（电力电子与电力传动专业论文）机车牵引试验测量系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t u n d e r 1 ec i r c u m s t a i l c e so fp u t t i n gn e wr a i l w a yl i n e si n t ou s eo ri m p r o v i n g p a s s e n g c r 订a i ns p e e do ri n c r e a s i n g 丘e i g h tt r a i nt o 衄a g eo rr e f o r m i n gd r i v i n g s y s t e m ，t t a i n 订a c t i o nt e s th a sb e c o m eo n ef o u n d a t i o n a lt e c m i c a li o b i tp r o v i d e s s c i e n t i f i cd a t af o rr a i l w a ya 血i n i s t r a t i o nt om a k em a n a g e m e n td e c i s i o na n d t r a n s p o n a t i o n sp l a n ，t od u gp o t e n t i a la 1 1 di n c r e a s ep r o f i t t r a c t i o nf o r c ec a l c u l a t i o n i s l ec o r eo ft 1 1 e 仃a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o n t h em e s i si n n d d u c e san e w 扛a c t i o n f o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n du s e an e wd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n u n i v e r s a ls e r i a lb u si n t e r f a c e i nt 1 1 i ss y s t e m ，t r a c t i o nf o r c ec a nb eg 血e dt h r o u g h 也em o t o r 、1 t a g e ， c u i t e n t ， e 伍c i e n c ya n dv e l o c i t yo ft r a i n t h e s ep a r 锄e t e r sc a nb ec o l l e c t e db y u s i n gi n m n s i cs e n s o rp a n ( e 伍c i e n c yc a i lb eg a i n e d l 】u 曲t l l ee 街c i e n c yc u n ，e ) b e c a u s eo ft h ec 0 1 1 e c t e ds i 弘a l sc o m e sf o n nc o n 仃o lc i r c u i to rh i g hv o l t a g ec i r c u i t o f m e1 0 c o m o t i v e f o rm esa ：k eo f n o ti m e r f b f el o c o m o t i v ei n 仃i n s i cc o m r o lc i r c u i t w o r kn o m a l l y 姐dm eh i g hv o n a g en o ti n t e r f e r et l l i ss y s t c r np e r f o m l a n c e ，w e m u s ta d o p te n o u g hi s o l a t i o nm e 踮u r e sb e 铆e e f lt h ea c q u 主s i t i o nc i r c u i ta n dm e i i l m n s i cc i r c u i t b yu s 协g 也em e t h o do fc u r v ef i t t 协gt oc a l c u l a t em e 廿a c t i o n t o n n a g e ，w ec a i lg a i nm e 廿a c t i o nt o n n a g ew i t l l i ns h o r tt i m ea l l ds h o nd i s t a n c e a f t e rt h el o c o m o t i v cs b y u s i n gm i sm e t h o d c a l la v o i dn l et r a i nw 豁s t o p p e do n m e s l o p e ，“h a sp r t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i st h e s i sd e s