112 鐵路人員升資考試員級晉高員級 技術類(選試鐵路動力車與車輛...原理) 鐵路動力車與車輛構造及原理 考古題詳解

核心觀念

本題考查列車煞車的分類、能量轉換，以及電力煞車與機械煞車在營運煞車、緊急煞車時的配合。題目未指定車型與煞車控制邏輯，以下以一般電聯車具備再生／電阻煞車及氣軔摩擦煞車為前提說明。

列車煞車的目的，是產生與運動方向相反的制動力，將列車動能轉成其他形式的能量。列車初始動能為：

時速 $60\ \mathrm{km/h}$ 換算為：

因此，每單位質量的動能為：

煞車必須處理這些動能；實際煞停距離則還取決於列車重量、制動力、坡度、黏著狀況及煞車反應時間，題目未提供這些條件，無法求出特定煞停距離。

列車煞車方法、原理與能量消散

一、電力煞車

電力煞車利用牽引電動機的可逆特性，使原本輸出轉矩帶動車輪的電動機轉為發電機。發電機產生與車輪轉動方向相反的電磁轉矩，形成制動力；列車動能因此轉成電能。

• 再生煞車：將電能回送至架空線或第三軌，供其他列車使用或回饋電力系統。若電力系統無法吸收回生電力，則須降低再生煞車力，並由其他煞車補足。
• 電阻煞車：將發出的電能導入車載電阻器，以熱能方式消散。
• 渦電流煞車：利用電磁感應產生渦電流及其反作用力，形成制動力；動能主要以熱能散入煞車設備或軌道。其是否可用及適用範圍依車輛與路線設計而定。

電力煞車通常可減少煞車片、煞車盤或閘瓦的磨耗；但制動能力會受車速、牽引設備、電力系統受電能力及輪軌黏著條件限制。車速愈低時，電力煞車力通常會下降，不能單靠電力煞車保證列車停妥及保持靜止。

二、機械煞車

機械煞車以氣壓、電空控制或其他致動方式，將煞車片壓向煞車盤，或使閘瓦壓向車輪踏面，藉摩擦產生制動力。列車動能主要轉成煞車盤、煞車片、車輪及周遭空氣的熱能。

機械煞車包括常用的摩擦煞車，以及可供特定車種或路線使用的磁軌煞車等。摩擦煞車可在低速時完成煞停，並用於停車保持；其性能仍受輪軌黏著、煞車溫度與設備狀態影響。

解題方法：依煞車模式及速度變化說明

作答時應先說明電力煞車如何把動能轉為電能，再交代電能的去向；接著分別說明營運煞車與緊急煞車的控制目的。營運煞車著重平順、可調及減少摩擦件磨耗；緊急煞車則以達到規定的緊急制動性能為先，須有可靠的摩擦煞車能力作為保障。

一、營運煞車

列車以 $60\ \mathrm{km/h}$ 行駛時，駕駛人或列車控制系統下達營運煞車指令，系統依制動需求優先使用電力煞車：

1. 中高速減速階段：牽引電動機轉為發電機產生制動轉矩。若電力系統可吸收回生電力，採再生煞車；若不能吸收或受電能力不足，電能導入電阻器消耗。
2. 電力煞車不足時：由煞車混合控制加入機械摩擦煞車，補足所需制動力。電力煞車受限、列車負載較大或制動需求較高時，摩擦煞車須配合。
3. 低速至停妥階段：隨速度下降，電力煞車能力通常減弱，機械煞車逐步接替，使車輛平順停妥。
4. 停車保持：停妥後由停車煞車或適用的保持煞車防止車輛溜逸；

核心觀念

本題考查列車非金屬材料在火災中的「火災行為」管制。防火目標是降低材料被引燃及火勢蔓延的機會，減少熱釋放、煙霧與有毒氣體，爭取乘客及乘務人員逃生、疏散與救援時間。

命題年度（民國 112 年）所依據的 CNS 16108 系列，參考 EN 45545 系列制定。其中，CNS 16108-1 為通則，CNS 16108-2 規定材料及零組件火災時的行為要求。非金屬材料的防火要求不是一律套用單一數值，而是依車輛用途及設計條件、材料或組件的用途與安裝位置，選定相應的要求組別，再依危害等級檢驗。

解題方法

作答時可按「定危害等級、辨識材料用途與位置、對照要求、以試驗確認」四個步驟整理：

1. 決定危害等級：依車輛的營運類別與設計類別等因素，判定火災風險所對應的危害等級（HL1、HL2 或 HL3）。危害等級不同，材料須符合的要求嚴格程度也不同。
2. 辨識材料及安裝條件：確認材料是單一材料或組件，安裝於車內或車外、乘客區或設備區、地板或牆面等位置，並考量其暴露面積、厚度、質量、基材及安裝方式。
3. 選定要求組別並查核：依材料用途與位置，對照 CNS 16108-2 的要求組別及相關試驗項目、限值。不可只依材料商品名稱或「阻燃」標示判定合格。
4. 依規定試驗驗證：由適用的試驗方法確認材料或組件是否符合所選要求組別及危害等級；材料、組件、安裝構造或製程變更時，應重新評估其適用性。

非金屬材料防火控管重點

一、控制引燃與火焰蔓延

評估材料在規定熱源或火焰作用下是否容易引燃、火焰是否會沿表面蔓延，以及火焰熄滅後是否持續燃燒或形成危險滴落物。地板、牆面、座椅、電纜及其他內裝材料，依用途與安裝位置適用不同要求與試驗方法。

