电力牵引教案.doc

电力牵引第一章 牵引力第一节 力的概念外力：把来自列车以外的物体作用于列车的历程外力。如：列车的重力、钢轨作用于列车的各重力、周围空气作用于列车的力。内力：组成列车的各单元即车辆之间的相互作用力成内力。内力总是成对出现，不改变物体的运动状态。总之，列车运行过程中，作用于列车上的外力，计有牵引力、重力、阻力、制动力。从运行状态分：机车带电运行-牵引力和阻力作用于列车机车带电惰行-阻力作用于列车机车制动运行-制动力和阻力作用于列车第二节 粘 着当一个物体受到外力时，随着外力的加大，这个静止的物体与支撑物之间的静摩擦力也跟着加大，直到外力超过静摩擦力的最大值，物体的静止状态被破坏。此时，物体在外力作用下，沿着支撑物表面开始滑动。我们把整个过程分为潜动阶段和滑动阶段。在机车轴荷重的情况下，当动轮压在钢轨上静止不动时，再轮轨的接触点c处，也有静摩擦力存在。见图P3分析：当外力F作用于钢轨时，钢轨给动轮反作用力F，F力图使动轮沿着钢轨滑动，在潜动阶段，这个外力就被轮轨之间，接触面的高低不平的机械弹性变形和分子间的相互作用力所平衡。因而，不会发生滑动，而只产生弹性变形。通常，我们把这种阻止轮轨之间相对滑动的静摩擦力称为粘着力，这时的状态称为摩擦粘着。如果外力不断加大，超过了粘着力，其结果轮轨接触处的弹性变形力，分子相互吸引力再也平衡不了外力，轮轨之间，进入滑动阶段。此时称为滑动摩擦，其阻力称为滑动阻力。当动轮相对钢轨滑动后，由于滑动摩擦阻力总小于静摩擦力，因而产生空转。空转的危害：造成列车运缓；造成电机环火；磨坏钢轨。在日常分析研究粘着现象时，波作用于动轮的外力和东昏、钢轨间的粘着理想平衡的临界瞬间，称为“始动瞬间”。此时的粘着力成为极限粘着里。结论：在任何时候，机车动轮所能实现的牵引力不能大于轮轨间的极限粘着力。机车每个动轮的粘着力：F=1000G 公斤（1-1）F粘着力粘着系数G机车动轮轴重 吨要点：1、 粘着力近似的可以认为与轮轨之间的静摩擦力相等。但它并不是静摩擦力。还和很多因素有关。世界上喝多人研究。2、 粘着力与滚动摩擦毫无关系。更不能认为粘着牵引力由滚动摩擦产生的。第三节 牵引力的形成我们已知：对于电动机来说，当给它通入电流时，电机电枢上就要产生电磁转矩，这个转矩通过机车的齿轮传动装置传递到机车的动轮轴上，对于机车来说，牵引电机电枢上的电磁转矩是内力，并不能使机车运动 ，那么，究竟是哪一个力使得机车得以启动呢？设机车牵引电动机转轴上输出的转矩以M1表示，在计入齿轮传递过程中各种损耗的条件下，则在机车动轮轴上引起一个和转矩M1在方向上相反、在数量上等于转矩M1的反转矩M。（是传动比，是传动效率），据力学原理，一个转矩可以用一个作用在同一平面内并且有相同旋转方向和大小相等转矩的力偶来代替，而不改变原来的转矩对物体的作用。所以，以动轮半径为力偶臂，以F和F组成的力偶来代替动轮轴上的转矩M对钢轨和转向架的作用。如图所示，力F和F、的作用点分别在转向架构架和轴头的接触点b和轮轨的接触点C。根据力学的理论分析和实践可知：任何作用力存在的同时，总是有一个和它的大小相等、方向相反的反作用力存在，这里应该注意，作用与反作用永远是分别作用在两个不同的物体的两个力，因此，不会抵消。据此，当机车动轮与钢轨的接触点C以力F作用与钢轨上时，钢轨必然要对动轮产生一个反作用力F，这个反作用力F是由于轮轨之间的摩擦粘着而产生的。