（电力电子与电力传动专业论文）大功率交流传动内燃机车电传动系统方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第h 页 如何进行柴油机的恒功率控制，以实现机车的辅助功率转移，并对机车 牵引力进行修正，以弥补直接力矩控制所产生的牵引力随温度而变化的 问题。最后介绍了变流器的控制方式。卜i 百一 关键词：内燃机车、交流传动、变流器、微机控制、电子喷射 - _ - 一一- _ 一一一、一一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 a b s t r a c t t h cp a p e ra i m e d a tt h e5 5 0 0 h pa ct r a n s m i s s i o n d i e s e ll o c o m o t i v ej o i n t l y d e v e l o p e db yz i y a n gd i e s e l l o c o m o t i v ew o r k sa n dz h u z h o ue l e c t r i c l o c o m o t i v e r e s e a r c hi n s t i t u t ea si t sr e s e r c h i n go b j e c t b ym e a n s o ft h ed i s c u s s i o na b o u tt h em a i n t e c h n i c a ip a r a m e t e r so ft h el o c o m o t i v ea n di t s a ct r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h e c o m d a r i s o no ft h et e c h n i c a ls c h e m ea n dt h ea n a l y s i s o ft h ew o r k i n gp r o c e 3 3 e 8 ，t h e p a p e re v e n t u a l l y d e t e r m i n e dt h em a i nt e c h n i c a lp l a n o ft h i sl o c o m o t i v ea n di t s t r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m t h ef i r s tp a r to ft h ep a p e rp r e s e n t e dt h eh i s t o wa n de x i s t i n gs i t u a t i o no f t h ea c t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei nc h i n a a n da b r o a da n dt h ea d v a n t a g eo f t h i st e c h n i q u e t h e b a c k g r o u n do f t h i sp r o j e c ti sm e n t i o n e dh e r e t h em a i nr e s e r c h i n gw o r k o ft h i 3p a p 。 i sa l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a r t t h es e c o n dp a r tm a i n l yd e a l w i t ht h e g e n e r a l t e c h n i c a l p a r a m e t e r s o ft h i s i o c o m o t i v e s t a r t i n gf r o mt h ed e v e l o p m e n t o ft h ec h i n e s er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o na n d i t sr e 口u i r e m e n tf o rt h el o c o m o t i v et r a c t i o np e r f o r m a n c e ，t h ep a p e ra n a l y z e d t h em a i n d a r a m e t e f so ft h el o c o m o t i v es u c ha sl o c o m o t i v eh o r s e p o w e r , s p e e d ，t r a c t i o ne f f o r t ， b r a k i n gf o r c e t h et r a c t i o na n dd y n a m i c b r a k ec a l c u l a t i o no ft h el o c o m o t i v eh a sb e e “ m a d eh e r e t h es t a r t i