能算是车辆工程的基础，我只是把一些我理解了的相对简单的知识拿出来跟大家交流分享罢了

既然早上把轮轨关系的坑给开了，那现在就继续讲。
首先放上一张轮轨几何关系图

轨道最底下的是路基，这个大家都能理解。路基的作用是为轨道铺设和行车提供必要条件，承受轨道和列车的荷载，将荷载向地基深处转移和扩散。

路基再往上就是道床。道床要承担轨枕传递下来的力，并将其分散地均匀地传递到路基上。道床还要约束轨枕的位置，防止轨枕出现位移。另外，道床还要兼顾轨道的排水。
道床主要可以分为有砟道床和无砟道床两类。这两类也很好分别。底下是碎石、鹅卵石或者矿渣、砂石的就是有砟道床，而轨道下面全是混凝土的肯定是无渣道床。

这里大家可以参考这篇微信公众号的文章。
网页链接
作者是一位在广州地铁工作的工程师，能拍到很多一手资料。虽然这个公众号最近没更新，但里面也比较系统地写了关于轨道的科普。
接下来我也会比较多引用他文章里面的图片。

先看有砟道床，最常见的就是图里面这种碎石道床。
这种碎石道床的优点有很多，比如说成本低（仅限中低速轨道交通，高铁用的有砟道床可一点都不便宜）、结构简单、容易排水、弹性好等。
缺点也很明显，一是容易变形、流失，都是碎石堆积而成，一场狂风暴雨或者水灾之后可能就要重新养护了。当然，我这里的养护标准也是指我们国家铁路的养护水平，如果是那种轨道上养花养草的当我没说～
二是后期维护成本高。
碎石经过列车长期碾压，会变松变散，所以要定期捣固。这里讲讲捣固，示意图和文字是直接从百度扒下来的：捣固就是用成对高频振动的捣镐在轨枕两侧同时插入道砟，在规定深度位置作相对夹持动作将道砟捣密，并使道砟产生流动、聚集并重组，起到稳定起拨道后轨道的位置、提高道床缓冲能力、消除某些线路病害（如空吊板等）等作用。
简单来说，捣固就是要让道砟重新定位，恢复性能。
除了捣固，道砟被长期碾压会变碎，原本一粒粒大的碎石变小，这个过程叫做粉化。所以，道砟使用到了一定年限要更换。

接着讲有砟道床。第三个缺点就是有粉尘，这个就不用过多介绍了。不过相对来说，有砟道床的减震效果比很多无砟道床要好很多。
现在为了减小综合成本，一般在正线用无砟道床，在车辆段、停车场用无砟道床。

这里讲个题外话。这张有砟道床的图实际上隐藏了一些不那么常见的搭配。
前文提到过，那位写公众号的小哥在广州地铁工作，广州地铁又恰恰不那么普通。
广州毕竟还是个大城市，地铁规划和建设走在全国前列，所以在一开始也就踩了很多坑。这里要提到的，就是直线电机技术的引进。
仔细看这张图，轨道中间是长长的一列白色的板，这是用了直线电机技术的一大特征。普通电机由转子和定子组成，转子和定子都是圆的。而直线电机，可以理解为把定子铺在轨道上，把转子固定在列车转向架下方，相当于把一个电机压平。那列长长的板，叫做轨道感应板。
在20年前，广州想引进一种转弯半径小、爬坡能力强的车型，使用在规划的新线上，也就是现在的4 5 6号线。这些线路都有小半径弯道和较大的坡度，当时旋转电机功率做得不那么大，列车轻量化也做得不好，要依靠传统技术达到这种要求比较困难。加上川崎重工向广州推销过直线电机技术，因此，广州地铁当时看上了日本的直线电机技术。
上面也提到，直线电机的定子和转子（实际上应该叫做直线电机的次级和初级）分别在列车上和轨道上。定子和转子在发生电磁感应驱动列车前进时，是轨道上的定子拉着列车转向架底部的转子走。也就是说，列车加速过程不再依赖轮轨之间的粘着，所以就有列车加速好的特性，能爬陡坡。
另外，由于列车车轮不再承担驱动列车的功能，所以可以设计成径向转向架，提升了车辆过弯性能。关于径向转向架，我会在后续介绍轮轨关系的时候详细讲讲。
不过，日本当时采用直线电机的线路，比如说大阪地铁的长堀鹤见绿地线和东京都营地铁大江户线，它们都有一些共同特点：①采用小截面隧道、小型化车站设计，目的是降低土建成本。②列车的直线电机采用自然冷却，进一步轻量化，降低运营成本。③客流都不太大。当然，大江户线全线长度和日客流量跟广州6号线差不多，不过人家有八节编组呀，广州6号线才4节编组[´・ω・`]
引进直线电机之后，广州地铁也要做些本土化改造。首先，由于我们运营强度高，就将直线电机的自然冷却改为强制风冷，轻量化优势小了许多。其次，由于各种错综复杂的原因，隧道截面积跟其他线路保持一致，车站也没做到小型化设计（还好没有小型化车站，不过既有的缩骨车站也够受的了）。
自4 5 6号线开通之后，客流量居高不下，特别是5号线和6号线，全线都有多个车站实行常态化客流控制，拥挤度居高不下。这么一来，引进的直线电机技术反而成为了累赘。这么讲主要有以下几个原因：
①土建部分没怎么省到钱，前面讲了
②轨道上的感应板价格高，故障率高，维护花费大（当然这跟常年高负载运营有关）
③直线电机在刚开始运营时经常出现故障，比如说电机多部位烧损、绝缘电阻过低、电机过热等问题，列车返厂率高，维护成本也居高不下。
④由于直线电机的特性，其定子与转子之间间隙远大于旋转电机的，所以其运行效率低。而且制动时，直线电机的动能回收几乎没有，又加大刹车盘片的磨耗，这又是一笔维护费用。在经常超员运行的情况下，列车能耗明显高于使用旋转电机的线路。
综上所述，直线电机列车除了能爬坡和转弯半径小外，剩下的几乎全是缺点。因此，原本有意向使用直线电机技术的广州地铁7号线后面也改为旋转电机。国内除了北京首都机场线使用直线电机外，其余线路都不再选择这一技术路线。

值得注意的是，广州地铁4 5 6号线在正线用的都是第三轨取电，而在道岔是接触网和第三轨都有，车辆段用接触网取电。同一列车用两种取电方式还真不多见。其实原因也很简单。
正线用第三轨是考虑到高架线路美观以及便于维护等原因。
列车过道岔一般来说都用第三轨，不过4号线和6号线只有4节编组，比较短，过道岔会落入无电区。第三轨是安放在轨道一侧的，道岔有些区域不能满足布置接触网的条件，所以就有了无电区。如果不能依靠惯性通过道岔无电区，那么列车就会卡在道岔中间堵路。广州地铁6号线就试过这种情况。所以为了提高列车解困能力，就在上面安了接触网，以防万一。
而车辆段用接触网是考虑到工作人员的安全，车辆段经常有工程师检修列车，使用接触网能减少触电风险。

谢谢博哥的科普！了解到了很多动车知识！给你一个大母猪[ `д´]bbb