正是这个反作用力F阻止了动轮轮沿钢轨滑动。由此可见，只是在钢轨对机车动轮水平反作用力F的存在下，作用与机车转向架上的力F，此时机车产生平移运动的主动外力。一次，通常把钢轨作用与动轮周上的反作用力F称作牵引力。所以说，机车的牵引力是由机车牵引电动机引起并且可以控制的由钢轨沿机车运动方向作用与动轮周上的切向外力。电力机车，同其他形式的机车一样，实际上都是把一种输入能量变换成牵引力做功的机械装置。就直流电机来说，它通过机车受电弓，把由接触网供给的能量输送给牵引电机，由牵引电机再把电能转换成机械能，借助于机车动轮和钢轨的粘着作用进一步转变为动轮周上的外机械功，以驱动机车。对于交流电力机车来说，还要多一个过程，经受电弓输入的交流电，先要经过牵引变压器变压，再经半导体整流，然后送入牵引电动机。由此可知，机车所发挥的牵引力，应该受能源的容量大小，以及牵引电动机、机车动轮与钢轨粘着状态的限制。无论是直流还是交流贷能力机车，其能量都由变电所供给，故其容量可以说是足够大的，因而机车所发挥得牵引力，主要还是受限于能量转换部分的工作能力。对应这些限制，电力机车的牵引力可分为：1、 牵引电动机牵引力：即按牵引电动机的容量所得到的牵引力。2、 粘着牵引力：由于在机车动轮与钢轨间一定的粘着条件线，只能把一定的内力转变为外力，所以，在通常把手粘着状态限制所得到的牵引力称为粘着牵引力。第四节 电力机车机械功传递过程中的三种主要牵引力在电力机车上，机械功的传递可分为三个主要的连续阶段。首先，通过牵引电动机把从接触网上所获得的能量转换为电动机轴上的输出转矩。其次，通过齿轮传动装置，经动轮作用与钢轨上，并由钢轨作用与动轮产生轮周牵引力。最后，经机车的有关机械装置传递而作用于车钩，以牵引列车。依据机车外机械功传递过程重力的作用点不同，相应的机车牵引力分为：指示牵引力；轮周牵引力；车钩牵引力。指示牵引力：在机车动轮转动一周所做的功等于同一回转中牵引电动机轴上的机械功的条件下，计算得到的牵引力称为机车的指示牵引力。实际上也就是不及齿轮传动装置在机械功传递过程中的损失的情况下，机车才能具有的牵引力。事实上，机车用于那也发挥不出和指示牵引力相等的牵引力，因此，又称指示牵引力为虚拟的牵引力。指示牵引力的作用点应该是牵引电动机的转轴上，只是为了计算的方便，也假定它是作用在机车动轮周上。轮周牵引力：在机车动轮转动一周内所做的功等于牵引电动机轴上的机械功减去同一回转内齿轮传动装置中的阻力功的条件下，所得到的牵引力称为机车的轮周牵引力。轮周牵引力是作用在动轮周上的牵引力。其大小为指示牵引力乘机车传动装置的效率。车钩牵引力：当机车等速运行时，在机车动轮转动一周内所做的功等于动轮同一回转中的轮周牵引力功减去机车转向架、各种支撑复原装中产生的阻力功以及由坡道和曲线所引起的附加阻力功，由此得到的牵引力称为车钩牵引力。它的作用点在机车车钩上。机车运行时，为克服机车本身阻力，以及各种附加阻力，不可避免地要消耗掉一部分轮周牵引力。上述三种牵引力，同样的指示牵引力的机车，由于传动装置不同，机车在轮轴上所能发挥的轮周牵引力也是不同的。至于车钩牵引力不大取决于轮周牵引力和机车车身走行部的状态，而且还受线路纵断面变化的影响，因而在使用车钩牵引力进行计算时是很不方便的。所以，我们仅采用轮周牵引力来分析和计算。第五节 粘着系数对于电力机车来说，机车所能发挥的最大牵引力受限于牵引电动机的牵引力和机车轮轨之间粘着牵引力。