n ga n da c c e l e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h e l o c o m o t i v ei sa l s o a n a l y z e d t h et h i r dp a r td i s c u s s e dt h em o d eo ft h em a i nc i r c u i ta n d t h ef o r mo ft h ei n v e r t e r t h em a i nc i r c u i tp l a no ft h ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa l s oi n t r o d u c e dh e r e - t h ef o u r t hp a r ta n a l y z e dt h ei n t e r m e d i a t ed cv o l t a g ea n di t s c o n t r o lp r i n c i p l e a n dt h et e c h n i c a lp a r a m e t e ro ft h em a i np a r t si nt h ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m s e v e r a l k e yt e c h n i c a lp r o b l e m s s u c ha s p a r a l l e lw o r k i n g o ft h ea cm o t o r s ，t h ew h e e l d i a m e t e rd i f f e r e n e eu n d e rt h eb o g i e c o n t r o lm o d e ，t h ea c m o t o r - i n v e r t e rm a t c h i n g p r i n c i p l ea r es t u d i e di nd e t a i l t h ep r i n c i p l e st od e t e r m i n et h ee l e c t r i c a lp a a m e t 。s a r ea i s od i s c u s s e d t h ew o r k i n gp r o c e s so f t h ea cd i e s e ll o c o m o t i v eo nt r a c t i o na n d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 d y n a m i cb r a k i n gs e r v i c ea sw e l la st h em a t c h i n gr e l a t i o n s h i p sa n dc o n t r o lp r i n c i p l e s o ft h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ef i f t hp a r ti n t r o d u c e dt h em a i nc h a r a c t e r so ft h el o c o m o t i v ec o n v e r t e rw h i c h h a st h ew a t e rc o o l i n gg t o a si t ss w i t c h i n ge l e m e n t t h es i x t hp a r td i s c u s s e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，c o n t r o lp r o c e s so f t h el o c o m o t i v e c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t h el o g i cc o n t r o lp r i n c i p l eb yl o c o m o t i v ec o m p u t e r a n di t s c o n t r o l l o g i cp r o c e s s a r ei n t r o d u c e d t h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ee l e c t r o n i c f u e l i n j e c t i o no fd i e s e le n g i n eo nt h i s l o c o m o t i v eh a sb e e ni n t r o d u c e d t h ee m p h a s e si s p u to nt h ew a y t or e a l i z et h ec o n s t a n tp o w e rc o n t r o lf o rt h ed i e s e le n g i n eb yt h e