i 髓sh 盯d w a r ec i 删i tb 船e d0 nm p 4 1 1c a r d t h r o u 曲m p 4 “ c a r du n i v e r s a ls e d a lb u si n t e r f h c e d a t ac o u l db et r a n s m i t t e db 嘶v e e nn o t e b o o k p ca n da n yu s be ”i p m e m t h ed a t ap r o c e s sp m g r 抛i sp m 孕咖c db y s u a l c + + 6 o t 1 1 ep r o 铲锄i sa b l et od i s p l a yt h cd i a g r 锄w b j c hc o n t a i n sv o l t a g e ， c m e n t 卸dt l l ed e r i v e d 仃踮t i o nf o r c e m o r e o v e r ，t h ep r o g r 蛐i sc a p a b l et o 趾a l y z e i nr e a l t i m e ，r e c o r dd a t a i tr e a l i z e st h ei n t e h e c m a lo f t r a c t i o ne x p 蒯m e n t i i l 吐l ee n d ，t h i s 也e s i se d u c e st h es o 盎w a r ev a l i d a t er e s u l t ，rw a sp r o v 甜t h 矗t m es y s t e md e s i 弘h a dg e td e s i r eg o a l ，a n dw 镐r a l i o n a l i t y 柚dp r a c t i c a b i l i 珏 k e yw o r d s ：t m c t i o nc a l c u l a t i o n ，t r a c t i o nf b r c e ，t r a c t i o nt o l l i l a g e ，m p 4 l lc a r d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 列车牵引计算技术介绍 铁路是国民经济的大动脉，它担负着全国客货运量的5 0 以上。随着经 济的飞速发展，为了适应新的运输形势对铁路运输的要求，就要求铁路具有 更大的运能和更高的运输速度，同时要提高铁路的运营指标( 列车牵引吨位、 运行速度和运行时分、机车能量消耗标准等) 。铁路的运营指标的确定、铁路 通过能力的计算、线路的扩能改造、新型机车牵引特性的改进和配置、机车 操纵方法的合理有效确定等方面，都需要对列车进行牵引计算。牵引计算的 研究直接关系到铁路的运输能力、运量、成本、效率和安全，与铁路许多部 门都有密切的关系“。 列车牵引计算是一门铁路应用科学。它以力学为基础，以科学试验和先 进操纵经验为依据，研究作用在列车上的与列车运行方向平行的外力( 包括 机车牵引力、列车阻力、列车制动力) ，以及这些力和列车运动的关系，进而 研究与列车运动有关的一系列实际问题，例如：机车牵引吨位、列车运行速 度和运行时间、列车制动能力以及机车能耗等等。牵引计算结果直接影响铁 路运输能力、运行安全性和经济性的规划与确定，与铁路各大职能部门都有 着密切关系。 列车牵引计算是以动力学为基础，根据机车、车辆的性能结构参数以及 线路条件，在对列车运行过程中的牵引吨位、运行时分、运行速度、走行距 离、制动距离等进行计算，以确定合理的机车功率等级，更好地满足铁路运 输要求。 在列车牵引计算过程中，首先根据列车运行的速度和能力要求，确定列 车牵引吨位，选择合理的机车类型及功率等级，确定所需制动方式和制动距 离，然后再根据列车运行区间的线路平纵断面条件以及停车等情况，计算列 车在给定区间的运行速度和时间，选择列车的合理操纵方式。 机车车辆部门要进行列车牵引计算，计算列车的技术性能和运行能力： 供电部门要进行供电牵引计算，计算列车的能耗，为供电系统提供依据：运 输部门要进行运输能力牵引计算，使列车运行图的编制更合理；信号部门为 了信号机的合理布置也要进行牵引计算。由于各个牵引计算都是解决交通运 输中的技术和经济问题，因此理论基础是一致的计算方法有共同之处。但是 由于计算目的不同，则计算侧重不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状和发展 国内现在所进行的牵引试验，大都是采用机车挂接专门的牵引试验车的 方式，在机车后面试验车的牵引力测量头上，用具有弯曲和温度补偿的应变 片测定传递给车列的牵引力。3 ，通过用计算方法确定摊在机车上的力并将其相 加，由此求出总驱动力。利用试验车的一个未制动的走行轮对测量速度值。 但是这种方法存在一些缺点，一方面专门试验车投资大、使用率低、需要停 车场地，并受其构造速度限制；另一方面试验车挂接需发电报，协调繁琐， 机动性差。另外，这种方法只适用于用机车牵引的列车，而不能用于动车组。 在国外，还有利用测量轮对方法、空心轴的方法以及借助列车运行阻力测量 机车牵引性能。 