但是，大容量的牵引电动机可以满足人们提高牵引力的需要。故机车所能发挥的最大牵引力，实际上受限于粘着牵引力。因此，如何提高机车的粘着牵引力，就成为一个很重要的问题。机车每个动轮的粘着力：F=1000G 公斤（1-1）F粘着力粘着系数G机车动轮轴重 吨由上可知，要增加粘着力，一方面可以利用增加机车动轮轴的荷重，另一方面，可以借助于提高轮轨间的粘着系数来实现。但是，对于机车来说机车动轴荷重是一个常数，新设计的机车，轴重增加过多时，加大成本，并使机车结构复杂化，还提高了对线路的要求。因此，尽可能提高轮轨间的粘着系数，借以充分发挥机车牵引力，是机车运用部门的切实可行的办法。已知知识：粘着力即机车沿钢轨运行时，阻止机车动轮相对钢轨滑动的一种摩擦阻力。粘着系数就是钢轨在摩擦粘着状态下的一种摩擦系数，它近似于钢轨间的静摩擦系数。所以如此，这是因为即使在机车动轴荷重，论贵接触面状态一定的条件下，粘着系数并不是一个常数，它还受轮轨的材质、机车运行速度等因素的影响在变化着。下面分别讨论影响粘着系数的几种主要因素：粘着系数与材质的关系：随着轮轨材质的不同，粘着系数也不同。材质硬度大时，降低了轮轨接触面的弹性变形力，因而粘着系数明显下降。反之，接触面间材料的弹性越好，粘着系数也越大。粘着系数与接触面间状态的关系：从实际运行中可以知道，潮湿、降雾、霜、小雨及当轨面有油污、冰霜等不清洁时，粘着系数将减小，适时、适量的撒沙，将提高粘着系数，大雨后，由于钢轨表面的清洁，粘着系数将增加。粘着系数与运行速度的关系：速度低时，由于轮轨间接触点的持续时间相对要长一些，因而粘着系数较大，当速度提高后，由于机车震动和摇摆程度的加剧，使轮轨接触状态变坏，从而使粘着系数降低。粘着系数和其他因素的关系：理论分析和实践证明，因机车整备不良；牵引列车时翻转力矩的影响，或制动时，制动力的影响等造成的机车轴重不平衡，以及运行中动轮相对于钢轨不可避免的纵向或横向硬性滑动的存在，都将使粘着系数减小，而且，速度越高，这种影响愈大。综上所述：影响粘着系数的因素不仅是诸多的，而且随时随地变化的，因而不可能有一个准确的、包括诸多影响因素的计算公式来计算它，通常在结算机车运行问题时，所采用的计算粘着系数石油多次实验方法来求出的，其数值约在0.35-0.25之间变化。其公式有如下几个：对于韶1的粘着系数采用=0.25+15/（100+10V） 1-2对于铁道干线电力机车采用下列公式 =0.25+8/（100+20V） 1-3此公式适用于运行速度在0-45公里/小时，曲线半径不小于450米的条件下。=33/（100+V） 1-4此公式适用于速度高于45公里/小时。=0.24-0.0007V 1-5此公式适用于机车和钢轨均为干燥状态时。以上公式，为机车在前部牵引，如若尾部推送，则应按90%取用。第六节 提高机车粘着牵引力的措施方法有三种，改善不良粘着情况，挖掘粘着潜力，缓和粘着力超限的影响。一、 改善不良粘着情况1、 采取在轮轨间撒入有一定要求的沙子（颗粒大小、成分、硬度、湿度）。缺点：A、在高速的情况下，效果较差，甚至无效。B、在严霜、降雪、落叶和钢轨有油垢的情况下，效果较差，甚至无效。C、沙子不良、天气不好，往往导致撒沙器工作不可靠。D、增加了轮、轨间的磨耗和列车阻力。E、影响通讯、信号轨道电路的正常工作。F、选用理想的沙子往往价格昂贵。