e l e c t r o n i cf u e l i n j e c t i o ns y s t e m ，a n dh o wt o t r a n s f e rt h ea u x i l i a r yp o w e ro ft h e l o c o m o t i v ea n dh o wt om o d i f yt h el o c o m o t i v et r a c t i v ee f f o r t t o c o m p e n s a t e i t s t e m p e r a t u r es w i n ga s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ft h et r a c t i v ee f f o r tb yd i r e c tt o r q u e c o n t r o li s d e p e n d e n t o nt h e t e m p e r a t u r e t h e c o n t r o lm o d eo ft h ei n v e r t e r i s i n t r o d u c e da tt h ee n do ft h ep a p e r k e yw o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e ，a ct r a n s m i s s i o n ，i n v e r t e r , m i c r o - c o m p u t e r c o n t r o l ，e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 大功率交流传动内燃机车电传动系统方案研究 第1 章绪论 与国内目前广泛采用的机车交直流传动技术相比，内燃机车采用交流 传动在很多方面具有极大的优越性。交流传动的优点主要是由异步牵引电 动机的特点决定的。交流牵引电动机结构简单，可靠性高，维护简单；电 机体积小，重量轻，大大改善了机车的动力学性能；交流电传动机车的粘 着系数高，电阻制动特性好，提高了机车的牵引性能。 目前，无论在欧洲或北美，交流传动技术已经在机车上得到了广泛的 应用。我国铁路也已经启动了“十年转换工程”，即在十年的时间内，全 面完成机车从直流传动为主的牵引方式转换为以交流传动为主的牵引方 式。根据铁路运输的需要和机车技术发展的趋势，资阳内燃机车厂和株洲 电力机车研究所一起，决定以东风8 b 型内燃机车为基础，合作开发大功 率交流传动内燃机车。 东风8 b 型内燃机车是目前我国干线铁路重载货运牵引的主要机型。 机车采用交直流传动，柴油机装车功率5 0 0 0 马力。机车能够在4 以下 的区段单机牵引5 0 0 0 吨。随着铁路重载提速形势的发展，东风8 b 机车 逐步由平原干线铁路的牵引扩展到山区和其它干线铁路牵引，因此对机车 的牵引能力提出了更高的要求。采用交流传动技术，将有效的提高机车的 牵引性能，满足铁路运输的需要。由于目前资阳内燃机车厂已经完成了标 定功率4 2 0 0 k w ，装车功率4 0 0 0 k w ( 5 5 0 0 马力) 的1 6 v 2 8 0 电喷柴油机 的试验，因此，研制的交流传动机车将采用该1 6 v 2 8 0 电喷柴油机，柴油 机装车功率5 5 0 0 马力。 研制的5 5 0 0 马力交流传动机车为干线客、货运内燃机车，采用交直 交电传动、计算机控制、柴油机电子喷射、h t c r 径向转向架等多项先进 技术。在确保机车可靠性前提下，主要部件( 包括机车变流器) 均采用国 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 产制造，以降低机车制造和运用成本。将机车设计成技术先进，运用可靠， 价格又可为国内用户所接受的新一代大功率交流传动干线内燃机车。机车 按“重载5 0 0 0 吨、最高速度9 0 k m h ”和“快运货列2 0 0 0 吨、最高速度 1 2 0 k r n h ”牵引要求进行设计，其总体技术水平达到9 0 年代末世界先进水 平。由于从美国g m 公司引进的h t c r 径向转向架要到2 0 0 2 年才能完成， 在首期生产的交流传动机车上将采用滚动抱轴承结构的转向架。 1 1 机车交流传动技术的发展历史及现状 1 9 7 1 年西德制造了世界上第一台型号为d e 2 5 0 0 的交流传动内燃机 车，功率1 8 4 0 k w ，其优越的牵引性能很快得到了铁路运输部门的认可， 从此开始了现代交流传动的时代。随后，又研制出第一台交流传动电力机 车一一采用晶闸管牵引变流器的e 1 2 0 型机车，从而奠定了当代交流牵引 传动的技术基础。从此，轨道车辆电传动系统进入了从直流传动到交流传 动的产业升级换代时期。随着电力电子技术的迅速发展。变流器件不断升 级换代。从采用晶闸管的牵引变流器，发展到采用g t o 、i ( ；b t ( i p m ) 的 新一代牵引变流器。控制技术也从转差频率控制发展到矢量控制、直接力 矩控制。现在，交流传动技术已经在世界范围内得到了推广和应用，成为 机车传动的主要形式。 