1 3 论文研究目的和意义 1 3 1 论文研究的目的 本论文研究的目的是开发一种运行列车牵引试验的新方法。利用牵引电 动机电枢电压、电枢电流以及机车运行速度准确的计算出机车牵引力，进而 通过曲线拟合求加速度，计算得到牵引吨位。并利用v i s u a lc + + 6 o 编制牵引 试验应用程序，读入采集数据，绘制电压、电流、速度以及牵引力曲线。 1 3 2 论文研究的意义 列车牵引计算是专门研究铁路列车在外力的作用下沿轨道运行及其有关 问题的实用学科。它以力学为基础，以科学实验和大量司机操纵经验为依据， 分析列车运行过程中的各种现象和原理，并用以解算铁路运营和设计上的一 些技术问题和技术经济问题。例如，机车牵引吨位、列车运行速度和运行时 间、列车制动距离、制动限速、制动能力以及机车能耗问题等等。 列车牵引计算的中心环节是推导列车牵引力和列车运动方程，即研究列 车运行中其中加( 减) 速度力与列车加( 减) 速度的相互关系，从而找出列 车运行速度、运行距离、运行时间及牵引吨位之间的关系。因此，需要研究 列车运行中发生的对列车运行有直接影响的各种外力。包括： 机车牵引力f ，由动力传动装置引起的与列车运行方向相同的外力。 列车运行阻力矿，列车运行中由于各种原因自然发生的与列车运行方向 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 相反的外力。 列车制动力曰，由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力。”“。 由于我国的铁路运输比其他国家起步较晚，些技术也相对比较落后， 如何提高列车牵引吨位和运行速度，以保证铁路行车安全和尽量节约机车能 耗，是提高铁路交通运输能力、提高工作效率的重要内容。为此，必须讲究 科学管理和经济操纵，提高运输管理和列车操纵水平；很好地研究列车牵引 吨位、运行速度、制动距离以及机车能耗等与哪些因素有关，以保证行车安 全和节能的条件下“多拉快跑”。“1 通过牵引力、牵引吨位的在线计算，对提高铁路的运营指标，合理有效 地操纵机车以及保证行车安全都有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章机车牵引力计算研究 2 1 机车牵引力概述 一机车牵引力的定义 机车牵引力是与列车运行方向相同并可由司机根据需要调节的外力。它 是由机车动力装置发出的内力( 不同类型机车的源动力装装置不一样) 经传动 装置传递，在轮周上形成切线力，再通过轮轨间的粘着而产生的由钢轨反作 用于动轮周上的外力。 二，机车牵引力的形成 以电力机车为例，牵引力是由牵引电动机产生的内力传给钢轨后得到的 钢轨对机车的外力。 电力机车牵引力的产生过程：接触网的高压交流电由机车受电弓引入主变 压器的原边绕组，再经动轮、钢轨，回 到牵引变电所构成回路；机车上的主变 压器将高压交流电变为低压交流电，由 次( 副) 边绕组经整流器整流后变为直 流电供给牵引电动机( 交一直传动电力 机车) ，牵引电动机转轴输出转矩 l ， 并通过齿轮传给动轮，再通过轮轨间的 相互作用，引起钢轨对动轮的切向反作 用力，即机车牵引力。所以，它的实质 是电能变为机械 图2 1 机车牵引力形成示意图 能、内力引起外力的过程。用力学的方法对这一过程加以分析( 如图2 1 ) 。机 车通过轮对将重量忍( 括轮对自重) 压在钢轨上，通过接触点c ，有一个钢 轨对车轮的法向反作用力。当牵引电动机输出转矩肘。时，通过人小齿轮 啮合，传递给动轮一个转矩m 。当m 驱动半径为r 的动轮饶圆心d 旋转时， 受到轮轨接触面问摩擦的阻碍。这时车轮与钢轨间有作用力与反作用力，此时 m 转化为和尸”力偶，由作用于钢轨，得到钢轨的反作用力，。由于，阻 m 转化为和尸”力偶，由作用于钢轨，得到钢轨的反作用力，。由于f 阻 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 碍了动轮与轨面间的滑动，再由推动轮对以c 为瞬时转动中心滚动。并将 力传递轴箱，通过转向架及车架传至车钩，牵引列车前进。根据物理学知识 可知，只有外力能使物体中心发生位移，因此，外力f 是机车牵引力，其大 小为 ，= 肘月( 2 1 ) 三机车牵引力的分类 1 按机械功传递顺序分 根据机械功传递过程，机车牵引力有轮轴牵引力和车钩牵引力之分。 ( 1 ) 轮周牵引力f ，实际作用到动轮踏面上的钢轨对动轮的反作用力。 ( 2 ) 车钩( 后钩或挽钩) 牵引力c ，除去机车阻力的消耗，实际作用在 机车车钩上的牵引力。 在列车等速运行时，车钩牵引力与轮轴牵引力有如下关系 e = f 一 ( 2 2 ) 式中，矽机车阻力。 我国列车牵引计算规程规定，机车牵引力以轮周牵引力为计算标准， 即以轮周牵引力来衡量和表示机车牵引力的大小。由于动轮直径的变化会影 响牵引力的大小，列车牵引计算规程规定，机车牵引力按轮箍半磨耗状态 计算。 2 按能量转变过程分，对于电力机车，机车牵引力分为以下两种： ( 1 ) 牵引电动机牵引力，受牵引电动机功率限制的轮周牵引力。 ( 2 ) 粘着牵引力，受轮轨间粘着能力限制的轮周牵引力。 2 2 机车牵引力的实时计算 2 2 1 方案比较 确定机车牵引力，有下面五种方法： 一、用车钩的测量方法。 