[工程科技]动车组牵引制动性能计算——培训中心.ppt

第六章 动车组牵引制动性能,200km/h EMU电动车组采用动力分散交流传动牵引模式，适应在铁路既有线上以160km/h速度级正常运行，在新建的客运专线并能在既有线指定区段上以200km/h速度级正常运行。 这里对于动车组牵引制动相关的环境、线路等运行条件以及动车组的主要技术参数予以简单介绍。,一、动车组运用条件,1. 动车组运用的自然环境 气温条件：2540C。 相对湿度：95%（月平均最低温度25C时）。 海拔高度：1500m。 最大风速：一般年份15m/s；偶遇30m/s。 气候特点：有风、沙、雨、雪天气；偶有盐雾、酸雨、沙尘暴等现象。,2. 动车组运行的线路条件, 200km/h速度等级线路区段的线路参数如下： 坡道： 区间最大坡度：12（困难条件下20）。 站段联络线坡度：30。 最小曲线半径：2200m。 缓和曲线：三次抛物线型, 线间距：4.2 m。 到发线有效长度：650 m，困难条件下520 m。 最大超高：150mm。 最大超过允许值：110mm。 道岔限速： 区间道岔直向通过速度：200km/h。 进出站为18号可动心轨道岔（导曲线半径为1200m，侧向通过限速80km/h）和12号可动心轨提速道岔（侧向通过速度50km/h）。, 竖曲线半径：15000m。 车站站台高度：5001200mm。 车站站台边缘距轨道中心线的距离：1750mm。 正线数目：双线。 轨底坡：1/40。 既有线线路其他有关参数如下： 坡道：30。 轨底坡：1/40。,3. 列车运用特点,列车为两端均可操纵控制的动车组，可单列运行，也可两列联挂运行。 两列联挂时间：3min。 列车立即折返时间：16min。 运行特点：客货混运、适合于既有线列车混运，动车组不通过驼峰，不与货车混编。 救援列车（救援机车）：采用自动空气制动机和15号自动车钩。,4. 动车组供电系统, 额定电压：单相交流25kV、50Hz。 最高电压：31kV。 最低电压：17.5kV。 符合我国铁路干线电力牵引交流电压标准；线路设点式信号设备为列车提供过分相位置信号,5. 限 界 符合电力机车限界和客运专线机车车辆限界暂行规定。 6. 信 号 闭塞分区长度一般为10001200m。,二、对动车组的基本要求,200km/h速度等级的旅客列车采用交流传动、动力分散式动车组。动车组牵引系统应具备功率冗余。 动车组应有识别的标记：路徽、配属局段简称、车型、车号、定员、自重、载重、全长、最高运行速度、制造厂名及日期、定期修理的日期及处所，应有“高压危险禁止攀登”的标识。,动车组应具有列车运行安全监控功能，对重要的运行部件和功能系统进行实时监测、报警和记录，并能提前向检修基地传输。 动车组应装备CTCS2级列控车载设备(以下简称列控车载设备)和列车运行监控记录装置(以下简称LKJ)。 制动初速度为200km/h时，列车紧急制动距离限值为2000m。,动车组制动机采用计算机控制直通式电空制动系统。制动系统具备动力制动和空气制动的功能，当动力制动能力不足或丧失时，使用空气制动补充，仍须保证规定的紧急制动距离。 装备停放制动装置的动车组，应具有在20坡道上停放制动时不溜逸的能力。,动车组应装备车载自动过电分相装置。 动车组须按规定随车配备行车备品及过渡车钩、电气连接线、专用风管及止轮器，并存放在固定地点。 新造动车组以及检修后按检修规程规定需要试运行的动车组，应安排上线运营前的试运行工作。,三、动车组主要技术参数, 编组形式：8辆编组。 动力配置：4M4T。 定员：610人。 最高运行速度：200 km/h。 最高试验速度：250 km/h。 适应轨距：1435mm。 适应站台高度： 传动方式：交直交、三相交流感应电动机、VVVF逆变器控制方式、电力再生制动方式（带空转滑行控制, 牵引功率： 4800 kW。 编组重量级长度：204.9m，345t。 车体型式：大型中空型材铝合金车体。 轴重：14t。 轮径：860/790 mm。 起动加速度：0.406m/s/s。 制动方式：直通式电空制动、电力再生制动。 制动距离：初速200km/h，1800m。,1个列车单元（8辆编组）的车辆构成如下表所示,注：T为拖车、M为动车、C带司机台、K带车内小卖部、S为一等车。,第二节 动车组的牵引特性曲线,动车组的牵引特性曲线是指动车组牵引力随速度变化的曲线，是动车组最重要的性能曲线。在计算动车组的牵引与制动性能的时候，牵引特性曲线是最重要的原始数据。,一、动车组牵引特性的特点,国外各种高速电动车组的牵引特性曲线。