关于动车组加速度的科普小知识

还是老话，由于本人也是铁路爱好者，不是相关从事铁路专业的技术人员，在部分技术讲解上难免会使用到不严谨乃至本身就是错误的表述，同时在数据获取途径上可能会有问题而导致信息错误，如有相关改进意见还请指正。

加速度作为衡量一款动车组牵引性能的指标之一，一般是指动车组牵引过程中的加速度。制动减速时的变化单位虽然也是加速度，但在铁路领域一般常用减速度表示，因此下文所描述的“加速度”均是指牵引情况下的加速度。

铁路是一门处处与物理打交道的学科，因此牵引力，制动，加速度等等知识难免会涉及到一部分物理知识……不想过多了解的话，可以直接看写在前头的结论：

①起动加速度快的车不代表其高速时的加速能力越强；

②起动加速度慢的车加速到其设计时速也不一定就很慢；

③加速度快慢与否与以下因素有关：

最重要的：电机/轮周功率与牵引电机本身的特性

在牵引设备保持不变的情况下可以改变加速度的：齿轮比

外部环境以及列车设计：列车(动轴)的黏着，简单点说就是摩擦力大小，摩擦力越大列车轮对越不容易发生空转打滑，所能实现的加速度也就越高。因此对于动车组列车而言，动拖比配置也会影响黏着。

雨天轨面湿滑，轨面与轮对之间的摩擦力变小，因此黏着就会较弱，此时就需要依靠现代动车组/机车都带有的电子防滑系统，以及司机的操纵来确保列车能够在雨天中平稳的启动。

对于机车而言，影响其牵引力和加速的因素还有：冷却系统的效率，及其电气设备的额定（设计上所能承受的最大）电流值。

④可以笼统的认为：

又想要高加速度又想要高速，最好的办法是提高牵引电机/轮周的功率；

在相同功率的同款牵引电机下，通过改变列车转向架中齿轮箱的齿轮比可以做到调整加速度大小，但会导致降低急速亦或是降低启动加速度，并不能做到通过改变齿轮比的方式使得列车启动又快高速又高。

⑤对于电传动机车/动车组而言：随着列车运行时速的加快，牵引力也会由此发生变化，一般情况下列车时速越高(电机转速越高)，其牵引力和加速度就会越小。这是由电机特性所决定的。

⑥高速动车组的起动加速度受到车站道岔咽喉区限速以及司机操纵习惯、列车运行图排图较松（CR特色）等等现实问题的影响，并不能反应实际的运用情况，即：实际使用中，起动加速度略高的高速动车组列车可能与起动加速度略低的高速动车组列车它们两者的加速水平相差无几。当然，对于尽可能利用列车性能与线路运能，且车站均为新建或扩建而来的新干线系统来说，该影响会小很多。

        学过初中物理的大家都明白，影响加速度a的因素就是力F和质量m，而在有不同摩擦系数的介面上运动，摩擦系数也会影响力，摩擦系数过小而用力太大就会站不稳摔倒。那么在铁路领域，影响列车加速度的同样也是力——列车的牵引力，摩擦——轮对与轨道之间的黏着力，其中黏着力一般指的是承担带动列车运动部分的动轴的黏着情况(动车组中动力车的转向架)，这个黏着情况除了天气情况导致的轨道湿滑与否外，也与列车的动拖比以及质量有着不小的关系。

下面来说说影响列车加速能力最关键的牵引力：

・牵引力在电传动机车/动车组中，由事先设计好的电机特性以及齿轮箱的齿轮比反映。

・至于液力传动型的内燃机车/车组(日本的多数柴联车以及国内早期的东方红以及一部分调机机车)，与现在主流的电传动内燃机车，由于其柴油机也会直接影响轮轴输出功率，相对于电力机车/动车组而言会复杂一些，这里就不多阐述。

关于电机特性，这里引入一个概念：恒功率。同时，电机特性与黏着没有关系。

首先，恒功率指的是：电机输出功率保持不变，当转速升高时，电机的扭矩会越来越小。

・恒功率：电机特性与齿轮比共同决定电机的恒功率点的范围，但并不是所有的机车/动车组都会有。

低于恒功率点，可以大致认为电机不能发挥最大的输出功率，但这时对于动车组而言的牵引力往往是最大化的，所以一般最开始的时候加速度是最快的，不过也需要注意这时候强行把输出功率的手柄拉到最大可能会导致车轮打滑。

而高于恒功率点，电机输出功率几乎保持不变，而随着电机转速的提升（运行速度变快），上面说到的电机扭矩变小，扭矩变小就意味着电机在保持当前运行时速下能提供的额外牵引力也会随之降低，也就是说列车的加速度会慢慢降低。

于此相关的，还有机车的持续牵引力与持续速度。不过与动车组看重黏着与功率所不同的是，机车集中了大量电气设备，因此对于机车而言，机车最看重的，除了牵引力与牵引定数外，还有其牵引时的稳定性，只有稳定的运行才能更好地发挥其集中而又巨大的牵引力，若电气设备中的瞬时电流超过额定值，亦或是某一部件散热冷却不当导致过热，都会影响机车的发挥。因此机车其实不是那么着重于优化加速性能。不过对于设备较为分散的动车组而言，此项可以忽略，有兴趣的朋友可以去百度百科搜索持续速度了解详情。