测量方法： 在机车后面测量车的牵引力测量头上，用具有弯曲和温度补偿的应变 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 片测定传递给车列的牵引力。通过计算方法确定摊在机车上的力并将其相 加，由此求出总驱动力。利用测量车的一个未制动的走行轮对测量速度值。 这种牵引力测量方法只使用于用机车牵引的列车，而不能用于动车组。另 外在一些新型的机车车辆，例如在磁悬浮铁路的车辆上没有轮对，这种方 法就不能应用。 二、测量轮对的方法： 用它采集轮轨间的横向力、纵向力以及接触力。 测量方法： 由应变片测出轮轴和车轮的弹性变形得出测量值，再用测量轮对的计算 机将其换算成作用于车轮的纵向力、横向力和垂向力，对每个轮盘输出，然 后对每个轮对作进一步的综合评价。该方法特别适合于走行动力学试验中的 导向力测定，只在少数情况下可以用这种方法来检测牵引力。但是这种测量 方法所需要费用很大，在被试机车或动车上安装测量装置就很费时，例如在4 轴机车上用这种方法测量时，要考虑8 个轮周力，对于动轴分布在整个车列 的动车组，这种费用会增大数倍。 三、空心轴的方法 测量空心轴的转矩。 测量方法： 在单侧万向节空心轴传动的电力机车上，测量空心轴的转矩就可测定1 个轮对2 个车轮圆周力之和，然后用车轮踏面基准圆半径进行换算。此时轮 对和空心轴的转动惯量可能会引起测量值的误差，但在了解转速曲线的情况 下可以从计算上予以考虑。在准静态测量时这种误差是零。但是，这种方法 同样需要较大的费用，安装测量装置也就很费时。 四、借助列车运行阻力在线测定牵引力的方法 测量方法： 列车要在运行方向中运动，就必须克服其运行阻力。为此必须将每一动轮 圆周上的纵向力传给钢轨。这些力的总和就是机车或动车的牵引力f k ，按牛 顿定律：作用力= 反作用力。 = r ( 2 3 ) 因此测定列车运行过程中所有阻力r ，就可以求出一列车的总牵 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 力吒。该种方法的算法如图2 2 所示 图2 2 由运行阻力测定牵引力的算法 式中，a 加速或减速度；卢轨道坡度角；y 曲线半径；v 一 一运行速度； ，0 惯性阻力；坡道阻力；，1 w 6 曲线阻力：瓦，走行 阻力； f k 牵引力或制动力；州列车质量；p 滚动质量附加值；g 重力加速度；孙c 。、c 。走行阻力系数”1 。 这种算法要求测定在3 个空间方向中的运行速度和加速度。加速度的测 量是这种方案的关键，采用了光纤陀螺仪来测量加速度。但是这种传感器存 在价格昂贵、对安装精度要求高的缺点。另外，这种方案计算列车阻力的前 提是牵引吨位是已知的，这与本论文研究的目的恰好相反“1 。 五、直接根据机车牵引力特性计算 1 ) 牵引电动机电压平衡方程式为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 = e 加+ 胄 厶= 等笋 c z 叫 式中 牵引电动机电压； e 牵引电动机电势常数； 庐牵引电动机主磁通： h 牵引电动机转速： 聿引电动机电流； 胄电枢总电阻。 2 ) 机车速度v 与牵引电动机转速n 成正比 6 0 棚h 1 0 0 0 雎 则 h ：罢掣 ( 2 5 ) 6 0 石d 将式( 2 5 ) 代入( 2 4 ) ，则 ，一吲器 驴尹 式中，以齿轮传动比； d 机车动轮直径，m m 。 令c ：塑竺竺吕( 其中，c 为机车常数) 6 0 加 。一 则有l2 蛩( 2 _ 7 ) ( 2 6 ) 说明机车常数c 和电机的某些结构参数一定时，牵引电机电流由其端电 压和机车速度决定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 贾 3 ) 计算机车牵引力 机车牵引力f 与牵引电动机电流。之间的关系称为机车牵引力特性。 根据机车牵引力在动轮上的转矩与牵引电动机传到动轮上的转矩( 乘 以有关效率) 相等，可以推导出下式成立 f = 3 6 掰c 咖以q d 。1 0 。( k n ) ( 2 8 ) 对( 2 7 ) 进行交换，则有 坠二生墨：酗( 2 9 ) v 将( 2 9 ) 代入( 2 8 ) 得 f ：3 6 。! ! ：i 二：! ! ：i ：坐厶”。 。1 0 。( k n ) ( 2 一l o ) 算法可行性论述： m 电机台数，只要知道了机车为何种型号，就可以知道m 的数值。 牵引电机电压、，。牵引电机电流，通过传感器采集得到。 v 运行速度，通过速度采集模块，可以获得。 。牵引电动机效率与。齿轮传动效率都是机车传动装置的参数，可以 通过对机车的传动装置的研究得到。 可以看出，利用列车牵引计算规程中牵引力计算的公式来计算机车 轮轴牵引力，只要通过机车的一些运行参数以及对机车上传动装置的研究， 就可以利用上述公式计算出机车牵引力，省却了原有试验车需要通过力传感 器来测量车钩牵引力的一些装置，达到了设计的目的。所以本文中采用这种 方法来计算机车牵引力”“3 。 2 2 2 机车牵引力的实时算法 本论文拟采用第五种方案来进行牵引力计算。研究的机车类型为s s 3 型 4 0 0 0 系( 简称韶山3 b 型) 电力机车。 机车牵引力计算的核心是计算的准确性，所以，对于列车在整个区间运 行时，我们可以把列车运行过程分成起动、牵引、惰行和制动四个阶段进行 考虑。