2、 使用化学除垢剂，有效的溶解和清除污垢，并且要避免在钢轨上留下润滑层。3、 利用电弧，将附着在钢轨上的油垢烧掉。4、 采用机械的方法，如金属刷、蒸汽或水的喷射器等，除去轨面上的油腻、尘土或水泥形成的特殊粘层。二、 挖掘粘着潜力的方法1、 必须使机车经常保持有良好的技术状态：不仅是同轴的两个动轮，而且尽可能保持所有的动轮具有相同轮径，各动轮轴均有均衡的荷重。各牵引电机应具有尽可能相近的特性曲线等。2、 应保持机车行走部的清洁。特别是注意要调整好轮缘喷油器的喷头角度，以防止将由喷至动轮踏面上。3、 在起车和运行中，通过曲线、隧道地段时，应预先做好准备，及时、适当的撒沙。4、 对于新设计机车来讲，采用长轴距、牵引电机全悬挂，或将一台转向架的动轮轴机械地连接起来，以改善机车荷重的分配状态，在允许范围内，采用最小的轮箍锥度。减少机车的簧下重量等，都有利于粘着力度提高。三、 缓和粘着力超限的影响 无论是在列车启动，还是在运行中，只要发生了空转，就说明此时瞬间牵引力超过了极限粘着力。但如果片面的加强调机车安全、可靠的工作，不发生空转，而过多地降低牵引力，则非但不能发挥机车的牵引力，而且会使速度急剧下降，空转更加严重，以致造成途停。所以，正常情况下，可行的办法是，尽可能使机车以及县粘着牵引力工作，最大限度的发挥机车牵引力。在机车结构上，采用了弹性传动装置，它在念着力瞬间超限时，有助于恢复正常粘着力。还有的装设专门手把或按钮操作的抗滑制动闸，滑行一旦出现，立即实施制动，以防止机车持续空转。但是，上述装置的作用并非完全理想。因而，现代机车上，多装置自动防空转检测装置。当莫州发生空转后，经自动监测装置的作用，给牵引电机一个信号，使该轴牵引电机减载，以制止空转。根据多年来运用情况表明，机车牵引运行时，电机及转向架滑行保护系统动作不可靠，很多情况下无效。机车发生空转时，多数情况下，需要撒沙或退回指令才能停止。综上所述，显然可行的办法只有保持机车良好的技术状态，特别是撒沙器的作用良好，起车不要过猛，运行中精心的操纵，当通过曲线或潮湿的隧道时，及时、适当的散沙，或减少牵引力，以防发生空转。过后迅速恢复牵引力，避免降低速度。在直线和干燥的线路上，则应增加牵引力，提高速度，才能良好的完成运输生产任务。第二章 列车运行阻力第一节 阻力和阻力的分类当列车以一定的速度沿钢轨运行时，由于机车、车辆轮对与钢轨间的相互作用；机车、车辆的蛇形运动、运行在坡道、和曲线上；机车、车辆机械装置所存在的各种类型的磨擦；空气阻力等，都影响机车的运行状态。定义：为了便于对列车的运行状态的分析和计算，设想有一个力始终作用在列车上，它所做的功正好等于上述各种因素综合作用下所消耗的列车动能。通常就把这个在列车运行中产生的，始终存在的，与列车运行方向相反的、阻碍列车运行的，而且人力又不能随意操纵的力，成为列车运行的自然阻力，简称阻力。分类：以产生阻力的原因，分为基本阻力和附加阻力。基本阻力：主要是各种摩擦和冲击而产生的阻力。这种阻力只有在列车运行时才存在。附加阻力：只是在列车在某些特定运行条件下才受到的阻力。其产生条件是，列车沿具有一定坡度的坡道运行时的坡道阻力；通过曲线时的曲线阻力列车；起动时的起动阻力；通过长达隧道、或特殊气象条件下运行时增加的阻力。实践证明，无论列车运行中的基本阻力，还是附加阻力，基本都和机车、车辆的重量成正比、或近似成正比。