, 低速区特性平坦或随速度升高而下降，这样的特性与动车组的粘着特性随速度的变化趋势是相适应的； 牵引力数值与内燃机车、电力机车的牵引力相比小很多；由于中高速动车组大都采用轻量化技术，与普通旅客列车比列车重量小，所以仍然具有较高的起动加速能力（或功率重量比）； 高速区特性为恒功率曲线，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降；这一点与普通内燃、电力机车的恒功牵引特性曲线是相似的；但恒功范围略小，一般在23左右，且向高速区移动；对于最高运行速度300km/h的动车组，恒功范围起始点多在100km/h以上；, 因采用动力分散牵引模式，在正常轨面状态下，起动时及低速范围的牵引力低于粘着限制曲线较多，因此，在动车组的牵引特性曲线图中粘着特性曲线通常是不画出来的； 在动车组的牵引特性曲线上通常不标注最低持续速度，因为在全功率下，即便在 20以上甚至接近30的坡道上，列车的均衡速度仍然在恒功区以内，牵引电机的散热能力在允许范围，换句话说，在正线运行时（坡道12）不会出现全功率、低速持续运行的工况。,二、CRH2的牵引特性曲线,CRH2的牵引特性曲线（级位）,CRH5的牵引特性曲线,CRH1的牵引特性曲线,F1760.36V 0V125km/h F16250/V V125km/h,动车组运行于平直道和12、20、30直坡道上的牵引力与基本运行阻力的相对关系曲线，由图可以看出，列车运行于12无隧道的直坡道上的均衡速度在200km/h以上。,（1）牵引力曲线 牵引力为EMU所要求的全功率对应得最大牵引力。牵引力在从0125km/h的速度范围内，以速度0 km/h的牵引力为基点按一定斜率下降，在速度125km/h以上范围内，牵引力与速度呈双曲线下降（恒功率）的趋势。 （2）牵引力与速度的关系 一般来说，所需牵引力按照下列公式计算：,（N）,加速度以下式计算： （m/s2） 在EMU加速时，不仅对车体加速，也需要施加力量来克服车轮、车轴、制动盘片、驱动用电动机、齿轮装置等旋转部分的惯性力矩，以使车轮旋转、加速。从计算的角度，用旋转部分的等效重量计算，换算的系数定义为惯性系数。惯性系数的值因EMU的车（有驱动电动机、齿轮装置）与T车的比例（动拖比）不同而不同，一般由照动车组的技术规格所规定。车辆的等价重量按照G（1）来计算。,（2）运行阻力,曲线中的虚线表示无隧道、直线、平坡及最大坡度12下对应的运行阻力。 按照实际计算，在208km/h附近，牵引力曲线与运行阻力（12）曲线相交，这一点是坡度12对应的EMU的均衡速度点。 对于平直道，在250km/h点，牵引力超出运行阻力，表明还有继续加速的余量，用剩余加速度来表示，即250km/h时剩余加速度0.059m/s2，200km/h时剩余加速度0.124m/s2）。 起动时的加速度要求有0.406m/s2。,（3）单点划线表示电动机电压、破折线表示电动机电流。 电动机电压在速度175km/h前， 设定为V/f（电压/频率）达到一定值时加速（电压、频率与速度略呈比例）、速度175km/h以上时电动机电压为一定值。 电动机电流在速度125km/h前，与牵引力呈比例下降、从125175km/h是基本上与速度成反比例减少。即，电动机电压与电动机电流之积保持一定值，表示在这种状态下进入推移的稳定能量加速区域。,此外，在175km/h以上时，如前所述，电动机电压一定，所以如果暂定功率因数暂无变化，由于是稳定能量，电流会按照一定值推移。 但是，在图中，电动机电流是随着速度的上升而下降的。 （4）运行速度 营业运行速度 200 km/h 最高试验速度 250 km/h,第三节 动车组的粘着,我们已经知道，粘着系数和轮轨接触几何尺寸、接触区域状态、动轮直径、运行速度等有关，动车组高速运行时，轮轨间的接触条件恶化，粘着系数降低；另一方面，动车组动轮直径比内燃、电力机车的小，所以，动车组的粘着系数比机车的粘着系数小。,ICE和TGV高速动车组由于采用动力集中或相对集中的牵引方式，列车轴重大，故粘着系数高于动力分散的日本新干线高速动车组（0、100、300系）。,值得说明的是，动车组速度在250200km/h之间，且轨面状态不好时，粘着系数大约为0.0770.083之间，粘着允许的制动减速度为0.760.81m/s2，因此，200km/h EMU 的平均制动减速度都处于边缘，因此，采取增粘措施（采用踏面清扫器）和防滑措施（采用防滑控制）是制动系统必须的。这样，动车组的最大制动减速度在轨面状态较好时或轨面湿润时，都在一定程度上得到保障。,第四节 动车组的阻力特性,不同列车速度下空气阻力所占的比例,高速动车组的速度都在200km/h以上，空气阻力占主导地位。所以动车组往往从头尾部以及整个列车的流线型（包括车顶和车下设备）来减低空气阻力，并尽量降低表面粗糙度和列车高度。,基本阻力中各部分的比例,基本阻力的计算,（N/t）,计算运行阻力的公式还有相近的公式，一般在动车组的技术规格中作规定。