现在分别说明各个阶段的牵引力的计算方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l o 页 1 ，列车起动阶段，列车的起动过程是个复杂的随机过程，不仅由于轴 承的正常润滑状态的滞后建立( 对滑动轴零尤其如此) 、轮轨问流动摩擦阻力 的加大等因素，还由于车钩间隙状态不同以致各动车与拖车拉紧起动的复杂 过程。由于列车起动的复杂性，我们在计算起动牵引力时不能根据机车牵引 力特性公式计算，通过对多组牵引试验车采集的数据进行分析，牵引力与牵 引电动机电流近似线性关系，为了能够使计算结果更加准确，接近试验车的 实测值，对数据进行二次曲线拟合得到式( 2 1 1 ) ，所以，在列车起动时，可 以按式( 2 - 1 1 ) 来计算机车牵引力。 f = 1 _ 8 1 0 一5 2 + 0 6 9 5 6 0 8 9 ( 2 1 1 ) 2 ，列车牵引运行阶段： 列车在牵引过程中，牵引电动机分别工作在满磁场( 固定磁场削弱系数 卢= o 9 5 ) 及i 、i i 、i 级削弱磁场( 磁场削弱系数分别为口= o 7 、o 5 4 、0 4 5 ) 情况下， 牵引电动机工作在满磁场时，根据前一节推导的牵引力计算公式，可 直接进行牵引力计算： f ；3 6 堕生羔l m1 矿 ( 2 1 2 ) v ( 2 一1 2 ) 式中，m 为电机台数，对于韶山3 b 电力机车，m = 6 ：u 。为 牵引电动机端电压( v ) 、为牵引电机电抠电流( a ) ，v 为机车速度，这三 个量可以通过传感器在机车上准确测得。 下面讨论电枢总电阳r ，牵引电动机效率吼、齿轮传动效率 。的确定。 a 电枢总电阻y r 的确定 一 韶山3 b 型电力机车所用的牵引电动机为z q 8 0 0 1 型脉流牵引电动机。 它是带有补偿绕组的四级串励电机，电枢是实现机电能量转换的主要部件。 在1 5 时，z q 8 0 0 1 电机的电枢绕组电阻为o 0 3 0 1 2 0 ，当温度升高后， 电阻相对提高，但是由于电阻数值很小，计算时，可以代入o0 3 0 1 2 n 来替代 月。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l 页 b 牵引电动机效率的确定 z q 8 0 0 l 型牵引电动机特性曲线”1 如图2 2 所示。 2 0 1 5 口 ( 蜡， h | a s k 斋、j 1 、 钟 曲 l p _ 一 _ _ 一 髓 、l 、 、 =- l 黪瑟 ， 、 f ， i 图2 3z q 8 0 0 l 牵引电动机特性曲线 牵引电动机效率玑可以通过图2 3 上的效率曲线查得。 c 齿轮传动效率目，的确定 电力机车牵引电动机的安装，是一侧弹性地悬挂在构架上，另一侧通过2 副 抱轴瓦支持在车轴上。每副抱轴瓦由2 个半瓦组成，每个半瓦由铜瓦背和巴 氏合金组成。牵引电动机产生的转矩，通过齿轮传动装置使轮对转动，轮对与 钢轨之间由于粘着作用而产生轮周牵引力( 或制动力) 。传动装置由小齿轮( 主 动齿轮) 、大齿轮( 从动齿轮) 、齿轮箱组成。小齿轮压装在牵引电动机电枢轴 的两端，大齿轮压装在车轮轮心的轮毂上。当牵引电动机转动时，小齿轮带动 大齿轮，将转矩传递给轮对。 电力机车采用的是双侧斜齿轮传动，其优点是重合度大，传动平稳，适 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 用于高速、重载传动。所以在牵引力计算时，齿轮传动效率口。取o 9 7 5 “。 对于存在削磁情况下，可以根据牵引力特性数值进行插值求得。 电流9 5 削系数削弱磁系数削弱磁系数削弱磁 系数 ( a ) 磁 场7 0场5 4场4 5 1 5 03 9 2 o 7 8 4 1 3 7 2 0 8 0 3 6 2 0 07 8 4o 8 0 3 65 3 9 o 8 4 2 8 3 3 3 20 7 8 41 7 “ o 7 6 4 4 2 5 01 1 8 5 8o 7 6 4 49 6 0 4o 7 0 5 67 5 5 2 0 7 4 4 8 5 5 8 6o 7 2 5 2 3 0 0 1 5 6 8 0 8 2 4 8 1 3 1 3 2 o 8 0 3 6 1 0 9 7 6 0 7 4 4 89 2 1 2o 7 2 5 2 3 5 01 9 8 9 4o 7 8 4 1 7 1 5 o 7 4 4 81 4 7o 7 4 4 81 2 8 - 3 8o 7 2 5 2 4 0 02 3 8 1 4o 7 8 42 0 8 7 4 o 7 4 4 8 1 8 4 2 4 0 7 4 4 8 1 6 4 6 4 o 7 2 5 2 4 5 02 7 7 3 4 0 7 8 7 2 4 6 9 6o 7 7 3 42 2 1 4 8 o 7 6 4 4 2 0 0 9 o 7 2 5 2 5 0 03 1 6 6 90 8 1 2 82 8 5 6 3 o 7 5 5 4 2 5 9 7 o 7 4 4 82 3 7 1 6o 7 2 5 2 5 5 03 5 7 3 3 0 7 7 1 8 3 2 3 4 o 7 8 42 9 6 9 4o 7 4 4 82 7 3 4 2o 7 0 5 6 6 0 03 9 5 9 2 o 8 0 3 6 3 