在一般的动车组技术文档中会提及一个词：列车到达某设计时速时的剩余加速度是……而这个剩余加速度，可以反映列车在达到其设计时速之时牵引力余量的情况。这意味着列车到达该运输时速后可以向更高的速度冲刺直至平衡状态，也可以表示在此设计时速下，列车还剩多少牵引力去克服诸如逆风天强风天以及上坡道的阻力，若剩余的牵引力不足那么列车时速就会下降。

顺带一提：在恶劣天气下，钢轨湿滑，这使得黏着较差，对于动轴较少的机车来说，增强黏着使得列车能够顺利启动的常用方法就是撒砂。砂子可以增加轮对与钢轨之间的摩擦力，从而使机车更好的牵引列车启动。铁路行业使用的砂子一般都是精制的石英砂，而不是直接使用人们生活中所常见的那些沙子。动车组列车同样会考虑到在较为恶劣的工况下启动，因此也配备有撒砂装置。

速度-牵引力曲线：也叫牵引特性。牵引特性它的用处在于：如果你想知道列车/机车的牵引能力的情况，那么速度-牵引力曲线图就可以很直观的反映出列车/机车的整体牵引特性，由电机特性也可以知道，该曲线是从起点开始就一直是下降的，而曲线的变化情况，就恰恰可以反映出列车在理想情况（轨面干燥，车轮无磨耗，空重）或理论工况（轨面干燥，预设定员数/牵引定数，车轮磨耗介于全新和最低值中间）加速过程的变化水平。动车组/机车的整体牵引特性需要考虑到黏着。

若想使用此曲线图来比较不同动车组或者机车的情况，请事先确认假设工况相同或相似（毕竟动车组设计的定员不完全一致）

而影响列车/机车整体牵引特性的主要有：

车组/机车本身的设计，例如散热系统与电气设备所能承受电流的最大值

黏着极限（影响动车组加速能力比较关键的一点的）

最大功率

下面引用一个图来展示某种设计时速为80的地铁电动客车的速度-加速度曲线（没找到适合的资料，不过由于牵引力与加速度是正相关关系，在此就笼统的引用一下）：

在0~10km中加速度（牵引力）的上升，在原论文中的解释是：电机起动的初始电流从0上升到恒流电流到达其自然特性的过程。（通俗易懂来讲就是从电气设备中获取的电流从0增至额定值的过程）由于这一段的加速度达不到规定值，故通常都将此段上升的过程去除，仅仅保留这一段过程的最大值定义为起动加速度。

从这个图中可以看出，这款地铁电客在10~30km/h的范围内都能有3.3km/h/s的加速度，不过超过30km/h后加速度会下降至约2.2km/h/s的加速度，之后到达所设计的最高时速。

这段曲线下降的过程，即是该列车在理论工况下的加速度变化过程。

其实上面这个图的曲线和现代中国大部分地铁电客列车的牵引特性相差不大，它们的加速度均是在30km/h之后会有一个比较明显的下降过程。

而对于大铁的高速动车组而言，这个曲线甚至可以反映出这款动车组的加速能力到底如何。

从图中可以看出，5A与1A的起动牵引力很高，而对比这两款车各种资料中所记载的起动加速度，这两款车的加速度也是中国引入的时速250动车组中起动加速度较快的。

2A的起动牵引力是图中最低的，而实际运用中由于2A的功率确实是引进的动车组中功率最低的（甚至还比不过港铁东铁线启动3.6km/h/s+设计时速120的韩制通勤动车组），其起动加速度也是引进的动车组中最小的一款，低于1A与5A不少。因此2A用作金山铁路之类站距不是很长的通勤铁路中其实不是很适合。

当然，由于2A车体本身很轻，甚至比5A与1A轻了一个数量级，所以不能简单地就由牵引力就判断出它总体的加速度就是最差的，不过对于空车质量相近的动车组来说还是具有一定可比性的。

其他方面，可以注意到1A和5A在大约时速50km/h，75km/h之前的牵引力维持不变，但超过这个时速后他们的牵引力就有较为剧烈的下降直至到达设计时速250km/h。因此即使1A，5A的起动加速度较为优秀，但实际上这两者加速到时速250km/h所需要消耗的时间与2A相当。甚至于5A所需的时间还比2A久一些。由此也可以证明，在质量悬殊的情况下曲线所处位置的高低，并不能确切地说明与对比加速度高低。

1A，5A此种设计也并不是为了“数据好看”，而是因为他们的原型多少都有考虑到城际间站距较短的一部分的通勤需求，为此才有了一个开始时加速比较快的专门设定（实际上铁路装备商在设计产品时也多半是考虑到实际需求才会如此设计）。另外一说，以高起动加速度著称的东海道新干线的御用车N700亦是相似的设定。