我国对交流传动机车的研究起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年 代，主要进行了三相交流传动系统及主要部件的技术研究试验。取得了一 批从5 0 k r a 到1 0 0 0 k v a 交流传动系统的实验室成果。在此基础上，1 9 9 6 年，株洲电力机车研究所、株洲电力机车厂成功地研制出第一台a c 4 0 0 0 交流传动原型车。近年来，我国铁路在引进国外变流系统的基础上，推出 了n j l 内燃调车机车，“蓝箭”动车组等交流传动机车及动车组，交流传 动技术进入了产业化发展阶段。 我国的铁路主要技术政策明确指出，铁路机车要“积极发展交流 传动技术，逐步完成直流传动向交流传动的转换”。交流传动最终成为我 国机车电传动技术的主要形式，已经成为不可逆转的发展趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 机车采用交流传动技术的必要性及其优势 电传动内燃机车的传动系统，从直一直流传动，到交一直流传动。七十 年代出现了交流电传动技术。随着铁路提速的发展和重载牵引的需要，这 个技术越来越显示出它的必要性。与传统的交直流传动相比，交流传动机 车具有一些明显的优势： 1 交流牵引电动机结构简单，可靠性高，维护简便，重量轻。 交流传动采用的异步电动机除轴承外，没有其它摩擦部件，结构简单， 使得其可靠性大大优于直流牵引电动机。直流电动机由于受到换向和机械 强度的限制，最高转速只能达到2 5 0 0 r m i n 左右。而交流电机的转速可达 到4 0 0 0 r m i n 以上。所以，在同样功率的情况下，交流电机体积小，重量 轻，从而改善了机车的动力学性能。 2 粘着性能好 异步电动机具有很硬的机械特性。当某个轮对发生空转时，其电动机 转矩很快降低，具有很强的恢复粘着能力。这样，机车在同样的粘着重量 下，可以发挥出更大的起动牵引力和持续牵引力。目前，各主型货运干线 内燃机车的起动性能已经主要受到起动粘着性能的限制。因此，异步电动 机优良的粘着性能对机车的牵引性能具有极其重要的作用。 3 功率大。恒功率范围广 现代交流传动机车最大轮周功率可达1 6 0 0 k w - 1 8 0 0 k w ，制动功率可做 到与额定牵引功率相等，恒功率速度比2 5 - 3 。因此，交流传动机车可以 做到客货机车通用，实现机车多拉快跑的目的。 4 简化了电气主回路 与交直流传动相比，交流传动机车的电气主回路，取消了方向转换开 关、工况转换开关等故障率较高的大电器，机车的方向、牵引制动转换都 是通过微机控制改变逆变器的输出频率而得到的。提高了主传动系统的可 靠性。 1 3 本论文的内容及工作 本论文的研究目标结合5 5 0 0 马力交流传动机车研制的需要进行。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 论文完成了机车总体技术参数的讨论。机车按照在限制坡度为6 的 干线上能够牵引5 0 0 0 吨重载列车，在平直道上的速度能够达到9 0 k m h 的要求设计：此外，机车还应当满足快速货物运输的要求，最高速度达到 1 2 0 k m h ；应当充分发挥交流传动技术的优势，利用其起动和持续牵引力 大的特点，在具有1 2 等长大下坡道上，能够牵引3 0 0 0 吨的货物列车， 以代替目前必须采用双机牵引的方式，满足山区次级线路的一些特殊牵引 要求，扩展了机车的适应范围。 论文完成了交流电传动系统的方案论证和主要技术参数的确定。重点 阐述了机车传动系统之间各种匹配关系，研究了交流传动系统各参数的工 作过程和控制原则。 论文介绍了采用水冷g t o 元件的机车交流器的主要特点及其工作方 式，并介绍了交流器的控制方式。 论文深入研究了机车微机控制系统的工作原理、控制流程，机车实现 了微机逻辑控制功能，极大地提高了机车控制的可靠性和灵活性。采用的 电子喷射控制技术，具有国际先进水平。 本论文解决的问题有：机车主要总体技术参数；交流电传动系统方案； 直流中间电压值的确定及其控制规律，牵引电动机并联工作时对电动机的 设计要求以及对轮对直径偏差的要求；逆变器电动机的匹配原则；机 车电传动系统的工作过程分析；机车逻辑控制系统的逻辑关系；电喷控制 实现柴油机辅助功率转移。 机车的设计的目标是应达到国内先进水平，主要部件将实现国产化。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章机车的牵引性能 2 1 铁路运输对机车的牵引要求 随着铁路运输的发展，要求干线货运内燃机车能够牵引5 0 0 0 吨货物 列车，在平直道上的均衡速度达到9 0 k m h 。同时，由于铁路的不断提速， 快速货物运输也成为当前铁路运输的一个新的经济增长点。因此，需要能 够牵引2 0 0 0 吨快运货物，速度达到1 2 0 k m h 的快速货运机车。另一方面， 为适应山区和其它干线铁路牵引的要求，铁路部门希望能以大功率单节内 燃机车取代双节机车在长大限制坡道上牵引货物列车通过。比较典型的要 求是单机在1 2 的限制坡道上能够牵引3 0 0 0 吨货物列车。 传统的直流传动机车是难以同时满足以上各项要求的。而由于交流传 动机车具有起动及持续牵引力大，恒功率范围宽广的特点，有可能设计一 种新型交流传动机车，在主要满足干线重载货物牵引的同时，兼顾快速货 运和山区铁路长大坡道牵引要求的机车。