二、限制熱釋放

核心觀念

轉向架避震系統的目的，是在輪軸與車體之間提供適當的彈性與阻尼，兼顧行車安全、運轉穩定、乘坐舒適及輪軌作用力控制。答題時可先依安裝位置分為兩級：

• 一次懸吊（primary suspension）：位於軸箱與轉向架構架之間，主要緩和軌道不平順傳至構架的振動，並維持輪軸導向及輪重分配。
• 二次懸吊（secondary suspension）：位於轉向架構架與車體之間，主要隔離構架傳至車體的振動，提升乘坐舒適性，並容許車體與轉向架相對偏擺、側移及垂直運動。

避震系統元件可概分為彈簧元件、阻尼元件及輔助控制元件。彈簧儲存與釋放能量，阻尼器消散振動能量；彈簧本身不能有效抑制振動，阻尼器本身也不能承擔主要靜載荷。

解題方法

依序說明各元件的型式、作用原理、典型特性曲線與功能。特性曲線要標明橫縱軸及曲線形狀：彈簧看「力—位移」關係，阻尼器看「力—速度」或「力—位移」關係。最後補充元件在一次、二次懸吊中的配置與系統功能。

一、彈簧元件

1. 螺旋鋼彈簧

以鋼線繞製成螺旋形，受壓或拉伸時產生彈性變形並儲存能量。一般螺旋彈簧在彈性範圍內可近似遵循虎克定律：

其中 $F$ 為彈簧力、$x$ 為變形量、$k$ 為彈簧常數。其典型力—位移曲線為通過原點的直線，斜率即彈簧剛度。

可用於一次或二次懸吊。一次懸吊中的螺旋彈簧承受軸箱與構架間載荷；二次懸吊則可承托車體。螺旋彈簧主要提供垂直彈性，側向及縱向定位通常須由其他元件協助。

2. 板簧

由一片或多片彈簧鋼板疊合，受力時板片彎曲而產生彈性反力。板簧可同時承載並提供一定的縱向或側向定位能力，常見於貨車及部分傳統車輛轉向架。

其力—位移曲線在彈性範圍內可近似線性；多片板簧之間的摩擦會造成加載、卸載曲線不重合，形成遲滯迴圈。此摩擦可提供一定耗能，但阻尼效果較難精確控制。

3. 橡膠彈簧與橡膠金屬元件

橡膠受壓、剪切或扭轉時變形，藉材料彈性恢復原狀；與金屬件結合後，可提供支承及定位。橡膠具有彈性與黏彈性，能吸收部分高頻振動，並可在設計上提供不同方向的剛度。

典型力—位移曲線為非線性，常見剛度隨變形增加而上升的漸增型曲線；加載、卸載路徑通常不重合，形成遲滯迴圈。其優點是結構緊湊、可隔離高頻振動，且不需潤滑；缺點是特性會受溫度、老化及材料狀態影響。

4. 空氣彈簧

空氣彈簧以密閉空氣腔承載，空氣受壓後壓力升高，提供彈性支承力；常配合高度控制閥補充或排出空氣，使車體高度維持在設定範圍。

力—位移曲線受氣室容積、有效面積及氣體壓縮狀態影響，通常呈非線性。其主要優點是可透過氣室及輔助氣室設計調整垂直剛度，並能維持車體高度；常用於二次懸吊，以改善載重變化時的乘坐舒適性。空氣彈簧通常另設橡膠緊急彈簧或限位裝置，以應付失壓或行程極限狀況。

5. 橡膠剪切墊、錐形橡膠彈簧等特殊彈性元件

此類元件藉橡膠剪切或形狀變形承載，可設計成垂直方向較硬、橫向或縱向較軟，或反之。特性曲線依幾何形狀與材料而定，多為非線性，並具有一定遲滯耗能。其功能是依車輛需求提供方向性剛度、定位及隔振。

二、阻尼元件

核心觀念

本題考轉向架構架在投入使用前，如何逐步驗證其結構強度與耐久性。新設計的轉向架框架須確認：承受正常運轉及特殊狀況載荷時不會產生不當變形或破壞；長期反覆承受載荷後不會發生疲勞裂損；在實際軌道條件下，其應力與運轉表現也符合設計要求。

四項程序依序為：電腦模擬、靜態測試、疲勞測試、軌道測試。它們由計算分析逐步推進到實體試驗與實際運轉驗證，各階段結果相互對照。

解題方法

依「驗證方法、施加載荷、觀察結果、驗證目的」說明四個階段，即可完整作答。

⑴ 電腦模擬

依轉向架的幾何形狀、材料性質、焊接與連接條件，以及車輛運轉時的載荷情況建立分析模型，常以有限元素分析（Finite Element Analysis, FEA）計算構架的應力與變形。

分析載荷包括正常運轉載荷及特殊載荷；結果則用來檢查高應力區、局部變形與可能的疲勞熱點，並確認設計是否符合強度要求。若分析顯示薄弱部位，便可在製作實體試件前調整構架設計。電腦模擬提供設計判斷依據，但仍須由後續實體試驗驗證模型與實際結構的符合程度。

⑵ 靜態測試

將轉向架構架或完整轉向架固定於試驗設備，按照規定的載荷位置與方向施加靜態或準靜態載荷，模擬正常運轉及特殊狀況下的受力。

測試時量測應變、應力與變形，並觀察是否有永久變形、裂紋或局部失效。試驗結果與電腦模擬比較，可驗證結構在指定載荷下的強度，也可檢查分析模型是否能合理預測實體反應。

⑶ 疲勞測試