6 2 6o 7 6 4 43 3 4 1 8 o 7 2 5 2 3 0 8 7 o 7 8 4 6 5 04 3 6 10 8 8 24 0 0 8 2o 8 4 2 83 7 0 4 4o 8 4 2 83 4 7 9 o 7 2 5 2 7 0 04 8 0 20 8 0 3 64 4 2 9 60 7 6 4 44 1 2 5 8o 7 2 5 23 8 4 1 6o 6 8 6 7 5 05 2 0 t 3 8o 8 8 24 8 1 1 8 o 8 4 2 8 4 4 8 8 4 0 8 0 3 6 4 1 8 4 6 0 8 0 3 6 8 0 05 6 4 4 85 2 3 3 24 8 9 0 24 5 8 6 4 例如，在削磁系数为9 5 时，电流大小为4 2 0 a 时对应的机车牵引力计 算公式如下式： 2 3 8 1 4 + ( 4 2 0 4 0 0 ) o 7 8 4 = 2 5 3 8 2 得牵引电动机电流为4 2 0 a 时，牵引力大小为2 5 3 8 2 k n 。 3 ，惰行阶段 列车在惰行工况时断开牵引电动机的支路，使牵引电动机不处在并联状 态，但是由于电机剩磁的存在，此时牵引电动机仍产生很小的电流，列车在 惯性作用下继续前进，此时牵引力近似为零。 4 ，制动阶段： 列车在电气制动状态下运行时，牵引电动机将机械能转化为电能，此时 电机处于发电机状态，牵引力也近似为零。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章列车牵引吨位的计算 列车牵引吨位和运行速度是铁路运输的重要指标，他们在很大程度上决 定着铁路通过能力、运输能力、运输成本和服务质量，因此，准确地计算、 分析，合理地确定牵引吨位和列车速度具有重要的意义。 列车牵引计算规程中所进行的牵引吨位计算，都是关于线路条件的 牵引吨位，并不是列车实际所牵引的质量，为了能够计算列车实际牵引的质 量，在本文中，提出了一种新的利用机车牵引力和加速度来计算牵引吨位的 方法。 这种计算方法能够使列车能在站内起动后很短的时间，运行很短的距离就计 算出牵引吨位，避免了坡停的事故的发生。 3 1 牵引吨位算法研究 根据牛顿第二定律，列车加速度由下式给出 口：旦( 3 _ 1 ) 口= 一 l j lj m 式中：c 列车合力( k n ) ； m 列车质量，t ： 因为列车的运动是由机车车辆的平动及与之联动的机车牵引电动机转 子、牵引齿轮等回转件的转动合成的“，故 m = ( 尸+ g ) ( 1 + y ) 式中卜机车车辆回转质量系数； p 机车质量，s s 3 b 型机车质量为1 3 8 t ； g 牵引吨位，t 。 由于回转质量系数的试验方法非常复杂，所以，在进行计算时，回转系 数y 取一个平均值0 0 6 。 列车合力c 的计算可由下式得到 c = f 一= f 一 ( p + 国屹”) + ( p + g ) f ， g 1 0 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( j p + g ) 1 ( 1 + ，) d = f 一 ( p w 0 7 + g ，) + ( p + g ) g 1 0 一3 对上式进一步化筒，可以得到牵引吨位的求解公式 一 f p 【( 1 + y ) 口+ ( w 0 + f ，) g l o q u = ；一 ( 1 + y ) d + ( w 0 ”十f ) g 1 0 3 列车是由机车和多节车辆所组成，在起动中的受力情况较单独一台机车 或一节车辆更加错综复杂。列车中的车辆由于车钩钩舌之间存在间隙，除在 较陡的坡道停留外，其连结状态属于弹性连接。列车在起动时，不是所有车 辆同时起动，而是由前向后逐辆或逐组顺序起动的。列车起动的定义是指第 一辆车起动开始，到最末一辆车( 守车) 起动为止的全过程，由于列车起动 时，机车牵引力除克服车列因停留而增大的阻力和计算附加阻力外，还需多 余的力以克服车列的静态惯性力，还与机车操纵方法有关。由于上述因素的 原因，机车起动时刻，机车牵引力并不能完全发挥用作牵引，可以引入系数a 。 为机车牵引力使用系数，一般取值为0 9 。 则式( 3 3 ) 修正为： g ：! 生二里! ! 兰翌! 遮主鲨：! 竺( 3 4 ) ir = 一 l 一4j ( 1 + ，) 口+ ( “+ f ，) g 1 0 一 式( 3 4 ) 中，f 为机车牵引力，可以通过牵引电动机电压、牵引电动机 电路以及机车速度可以准确计算得到；p 为机车质量，对于本文研究的s s 3 b 型电力机车质量为1 3 8 t ；y 为机车车辆回转质量系数，取值为o 0 6 ；这样， 在上式中，未知量为加速度口，机车基本阻力w 0 ，车辆基本阻力”，加算 坡道千分数0 。所以，求解牵引吨位的关键是加速度以及列车所受阻力的计 算，现在分别说明n 2 卜“”。 3 2 加速度的计算 列车起动时刻加速度，可以通过机车速度来进行微分求得。 由于要在机车起动时，尽可能在最短的时间内、列车运行最短的距离来 计算牵引吨位，所以速度的测量是关键的步骤， 1 ” o 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5 页 当机车的速度到达8 l ( i i 油时，我们认为机车已经完成了极位为1 的起动 过程，因此我们的速度选取为肚8 胁m 为起动阶段。