因此，5 5 0 0 马力交流传动机车 是按“重载5 0 0 0 吨、最高速度9 0 k m h ”和“快运货物2 0 0 0 吨、最高速 度1 2 0 k m h ”，以及尽可能提高机车在长大限制坡道上牵引能力的原则进 行设计的。由此，对机车提出了下列牵引要求： a 应满足机车在6 坡道上牵引5 0 0 0 吨列车，持续运行，并能够完成停 坡启动的要求； b 机车在平直道上牵引5 0 0 0 吨货物列车时的平衡速度应达到9 0 k m h , c 机车的最高速度应达到1 2 0 k m h ； d 应提高机车在长大限制坡道上的牵引能力； e 应充分利用机车粘着性能，尽可能提高机车电阻制动力。 根据t b t 1 4 0 7 1 9 9 8 列车牵引计算规程计算，机车在6 坡道上 牵引5 0 0 0 吨列车时，起动阻力约为4 8 2 k n ，目前最大功率的内燃机车东 风8 b ，其最大起动牵引力为4 8 0 k n ( 按粘着计) ，不能满足列车起动要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 东风8 b 机车持续速度3 1 2k m h 。当列车按此速度运行时，列车阻力约为 3 6 8 k n ：而东风8 b 机车的持续牵引力仅3 4 0 k n ，不能满足持续牵引的要 求。 2 2机车主要技术参数的确定 在上述机车基本技术要求的前提下，这里对5 5 0 0 马力交流传动机车 的几个主要技术参数进行讨论。 2 2 1机车最高速度 考虑到机车进行快速货运牵引的工况。机车的最高速度确定为 1 2 0 k m h 。由于机车的交流牵引电动机的重量较轻( 约1 7 吨) ，在采用滚 动抱轴承的电机悬挂方式下。可以满足1 2 0 k m h 的运用。 2 2 2 机车功率 内燃机车的功率，一般习惯上是指机车柴油机的功率。柴油机的功率 有标定功率( 持续功率) 和最大运用功率( 装车功率) 之分。标定功率是 在指定的环境状况下( 按u i c 标准，气压1 0 0 k p a ，气温3 0 0 k ) 。柴油机 能够持续发出的最大功率。最大运用功率是指在特定运用条件下，在应用 中所能达到的柴油机最大有效功率。同时，由于柴油机功率传递到轮周还 有较大的辅助消耗和效率损耗，不能完全表征机车的牵引功率，所以又提 出了机车标称功率的概念。目前，我国对电传动机车标称功率的定义是， 在柴油机以装车功率满负荷工作时，机车各牵引电动机输出轴处可获得的 最大输出功率之和。 随着我国铁路的不断提速，对内燃机车的功率也提出了新的要求。总 的说来，和电力机车相比，内燃机车的标称功率还是比较低的。这也是近 几年来电力机车能够得到快速发展的一个重要原因。例如，国内目前最大 功率的东风8 b 机车的标称功率为3 1 0 0 k w ，而同样c o c o 轴式的电力机 车标称功率已经是4 8 0 0 k w 以上。因此，提高干线内燃机车的功率，仍然 是当前我们的个重要任务。 目前，资阳内燃机车厂已经完成了柴油机标定功率4 2 0 0 k w ，装车功 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 率4 0 0 0 k w ( 5 5 0 0 马力) 的1 6 v 2 8 0 电喷柴油机的试验。由此确定。将该柴 油机安装在本交流传动机车上，即机车柴油机的装车功率为5 5 0 0 马力。 根据第2 3 节的牵引性能计算可知，此时，机车标称功率为3 3 5 2 k w 。 2 2 3 机车粘着系数 由于交流异步电动机有较硬的自然特性，机车的粘着利用性能较好。 但是，交流传动机车的粘着性能和机车的控制密切相关，我国尚没有对交 流机车粘着系数的计算公式。国外各种机车所能达到的粘着性能也有所不 同。美国s d 7 0 m a c 机车的试验表明，在各种轨面条件下，该机车的起动粘 着系数为0 4 5 持续粘着系数为0 4 0 。我国n j l 型交流传动调车机车的 试验表明，在关闭机车防滑防空转控制的情况下，该机车的起动粘着系数 已经超过了0 3 6 。结合国内外交流传动机车的经验，本机车按起动粘着 系数0 3 8 ，持续粘着系数0 2 8 进行设计。 2 2 4 机车起动牵引力 机车起动时所能发挥的最大轮周牵引力称为起动牵引力。机车设计 时起动牵引力要保证牵引的列车能在限制坡道上起动。交流传动机车应 满足机车在6 限制坡道上起动5 0 0 0 吨列车，在1 2 的限制坡道上起动 3 0 0 0 吨货物列车的要求，其相应的起动阻力分别为4 8 2 k n 和4 8 l k n 。为 保证列车可靠的起动，机车的起动牵引力应留有较大的裕量。同时，为防 止车轮发生空转起动牵引力应不超过起动时的粘着牵引力5 6 0 k n ( 按起 动粘着系数0 3 8 计算) 。据此，机车的设计起动牵引力为5 6 0 k n 。 2 2 5 机车持续速度和持续牵引力 机车发挥全功率运用时，能够长时间连续运行的最小速度称为机车的 持续速度，其对应的牵引力称为持续牵引力。机车以全功率运行时，持续 速度低，当然可以获得大的牵引力：但这受到牵引电动机持续电流的限制。 为了使机车在限制坡道上能够牵引尽可能多的车辆，希望持续速度越 低越好( 即持续牵引力越大越好) 。但是，持续速度太低，则其通过限制 坡道的时间太长，也是不可行的。