此处所列公式为200km/h EMU的基础原型车的实测值。,第五节 动车组的牵引功率,动车组运行速度高，运行阻力随之增大，必须有足够的动力来克服增大阻力。 （1）功率配置 动车组的功率主要与运行的目标速度、列车总重、最高速度时剩余加速度有关。 参照欧洲高速铁路联网高速列车技术条件： 平直道最高速度运行时，应有剩余加速度0.05m/s/s； 加速过程平均加速度： 040km/h 0.48m/s/s 0120 km/h 0.32m/s/s 0160 km/h 0.17m/s/s, 考虑15km/h的逆风； 列车（轮周）功率按平直道最高速度200km/h、考虑15km/h的逆风运行时，仍有剩余加速度0.05m/s/s；,牵引电机总功率：实际电机功率： 300X164800 kW 单位列车重量牵引功率：11.74kw/t,（2）功率与列车最大运行速度的关系,功率与列车最大运行速度的关系（列车重量400t）,（3）高速动车组的功率重量比,（4）地铁轻轨车辆的功率重量比 四轴车 12kW/t 六轴铰接车 11kW/t 八轴铰接车 10kW/t 由此看出，200km/h EMU动车组的功率重量比与其他电动车组的功率重量比是一致的。,第六节 动车组的起动加速性能计算,一、起动加速过程加速度,1. 起动加速度 列车在定员载荷、平直道的起动加速度为 0.402m/s2。 起动平均加速度： 040连续加速： S165 m， a0.38m/s2 080连续加速： S713 m， a0.365m/s2 0120连续加速：S1757 m，a0.33m/s2 0160连续加速：S3651 m，a0.30m/s2 0200连续加速：S7286 m，a0.25m/s2 0250连续加速：S17.32 km，a0.184m/s2,2. 剩余加速 200km/h行驶时：0.1m/s2 （实际计算结果：0.126m/s2） 250km/h行驶时：0.05m/s2 （实际计算结果：0.0605m/s2） 从平直道的运行阻力与牵引力的关系曲线也可以看出，在250km/h点，牵引力超出行驶阻力，显示出还有继续加速的余量。使用加速度来表示这一剩余加能力的话，就是在加速性能曲线中记录的剩余加速度所表示的加速度值（要求达到250km/h时0.059m/ s2，200km/h时0.124m/s2）。,二、各手柄级位均衡速度,动车组在各牵引级位下的运行于无隧道的平直道上的均衡速度如表,三、起动加速过程,平直道上起动加速，假设起动时间为1秒。起动加速过程如表,四、不同动拖比编组的起动加速能力对比,在相同电机功率、相同牵引总重量等计算条件下，动车组的平均加速度如表所示,不同动拖比编组的起动加速图示,五、其他高速动车组的起动加速性能对比,第七节 动车组的制动计算,一、动车组制动要求 当动车组配置了11.7kW/t 的牵引功率，在牵引工况，当列车从0200km/h加速时，加速运行距离为7.3km；当从0250km/h加速时，加速运行距离为17.3km。但制动工况就不同了，列车制动距离要比起动加速距离短得多。 我国铁路技术政策规定： 当最高速度为250km/h，要求制动距离：2700m，约为加速运行距离的1/6；制动平均减速度a0.9m/s2，约为平均起动加速度的5倍。,当最高速度为200km/h，要求制动距离：2000m，约为加速运行距离的1/4；制动平均减速度a0.77m/s2，约为平均起动加速度的3倍 当最高速度为250km/h、要求制动距离2700m、制动减速度0.9m/s2时，,针对制动等级为EB（快速制动）、列车编组方式为4M4T的列车进行制动距离的计算。其中，取制动单元为1M1T，制动方式为纯空气制动或电制动+空气制动。路面分DRY（干轨）和WET（湿轨）两种状态分别考虑。并假定制动初速度为200km/h。（铁路技规规定200km/h速度等级列车制动距离为2000m）。,制动距离 空走距离 空走时间=2.3（s），初速度为200km/h下的空走距离：,各速度段制动所需制动距离,列车总制动距离,列车总制动距离计算结果,结论 不论干轨和湿轨的制动距离均小于2000米，满足技规的规定。,200km/h初速制动距离,160km/h初速制动距离,三、再生制动、空气制动性能曲线,四、停坡验算,装备停放制动装置的动车组，应具有在20坡道上停放制动时不溜逸的能力 20%坡道上的下滑力：408.5t x 20=81.7 kN 最大停放制动力：408.5x 1.12=457.52kN 按制动缸剩余290kPa计算，制动力可达190kN以上。,五、安全制度规定,动车组按LKJ方式行车时，列车最高运行速度165km/h(167km/h报警，170km/h启动常用制动