再来看看设计时速300的车。图中有三款功率由7200kw至8800kw的高速动车组，其中CRH3C的曲线一直位于AGV-11与2C-300（CRH2C一阶段）的上方。实际表现中，CRH3C总体的加速性能也是中国早期时速300+的动车组中最好的，而2C-300的性能则是最差的。

另外从图中还可以得知几个信息：CRH3C虽然在刚启动时的牵引力就不如1A与5A，起动加速度确实比不过1A与5A，但在时速75km/h之后3C的牵引力就比1A,5A要高了，这也就意味着在这一个阶段后3C的加速度会高于1A与5A。

而300阵营中加速能力较弱的2C-300相比于250阵营的车型来说，2C在时速250时的牵引力仍大于1A,5A,2A不少，因此加速到250所需要的时间还是比250阵营少了不少的。

中国高速动车组大都以城际中长途运输为主，且由于牵引特性的原因，会引入另一种衡量标准：时速0~200km/h（或更高）平均加速度。

值得再次强调的是，牵引力与加速度虽然是正相关关系，但实际计算中还需要考虑到运行阻力（摩擦、风阻）以及黏着。时速300以上风阻会大大增强，轮轨间的摩擦力（即列车车重）在列车运行阻力中的比重又变得不是那么大了，因此对于设计时速300+的高速动车组来说，也需要考虑到头型与风阻的问题，而车重就不需要过分关注了。好的头型可以降低列车高速运行时的阻力。

虽说动车组的动拖比越大，那么该动车组的黏着性能就会越好，加速度也可以越高。高速动车组方面，由于其存在余量（即列车正常发挥牵引特性时远没有达到黏着极限的程度），以及电子防滑相关系统已经十分成熟，因此对于需要降低维护成本的运营商来说，低动拖比意味着更少的电机，更少的维护量和维护成本，这反而又是一种“潮流”。像欧洲的动力分散式高速动车组大都也采用了1:1的中等动拖比（阿尔斯通的200m级AGV拥有12个转向架，其中6个是动力转向架，可以认为也是1:1动拖比）。

在机车或动车组的动力转向架中，牵引电机带动齿轮箱里面的各组齿轮机构旋转，齿轮箱又带动车轴旋转，最后就实现了列车的牵引。通过改变齿轮箱中齿轮的大小组合，就可以改变机车/列车的加速表现，所以齿轮比也是影响机车/列车加速性能以及设计最高时速的重要因素之一。但可以模糊的说，通过改变齿轮比只能单方面的改善低速域时的加速表现，亦或是提高列车的最高速度。改变齿轮比无法实现低速时加速又快又不影响最高时速的要求(若在达到最高运营时速后还有一定的设计余量，这时可以考虑改变齿轮比，不过这也需要成本与改造)。

对于动轴较多的动车组列车而言，若需要改变齿轮比，则其就需要更换多个齿轮箱，比一般的机车更换齿轮比要更麻烦。因此动车组的齿轮比在生产出来后几乎不会再改变。

在机辆领域这样的例子较多。例如，国内上世纪60年代后由于有频繁的货运改客运，客运改货运需求，因此有不少已经在运用中的内燃机车通过改变齿轮比的方式实现客机货运化或货机客运化。

当然，对于电力机车而言，通过改变齿轮比的应对客货不同需求的情况已经比较少了，且不少电力机车的输出功率和设计足以达到120km/h的客运时速水平。

铁道部在研发准高速机车的过程中，也证明了单纯改变齿轮比无法使机车胜任时速140乃至160的准高速客运任务，要达到准高速客运的要求，同时还要改变转向架的电机悬挂方式，电气设备牵引设备的设计等等。

汽车的变速箱是可变齿轮比设计，不过由于汽车所使用的机械传动适用的轮轴功率不能满足铁路需求，因此铁路领域中非常罕见有使用类似于汽车机械传动的例子。

写在最后。国内车迷圈非常看重的起动加速度，由于受到上面所说过的牵引特性和实际运用的影响，差别可能并不大。下面举几个例子：

CRH6A与CRH6F的问题：穗莞深城际这样设计时速140的线路，珠三角城际却为其配备了起动加速度相对一般的CRH6A，有人会疑问为什么不使用起动加速度更快的6F。其实CRH6A与6F在这种线路中的启停性能不会相差太多，其对均速的影响远不如停站时间长。但统一配属6A却更方便于珠三角城际公司对其进行调配。

N700(A)由于需要兼顾东海道新干线部分小站距（比如东京-品川-横滨）的启停，又要兼顾山阳新干线运营时速300的要求。在基于大动拖比的情况下，JR东海在设计时适当提高了N700的起动加速度，使其在小站距内也能赢得一些时间。不过，也有N700系加速到300所需时间比500系要多的说法，个人认为N700固然是一款非常适合东海道-山阳新干线运营模式的优秀列车，不用羡慕那非常高的起动加速度。另外意铁的Frecciarossa 1000系列车（Zefiro平台，380d的孪生兄弟）在4M4T的情况下起动加速度也与N700系相若。

参考资料

[1]徐锦帆.地铁车辆起动加速度的探讨.都市快轨交通,1992(3):11-14.