持续速度太低，则导致牵引电动机、逆 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 变器、主发电机的持续电流增加。 为保证机车能够在比较短的限制坡道上能够牵引比较多的车辆，有必 要适当考虑机车的短时过载能力。实际上，牵引电动机、主发电机在短时 运行的情况下，都可以发挥出比持续工况更高的牵引能力。由于逆变器的 过载能力相对较差，因此，在设计中应当使其持续参数大于牵引电动机、 主发电机的持续参数。 交流传动机车的持续牵引力是按照机车在6 限制坡道上牵引5 0 0 0 吨 列车持续运行，在1 2 的限制坡道上牵引3 0 0 0 吨货物列车持续运行的要 求来设计的。根据第2 3 节的牵引计算，此时的列车阻力约为3 6 4 k n 和 4 0 9 k n 。考虑到机车主要是满足在6 限制坡道上牵引5 0 0 0 吨列车持续运 行的要求，兼顾1 2 的限制坡道上牵引3 0 0 0 吨货物列车持续运行。况且， 由于1 2 的限制坡道往往并不是很长，因此，机车的持续牵引力确定为 4 1 0 k n 。这一数值小于持续粘着力4 1 2 k n ( 按持续粘着系数0 2 8 计算) 。 2 2 6 机车轴重及重量 为适应机车重载牵引的需要，机车的轴重应尽可能大，以满足机车的 粘着要求。交流传动机车的起动和持续牵引力都很高，要求机车按照目前 我国铁路轨道所允许的最大轴重来确定。因此，机车的轴重确定为2 5 吨， 机车重量1 5 0 吨。 2 2 7 机车制动力 机车制动力主要受到机车制动粘着系数的限制。由于交流传动机车也 没有制动粘着系数的计算公式，我们参照直流传动机车的有关计算公式确 定机车最大制动力。根据列车牵引计算规程，机车制动时轮轨间的粘 着系数( 干燥轨面上) 为： u = 0 0 6 2 4 + 4 5 6 ( 2 6 0 + v ) 机车速度v = 4 3 2 k m h 时( 由后面的计算可知，这一速度点是机车由恒制 动力矩进入恒制动功率的速度点，这一点对制动粘着性能要求最高) ，粘 着系数u = 0 2 l ，粘着制动力b u = 3 1 3k n 。考虑到轨面状况的变化，设计 时将最大轮周恒制动力确定为b z - 2 8 0 k n 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 2 2 8 机车电阻制动功率 电阻制动功率的确定原则是充分发挥牵引电动机( 电阻制动时作为三 相异步发电机工作) 和牵引逆变器的功率。由于交流电机没有直流电机的 换向限制，其电阻制动最大功率可以发挥到机车最高速度1 2 0 k m h a 由于 机车牵引电动机的额定功率为6 0 0 k w ，考虑适当的裕量，确定机车电阻 制动轮周功率为3 3 6 0 k w 。 交流传动机车的制动电阻有三个功能。一是在电阻制动工况下，作为 牵引电动机( 此时处于发电工况) 的负载：二是在“自负荷”工况下作为 柴油机的负载。为了能够在机车不动车的情况下检查柴油机的功率，机车 上设置了“自负荷”工况，即柴油机发出的功率，经过主发及整流器输出 后，不送往逆变器和电动机，而是直接送到制动电阻上消耗掉。以此检查 柴油机的功率和工作状况。三是在中间直流回路过压时。通过制动电阻吸 收中间回路的能量。起到保护的作用。 因此，制动电阻既要满足机车电阻制动的功率要求，又要满足机车在 自负荷工况下的功率要求。根据第2 3 节的牵引特性计算可知，在机车自 负荷工况下，柴油机满负荷工作时，主发电机的整流输出功率约为 3 6 4 0 k w ，考虑适当的裕量，机车制动电阻功率确定为2 1 9 0 0 k w 。这个 功率同时也满足了机车电阻制动时的功率要求。 2 2 9 机车主要总体技术参数 综合上述的讨论，我们确定了下列机车主要总体技术参数“ 机车标称功率：3 3 5 2k w 柴油机装车功率：4 0 0 0k w 轴式：c o c o 轮径：1 0 5 0m l p 牵引齿轮传动比： 7 9 1 4 = 5 6 4 机车整备重量：1 5 0t 轴重：2 5t 机车最高速度：1 2 0k m h 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 机车最大恒功速度： 1 2 0k n f f h 起动牵引力：5 6 0k n ( 相应的粘着系数为o 3 8 ) 持续速度：2 8 8k m h 持续牵引力：4 1 0k n 电阻制动最大轮周功率：3 3 6 0 k w 最大轮周制动力：2 8 0k n 2 3 机车的牵引性能计算 机车牵引性能计算的主要目的是根据机车运输的牵引要求，确定机车 的各项主要参数，使机车牵引力、制动力、功率能满足机车牵引重量，牵 引坡道及曲线，启动加遮性能等各项要求。 2 3 1 机车牵引力曲线计算 机车标称功率： p = ( p 。- pr ) r lt r lz r ln r ld 机车轮周功率：p 。= p r lz 式中： p 。一一柴油机最大运用功率，4 0 0 0 k w ； p r 一机车辅助功率，2 1 0 k w 。按两台冷却风扇功率为8 8 k w x 2 ，两台通风 机功率计算为3 5 k w 2 ，计算时均按2 3 的消耗考虑，其他设备及电气系统消耗 功率按4 5 k w 计算。 