112 鐵路人員升資考試士級晉佐級 技術類(選試運轉理論大意) 運轉理論大意 考古題詳解

核心觀念

列車行駛時，車頭會壓縮前方空氣，車身表面會與空氣摩擦，車尾及車體周圍也會形成渦流。這些作用產生方向與列車前進方向相反的力，統稱為空氣阻力。

空氣阻力主要可分為三種：

1. 正面壓力阻力：列車前進時，車頭推擠並壓縮前方空氣，車頭承受反向壓力。
2. 表面摩擦阻力：空氣具有黏性，氣流沿車身表面流動時，會對車體產生摩擦作用。
3. 渦流阻力：氣流流經車身兩側、底部及尾部時，因車體形狀或突出物而分離、擾動，形成渦流；車尾低壓區也會增加阻力。

空氣阻力可用下式表示其基本關係：

其中，$\rho$ 為空氣密度，$C_D$ 為阻力係數，$A$ 為列車迎風面積，$v_{\mathrm{rel}}$ 為列車與空氣的相對速度。此式表示，在其他條件不變時，空氣阻力大致與相對速度平方成正比。

解題方法

本題是列車阻力的觀念題，作答分成兩部分即可：先列出空氣阻力的主要來源，再說明影響阻力大小的因素。依阻力產生的位置與氣流狀態，分別說明車頭受壓、車身表面摩擦，以及車側與車尾的渦流作用；接著以速度、迎風面積、車體外形與表面狀況等因素補充。

核心觀念

本題比較三種牽引方式：柴液、柴電，以及動力分散式電力動力車。關鍵在於牽引動力的來源與配置方式：

• 柴液動力車：柴油機提供動力，經液力傳動裝置傳至車輪。
• 柴電動力車：柴油機帶動發電機，再由牽引馬達驅動車輪。
• 動力分散式電力動力車：由外部電力供電，牽引馬達分散配置於多個車輛或轉向架，例如電聯車。與動力集中式列車由單一機車集中牽引不同，動力分散式列車由編組中的多個動力車輛共同牽引。

牽引力受輪軌黏著力限制，可概括表示為：

其中 $\mu$ 為輪軌黏著係數，$W_{\text{動力軸}}$ 為動力軸承受的重量。動力分散式列車有較多動力軸，通常能較充分利用列車重量提供牽引力。

解題方法

作答時，從「動力配置、起步與加速、能源與環境、設備維護、路線條件」逐項比較。題目問的是相較柴液與柴電的優缺點，因此應同時說明動力分散式電力車的運轉優勢，以及其依賴電氣化設施、設備較分散等限制。

優點

1. 起步牽引力大，加速性能佳 牽引馬達分布於多個動力軸，可增加可用黏著重量，降低單一車軸負荷過大的影響。市區通勤或停站頻繁的路線，能較快起步並縮短加速時間。

2. 牽引力分布均勻，運轉較平順 多個動力單元共同牽引，可降低牽引力集中在列車一端所造成的縱向衝動，有助於提升乘坐舒適性與列車運轉穩定性。

3. 能源利用效率較佳，具再生制動條件 電力牽引省去柴油機及其傳動鏈的能量轉換損失。列車減速時，牽引馬達可作為發電機運轉，將動能轉為電能回送電網或供其他列車使用；相較之下，柴液與柴電列車的制動能量通常較難回收利用。

核心觀念

電力制動是將電動機轉為發電機，使列車動能轉換成電能，藉此產生與列車運動方向相反的制動力。依電能的處理方式，可分為電阻式電力制動與再生式電力制動：

• 電阻式電力制動：發電所得電能送入制動電阻，轉換為熱能消耗。
• 再生式電力制動：發電所得電能經電力轉換設備調整後，回送至電車線或其他可受電的系統，供其他列車或設備使用。

動作原理

列車行駛時，牽引電動機接受電力並產生轉矩，帶動車輪。制動時，控制系統改變電動機及電路的運作狀態，使電動機轉為發電機。車輪帶動發電機轉動，列車的動能因而轉換為電能；發電機所形成的電磁轉矩則抵抗車輪轉動，產生制動力。

再生式電力制動的電能處理流程如下：

由於發電機輸出的電壓、電流與電車線條件未必相同，電力轉換設備須控制發電機與電車線間的電能交換，使電能符合系統要求並能回送。回送的電能可供同一供電區段內正在牽引的列車使用；若供電系統具備吸收或儲存電能的條件，也可由相應設備處理。

解題方法

作答時掌握「制動時電動機轉為發電機，電能如何處理」這個切入點，再比較兩種制動方式的能量去向：

1. 電動機轉為發電機，列車動能轉為電能。
2. 發電機產生的電磁轉矩抵抗車輪旋轉，形成制動力。
3. 說明再生制動將電能回送供電系統；

核心觀念

列車牽引時，動輪藉由輪軌間的黏著力帶動列車前進。若牽引力超過輪軌間可提供的最大黏著力，車輪便會相對鋼軌滑動、轉速高於列車行進速度，稱為空轉。

輪軌間最大黏著力可概略表示為：

其中，$\mu$ 為輪軌黏著係數，$W$ 為動輪承受的垂直荷重。避免空轉的基本條件，是動輪所需牽引力不超過此最大黏著力。

空轉與制動時車輪被鎖住、在鋼軌上滑行的「滑走」不同：空轉發生於牽引時，滑走則通常發生於制動時。

解題方法

依題目要求分成三部分作答：先說明空轉如何發生，再交代對列車運轉及設備的影響，最後提出降低發生率與抑制空轉的措施。作答時應以「牽引力大於輪軌黏著力」作為原因與改善方法之間的主軸。

發生原因

1. 輪軌黏著係數降低：雨水、露水、油污、落葉或軌面污染等，使輪軌接觸面的黏著能力下降，$F_{\max}$ 隨之降低。
2. 牽引力過大或增加過快：起動時牽引力設定過高、牽引級位升得過快，或牽引控制不當，使牽引力超過可用黏著力。
3. 動輪荷重不足或分配不均：動輪承受的垂直荷重較小時，可用黏著力也較小；車輛載重與軸重分配不均，也會使部分動輪較易空轉。
4. 線路及運轉條件不利：坡道起動、曲線或軌面狀況不佳等因素，會增加牽引需求或降低輪軌黏著，因而提高空轉機率。

不良影響