在数据的处理阶段，要 将速度单位转换为1 1 1 s 。用最小二乘法拟合每点v = 厂( f ) 二次多项式公式，求 1 ， 导得出每点的半，即可以得到每个速度点对应的加速度值。如果直接用未经 d f 拟合的数据，尽管已经非常接近拟合的数据，但是。微分算子具有放大误差 的能力，为了减小误差，将其拟合“。 v = c 2 f 2 + c l f + c 0 ( v 的单位为“s ，t 的单位为s ) 通过拟合，求得c o ，c l ，c 2 。 而n = 象，求得a = 2 c 2 f 2 + q 。 ( 3 5 ) 3 3 列车阻力计算 列车运行阻力真接影响到列车运行速度和列车质量的优化，并与列车能 耗密切相关，因此，合理的、确切的剖析与认定既有列车运行阻力具有重要 的现实意义。 列车运行阻力可以分为两大类：基本阻力和附加阻力。 一基本阻力 引起基本阻力的因素主要有：( 1 ) 轴颈与轴承间的摩擦、轮轨间的滚动摩 擦、轮轨间的滚动摩擦，这部分主要与轴重、轮轨材料的硬度、线路质量、 车轮半径、踏面形状、同一轮对轮径不相同、轮对组装不正确等因素有关； f 2 ) 车辆间及车辆与线路间的冲击和震动，这部分主要曹线路质量及机车车辆 状态的影响：( 3 ) 列车周围空气动力，与列车速度、外形和尺寸有关。 以上这些决定基本阻力的因素都随运行速度大小而变化。低速时，基本 阻力中轴颈与轴承间的摩擦阻力和车轮滚动阻力占较大比重；速度提高后， 轮轨问的滑动摩擦、冲击和震动、空气阻力占的比重也随之逐渐增大；高速 时则以空气阻力为主。由于本文研究的时机车起动后很短的时间内，速度处 于低速，空气阻力的影响小于机械阻力的影响。 由于这些因素极为复杂，甚至自相矛盾，实际应用中很难用理论公式进 行精确计算，通常都是用经过大量试验得出的经验公式来计算列车运行单位 基本阻力。而且这些公式都是在一定的试验条件下完成的，试验条件是运行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 速度不小于1 0 k i r 曲，外温不低于1 0 摄氏度，风速不大于1 0 r r 以。只有运用 条件接近于试验条件，计算结果刁1 比较准确，如果运用条件相差较大就会产 生不同程度的误差。根据这个试验条件，机车、车辆运行过程的单位基本阻 力的计算公式一般为运行速度的二次三项式，即 w 0 = 口+ 6 v + c v 2 式中v 列车运行速度呦1 ； a 、b 、c 各型机车车辆系数。 二起动阻力 起动基本阻力的形成原因 1 机车、车辆停留时，轴颈与轴承间的润滑油被挤出，正常运转情况 下形成的润滑油膜受到破坏，起动的瞬间，轴颈与轴承间处于干摩擦或半 干摩擦状态，因此摩擦系数增大，摩擦阻力增大。 2 轮轨接触处在轴荷重力的作用下，弹性变形增加，列车起动时滚动 阻力较列车运行时大。 3 轴箱温度降低，润滑油粘度增大。 4 加速阻力的存在。 3 3 1 机车基本阻力的计算 一机车运行基本阻力的计算 对于s s 3 b 机车： b = 2 2 5 + o 0 1 9 v + o o 0 0 3 2 0 v 2 ( n 戌n ) ( 3 6 ) 二机车起动基本租力w 口计算 电力机车的起动单位基本阻力圯= 5 ( n 屉n ) 3 3 2 车辆基本阻力的计算 一车辆运行基本阻力的计算 对于s s 3 b 机车： 1 客车 我国铁路干线所用的客车全部采用滚动轴承的新型客车。各型客车经 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 过列车试验和多次运营验证，取得大量数据，客车运行单位基本阻力的经 验公式如下： 2 1 型、2 2 型客车( = 1 2 0 k m m ) w o ”= 1 6 6 + o 0 0 7 5 v + 0 o 0 0 1 5 5 v 2 ( 3 7 ) 2 5 b 型、2 5 g 型客车( v 眦。= 1 4 0 k r r 恤) w 0 ”= 1 8 2 + 0 0 1 0 0 v + 0 0 0 0 1 4 5 v 2 ( 3 8 ) 快速单层客车( = 1 6 0 k 1 1 仉1 ) ”= 1 6 1 + o 0 0 4 0 v + 0 0 0 0 1 8 7 v 2 ( 3 9 ) 快速双层客车( ；。= 1 6 0 h l 1 1 ) w n ”= 1 2 4 + o 0 0 3 5 v + o 0 0 0 1 5 7 v 2 ( 3 一1 0 ) 2 货车 不同类型的车辆，由于外形、尺寸、轴型、转向架以及自重、载重等因 素的不同，单位基本阻力也不同。货车运行单位基本阻力公式如下： ( 1 ) 重货车 滚动轴承货车 w n 4 = o 9 2 + 0 0 0 4 8 v + 0 o 0 0 1 2 5 v 2 ( 3 一1 1 ) 滑动轴承货车 w ”：1 0 7 + 0 0 0 1 1 v + 0 0 0 0 2 3 6 v 2 ( 3 1 2 ) 油罐车专列( 重车) w n = o 5 3 + o 0 0 1 2 l v + o o o 0 0 8 0 v 2 ( 3 1 3 ) 油罐车与其他货车混编时，按滚动轴承货车基本阻力公式计算。 ( 2 ) 空货车( 不分车型) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 货车与客车不同，因空车与重车的总重相差较大，单位基本阻力差别亦 很大，故分空车和重车分别计算。空重混编的货物列车，应按各自所占重量 的比例，用加权平均的方法求算列车单位基本阻力。 由于列车的质量是待求量，所以，可以按列车的编组，按加权平均的方 法求算列车单位基本阻力。 二车辆起动基本阻力”计算 滑动轴承货车起动单位基本阻力按下式计算 嵋= 3 + o 铊 ( 3 1 4 ) 式中，起动地段加算坡度的千分数，上式的计算结果小于5n k n 时， 按5 n 傲n 计算。 滚动轴承货车起动单位基本阻力取3 5 n | 甜。 3 3 。3 加算附加阻力的计算 由于线路条件的影响，机车车辆在坡道、曲线上和隧道内运行时除了基 本阻力外，还会受到额外的阻力。 ( 1 ) 理论分析表明，机车、车辆的单位坡道附加阻力( n ，k n ) 在数值 上等于所处坡道的坡度千分数f ，即 = f( 3 1 s ) ( 2 ) 曲线附加阻力的影响因素复杂，其试验公式为： w ，2 1 兰 ( 3 _ 1 6 ) 式中，口曲线中心角； t 曲线计算长度，包括圆曲线长度及其两端的缓和睦线长度的1 2 ， 可按下式进行计算 ，：三一三( + f 2 ) ( 3 1 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 式中，曲线总长度，m ； 、曲线两端的缓和曲线长度，m 。 还可以把单位益线阻力折算为坡度的干分数井用t 表示。 ( 3 ) 隧道空气附加阻力u 利用简化计算公式进彳亍计算： 隧道内为限制坡道时：m = oo 0 0 1 伊 ( 3 1 8 ) 隧道内为分非限制坡道时； u = o1 3 ( 3 一1 9 ) 式中，隧道长度，h i l ； v 列车在隧道内的运行速度，h 油。 为了便于计算，用单位加算附加阻力m 表示因线路条件产生的单位附加 阻力之和。即 筝= 蟛+ 蟛哗 式中，单位坡道附加阻力，n k n i 曲线附加阻力，n m n ； 隧道空气附加阻力，n 心i 。 加算附加阻力所相当坡道千分数称为加算坡道千分数，其值用t 用下式表示： i 2 i + i ，“， 坡道坡度的千分数f 有正负之分，曲线阻力和隧道空气附加阻力总是起阻力作 用0 和恒为正值。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 由于我们计算的时列车起动时刻的牵引吨位，列车所受的基本阻力有两 种算法，一种是牵规中给定的起动单位基本阻力数值计算；另一种是按 列车运行单位基本阻力计算。由于列车运行基本阻力的试验条件是运行速度 不小于1 0 k n 油，直接利用牵规给出的经验公式计算起动时速度小于1 0 l 【r 1 1 1 1 时运行基本阻力，按l o h 油进行计算，结果存在一定的误差；而牵舰中 给出的机车、车辆起动阻力都是一个确定的值，这和列车实际起动的情况不 符，对计算结果都带来一定误差。为了减小这种误差，我们可以采用两种阻 力相结合来计算。分别计算出速度小于1 0 k 此时的机车、车辆单位基本阻力， 再将这个计算得到的值与起动单位基本阻力进行加权平均，这样可以尽可能 减小因单位基本阻力而带来的牵引吨位计算误差“”“”1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 第4 章牵引试验测量系统方案研究 4 1 系统简介 确定系统的总体方案是进行系统设计的重要环节。系统总体方案的优劣， 将决定系统各模块的设计，并直接影响系统整体性能，也关系着系统具体实 施的难易程度。牵引试验测量系统主要是根据机车运行环境、机车各设备布 置情况、机车现有自动化设备安装情况，并考虑到了系统实用性和日后扩展、 改进和方便性，采用模块化的设计思路设计而成的。 本系统是通过牵引电动机电压、电流以及机车速度的采集来进行牵引计 算。本系统主要包括三个部分：线路数据管理、数据采集模块以及牵引计算 模块。其中线路数据可以由铁路工务部门提供，通过计算机调用线路数据库 文件读入线路数据，并绘制线路( 断面) 图。数据采集及通讯模块由数据采集卡 完成，牵引计算模块是通过读入的线路数据以及采集的机车状态量，由计算 机根据相应算法进行计算。系统的结构框图如图4 1 所示。 图4 1 牵引试验测量系统结构框图 4 2 线路数据管理模块 线路数据管理模块的功能主要包括调用线路数据和线路( 断面) 图的绘制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 线路纵断面基本数据，选择可以输入线路纵断面的基本数据，包括坡道 起始里程、坡道坡度等。其中坡道数据为坡道的千分率( ) ，规定运行方向 上坡坡道坡度为正值，下坡坡道为负值。 线路曲线基本数据，选择可以输入线路曲线的基本数据，包括曲线的起 始里程、曲线半径等。其中，曲线半径的正负规定为：列车前进方向，顺时 针方向曲线半径为正值，逆时针曲线方向曲线半径为负值。 车站基本数据，选择可以输入线路上车站的基本数据，包括车站位置和 车站编号。 进行牵引计算时，为了简化计算，节约时间，一般在计算精度允许范围 内，要对线路纵断面进行化简。化简过程分为两个步骤： 首先，将各相邻城段进行化简，即坡度相近的相邻坡道进行合