r lt 一主发电机效率，按0 9 6 ： r ln 一变流器效率，按0 9 8 ； r 1d 一牵引电动机效率，按0 9 4 ； r l z 一一传动齿轮效率，按0 9 8 ； 则机车标称功率p = ( 4 0 0 0 一2 1 0 ) 0 9 6 x o 9 8 0 9 4 = 3 3 5 2 k w 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 机车轮周功率：凡= p 0 9 8 = 3 2 8 5k w 机车轮周牵引力： f - = 假3 6 ) v = 1 1 8 2 6 ( k n ) 根据以上计算公式，将机车牵引特性计算结果列于表卜l ，并将牵引特性曲线绘 制于图卜1 。 v ( k m h )0 51 01 52 02 8 83 04 0 f k ( k n )5 6 05 6 05 6 05 6 05 6 04 1 03 9 4 22 9 5 6 pk ( k w ) 07 7 81 5 5 62 3 3 33 1 1 13 2 8 53 2 8 5 3 2 8 5 v ( k n 曲) 5 06 07 08 09 01 0 0l l o1 2 0 f k ( k n ) 2 3 6 51 9 7 11 6 8 91 4 7 81 3 1 41 1 81 0 7 59 8 5 p l ( k 啪 3 2 8 53 2 8 53 2 8 53 2 8 53 2 8 53 2 8 53 2 8 53 2 8 5 表i - i 机车牵引特性计算数据 2 3 2 列车阻力 根据铁标t b t 1 4 0 7 m 1 9 9 8 列车牵引计算规程的规定，对列车运行的阻 力进行以下的计算，货车的阻力是按照滚动轴承计算的 列车起动阻力： w q = ( 1 5 0 w q 。+ q x 吮”+ ( 1 5 叶q ) i 。) 9 8 式中，陟，g 。机车单位起动阻力，取阡勾= 5 ( n k n ) 明”一货车单位起动阻力， 哟”= 3 5 ( n k n ) i 。一起动地段加算坡度 q 一一机车牵引重量t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 列车运行阻力： w ；( 1 5 0 w o + q w o ”+ ( 1 5 0 + q ) x i ) 9 8o d 机车单位运行阻力： w o ：2 4 0 + 0 0 0 2 2 v + 0 0 0 0 3 9 1v 2 删) 货车单位运行阻力： ”= o 9 2 + 0 0 0 4 8 v + 0 0 0 0 1 2 5 v 2 ( n k n ) 据此，分别计算了5 5 0 0 马力交流传动机车牵引5 0 0 0 t 货列在平直道和6 坡道；牵引3 0 0 0 t 货列在1 2 坡道；牵引2 0 0 0 t 货列在平直道和6 0 坡道上的阻 力。阻力数据列于表2 - 2 ，并将阻力曲线绘于图2 1 。 w l ( k n )w 2 ( k n )w 3 ( 蜘 w 4 ( 时ow 5 ( k n ) v ( k m h ) ( 5 0 0 0 1 ,( 5 0 0 0 t ，( 3 0 0 0 t ， ( 2 0 0 0 t ，o )( 2 0 0 0 t ，6 ) 0 )6 )1 2 ) 01 7 94 8 24 8 17 62 0 3 55 03 5 34 0 22 21 4 9 1 05 23 5 54 0 32 31 4 9 1 55 43 5 7 t 0 52 41 5 0 2 05 63 5 94 0 62 51 5 1 2 15 73 6 04 0 62 51 5 2 2 8 86 13 6 44 0 92 71 5 3 3 06 23 6 54 1 02 71 5 4 4 06 93 7 24 1 43 01 5 7 5 07 73 8 04 1 9 3 41 6 1 6 08 7 3 9 04 2 53 81 6 5 7 09 84 0 14 3 24 31 7 0 8 0l4 1 44 4 04 91 7 5 9 01 2 44 2 84 4 95 51 8 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 1 1 01 5 64 5 9 4 6 96 91 9 5 1 2 01 7 44 7 7 4 8 07 72 0 3 表2 - 2 列车阻力计算数据 珈e 勰* i i ：s 0 = 1 7 s ( 1 0 0 ：6 t j3 0 0 0= 1 1 | r 心】1i ：1 ) rm ) _ = _ | j - 5 j 惦辞，t 暖i j - ： i 骶 - 1 。 、e 、x _ 一 、 、且 li 10 】nio1060 70 0 帅lx ) l0f ? 0 图2 - 15 5 0 0 马力交流传动机车牵引特性曲线 由上图可以看出，交流传动机车牵引5 0 0 0 吨列车能够在6 坡道上启 动并持续运行，在平直道上平衡速度接近9 0 k m h 。牵引2 0 0 0 吨快运货物 列车，在平直道上的平衡速度达到1 2 0 k m h 。机车牵引3 0 0 0 吨，在1 2 坡道上能够启动并持续运行。 