因此，为了便于计算，凑采用对机车、车辆的单位重量计算肃立，其计算单位为公斤/吨。第二节 列车运行的基本阻力列车一经运行，就始终存在基本阻力，主要是由于轴颈在轴承中的磨擦阻力；车轮在钢轨上滚动的磨擦阻力；车轮轮箍对钢轨滑动的磨擦阻力；车轮冲击钢轨接缝产生的阻力；周围大气的阻力等构成。一、 轴颈在轴承中的磨擦阻力轴颈在轴承中的磨擦阻力是构成基本阻力的重要因素之一。轴颈在轴承中的磨擦阻力矩可有下式计算；M=1/2Pd-2-1-轴颈中的载荷P-轴颈与轴承间的滑动摩擦系数d-轴颈的直径为了克服这一摩擦力矩的影响，就必须消耗一部分机车轮轴上的牵引力，以抵消摩擦力矩。这一部分牵引力一K表示，显然有1/2KD=1/2Pd-2-2D-机车动轮直径。就一般车辆来说， d/D=0.14，故对于轴颈在轴承中摩擦而引起的单位阻力有：K/P=0.14=140公斤-2-3由上式不难看出，因轴颈在轴承中的滑动摩擦而产生于轴颈的单位阻力，是由其与轴承间的滑动摩擦系数来决定的。但是，滑动摩擦系数并不是一个常数。它与轴颈、轴瓦的质量；润滑油的物理化学性质；润滑油膜的厚度；轴颈运行速度的高低；轴颈的荷重等许多因素有关。一般地说，轴颈与轴承间的滑动摩擦系数，随润滑油脂粘度的增加而加；随轴承荷重的增加而摩擦系数减小。理解：在以同样速度运行的条件下，由于轴颈的荷重大，因而，轴颈与轴承间的磨擦力大，产生的热量多，加热了润滑油脂，减小了油脂粘度；另外，由于轴颈荷重大，因而轴颈在轴承中的相对位置受外界作用的影响（如来自线路的冲击）相对来说就比较小，因而不知破坏已形成的润滑油膜，使之保持良好的润滑状态。这样综合结果，使摩擦系数随荷重增加而下降。滑动摩擦系数和速度的关系，可用实验的方法得到。速度很低时，轴颈与轴承的摩擦系数急剧增大。理解：速度太低时，润滑油不太容易进入两个摩擦面之间，犹如干摩擦一样，随着速度的提高，润滑油不仅可以被带到润滑面之间，而且能形成较好的、具有一定厚度的、均匀的油膜，从而使摩擦系数减小。对应一定的速度值，摩擦系数在一个相当大的范围变动。理解：轴颈与轴承的技术状态，它们之间的润滑情况、润滑油脂的物理化学性质、气候条件等因素的不同而影响得到的结果。滚动轴承比滑动轴承的摩擦系数不仅数值上小，而且随速度的变化，其值变化不大。因此，应尽可能的用滚动轴承代替滑动轴承。滑动摩擦系数平均值取0.0075-0.0080就可以了。二、 车轮与钢轨间的滚动摩擦阻力车轮紧紧压在钢轨上，轮轨之间发生相对位移时，会产生滚动摩擦阻力和滑动摩擦阻力，其值不仅取决于机车、车辆本身的结构、技术状态，而且与钢轨的质量，枕木的种类，整个线路的状态等、因素有关。到目前为止还没有一个能包括如此诸多影响下的机车车辆滚动摩擦阻力的计算公式。只能得到以下几点结论：1、机车、车辆的车轮在钢轨上的滚动摩擦阻力与列车运行速度无关。2、近似的认为，滚动摩擦阻力与轴荷重成正比，与车轮半径成反比。3、根据实验，单位滚动摩擦阻力可以取0.3公斤/吨。三、车轮轮箍对钢轨滑动的磨擦阻力列车运行中，引起机车、车辆车轮相对钢轨滑动道德原因是很多的，影响较大的，有以下几个方面：1、 由于车轮踏面的圆锥度引起的滑动。车轮与钢轨的接触并不是一个点而是一个面。但由于车轮踏面具有一定的锥度，因而在沿钢轨的各竖直平面内与钢轨接触的不同点，具有不同的半径。从而当列车以某一速度运行时，车轮踏面上的各点运动状态是不同的。