2 3 3 机车电阻制动特性计算 轮周制动功率p z = 3 3 6 0k w ； 轮周制动力b z = ( p z 3 6 ) v ( k n ) 计算结果列于表2 4 ，根据以上计算将制动特性曲线绘制于图2 - 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 v ( k m h ) o1 02 03 04 04 3 25 0 b z ( k 0 o2 8 02 8 02 8 02 8 02 8 02 4 1 9 p z ( k w ) o7 7 8 1 5 5 62 3 3 33 1 1 13 3 6 03 3 6 0 v ( k m h ) 6 07 08 09 01 0 01 1 01 2 0 b z o a 口) 2 0 1 61 7 2 81 5 1 21 3 4 41 2 0 91 0 9 91 0 0 8 v z ( k v o 3 3 6 03 3 6 03 3 6 03 3 6 03 3 6 03 3 6 03 3 6 0 表2 - 4 机车屯阻制动特性计算数据 l l i4 | | 、 i l i * ”w孙m 帅 忡l 盹h i 马机丰电阻翻动恃性哇 2 4 机车的起动加速性能 机车的起动加速性能是评价机车牵引能力的一项重要指标。交流传动 机车由于其在起动阶段的牵引力大，所以其起动加速性能有很大的优势。 以下对机车的起动加速性能进行计算。 1 列车合力和单位合力： 列车合力：f a = r w( k n ) 列车单位合力：f a 2 面干f a 丽l o o o ( n k n ) 瑚瑚啪 i j 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 式中：f 。一机车轮周牵引力，k n ； w 一列车阻力( 包括机车阻力) ，k n ： p 一机车计算重量，t ； q 一牵弓i 重量，t ； 2 列车加速度： 根据列车运动方程计算( 参见参考文献 1 2 ) ，列车加速度： 圹d d t v = 鲁f a 2 1 + o 1 2 7 _ 7 虿a ( k i n h 2 ) ：o 0 0 9 2 6 f a ( m s 2 ) 式中： y 一一机车回转质量系数，根据t b t 1 4 0 7 - - 1 9 9 8 列车牵 引计算规程的规定，取0 0 6 。 3 计算两个速度点之间的平均加速度值o i , o 和速度差值v ： a = ( a l + a 2 ) 2 ( m s 2 ) v = ( v 2 一v 1 ) ( k m h ) = ( v 2 一v i ) 3 6 ( m s ) 式中：a 卜对应速度点v l 处的加速度值，m s 2 ； a 2 一对应速度点v 2 处的加速度值，m s 2 ； 4 计算两个速度点之间所需要的时间t 和从起动开始的累计时间t ： at = v ，a ( s ) t = at ( s ) 5 计算两个速度点之间的平均速度值r a v e v a v e = ( v i + v 2 ) 2 ( k m h ) = ( v 2 一v 1 ) 7 2( m s ) 6 计算两个速度点之闯所走行的距离as 和从起动开始的累计走行距离 s ： s = at v a v e( m ) s = as ( j 1 】) 根据上述计算公式，对5 5 0 0 马力交流传动机车牵引5 0 0 0 吨货列在平 直道上的起动加速时间和距离进行计算，计算结果列于表2 - 5 。为进行比 较，同时进行了东风8 b 机车牵引5 0 0 0 吨货列在平直道上的起动加速时间 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 和距离的计算，列于表2 - 6 。 v fwf a haa - v e va t tv i i v es s 如札ml d vk nk nn 屈nm s 2 m s 2如ss劬 瑚m o5 6 01 7 13 8 9 7 7 00 0 7 1 1 05 6 05 3 55 0 71 0 0 3 0 d 9 30 0 8 22 83 3 83 3 8 l - 44 7 04 7 0 2 05 6 05 7 9 5 0 29 ，9 40 0 9 20 0 9 22 8 3 0 o6 3 94 21 2 5 2 1 7 2 2 3 03 9 3 66 3 9 3 3 06 5 30 0 6 0 0 0 7 62 83 6 41 0 0 36 92 5 3 0 4 2 5 2 4 02 9 5 27 1 6 2 2 44 4 30 0 4 lo 0 5 l2 8 5 4 81 5 5 19 75 3 2 59 5 7 6 5 02 3 6 18 0 91 5 53 0 7 0 0 2 80 0 3 52 88 0 o2 3 5 1 1 2 5l o ( o o1 9 5 7 6 6 01 9 6 89 1 91 0 52 0 8 o 0 1 9o 0 2 42 81 1 6 5 3 5 1 61 5 31 7 7 9 93 7 3 7 6 7 01 6 8 71 0 4 6 6 41 2 7o 0 1 2o 0 1 52 81 7 9 35 3 0 9 1 8 13 2 3 7 56 9 7 5 1 8 01 4 7 61 1 92 9o 5 70 0 0 5 0 0 0 32 83 2 6 98 5 7 82 0 86 8 1 0 31 3 7 8 5 3 表2 - 5 列车起动加速性能计算表( 交流机车) vfwf