对于大于给定计算圆的圆周上的各点来说，在滚动的同时，将向后滑动，对于给定计算圆的圆周上各点来说，将作纯滚动；对于小于给定计算圆的圆周上的各点，则在滚动的同时向前滑动。2、 机车、车辆的摇头振动。列车运行时，车轮踏面的锥度引起的横向推力，只有当同一轴的两轮，以具有相同半径的滚动圆运行时，才可以平衡掉。此时就不会再产生车轮相对与钢轮的横向滑动，但是，实际运行时，列车通过曲线时，在离心力的作用下，车轴的横向移动将是不可避免的，当再次向相反的方向移动时，在惯性的作用下，往往偏过头，而又不得不再次向回移动。这就是摇头振动。这个过程中是要产生滑动摩擦阻力的。3、 由于同轴两侧的车轮直径不等，货轮队的组装不正确，都将引起车轮在滚动的同时，产生连续的纵向滑动以及轮缘与钢轨上部的摩擦。结论，目前也没有合适的公式来计算。三、 车轮冲击钢轨接缝而发生的阻力由于机车、车辆轮对踏面、钢轨表面的不平整，以及钢轨接头处的缝隙，都会引起对运行中的列车产生冲击力。在这种周期性的冲击力下，会引起机车车辆发生振动，这种振动将要消耗列车的部分动能。影响车轮冲击钢轨接缝而产生的阻力的大小的主要因素有：机车、车辆通过轨缝接头处的速度；钢轨接头间的距离；轴的荷重以及钢轨接头部分的形状、磨损程度。根据大量实验表明，车轮冲击钢轨而引起的阻力是依列车运行速度的平方增大的。采用长钢轨、改善机车车辆的弹簧坚贞装置、不断的提高线路质量，使减小上述阻力的根本措施。四、 周围大气的阻力在列车运行时，必须冲开迎面的空气，使列车前部的空气被压缩，而在列车后部形成了局部真空，并使空气发生涡流。这个空气的压力差，形成列车正面所受的空气阻力。同时，发生涡流时，还要消耗掉列车的一部分能量。此外，列车的上下、左右个侧面还要与周围的空气产生摩擦阻力，所有这些阻力的总和，以及空气产生涡流而消耗掉的列车部分能量，就是列车所承受的大气的阻力。由实验可知，列车的运行速度，机车车辆的外形、气温、风速等对列车所承受的大气阻力有决定性的影响。此外，大气阻力与机车牵引车辆的多少和列车的编组情况也有一定的关系。因而，对大气阻力的计算也只能用经验公式求得。（略）无论是机车、车辆，还是整个列车在运行中所承受的大气阻力都是与其运行速度的平方成比例的增长。在低速时，大气阻力很小，高速运行时，大气阻力可占列车阻力的半数以上。所以高速列车外形尽可能设计成流线型。第三节 计算机车、车辆的基本阻力的经验公式由上节的分析可知，列车运行中产生基本阻力的因数是很多的，有些情况是复杂的，甚至不可能推导出一个基本的理论公式来。适宜的办法是根据大量实验结果，推导出一套近似公式来。一、 计算机车基本阻力的经验公式电力机车的基本阻力，可以认为是由在机车转向架上车去牵引电机的传动机构的条件下，机车走行时所受到的阻力，即通常所说的车身阻力和由牵引电动机的电损失、牵引电动机及其传动结构间各部分的摩擦损失所产生的阻力合成的机械阻力。之所以这样规定，是由于机车牵引或以惯性断电惰性时，其基本阻力在数值上相差很大的缘故。牵引规程又规定了在进行各种有关计算时，机车牵引力采用轮周牵引力，因而，在机车牵引运行的条件下，计算机车的单位阻力时，只需知道车身阻力就可以了。我国有关部门曾采用下式作为计算交流干线电力机车的单位基本阻力。给电运行=1.4+0.0012V2公斤/吨-2-6断电惰行=4+0.0012V2公斤/吨-2-7铁道部科学研究院推荐SS1、的计算方案给电运行=1.4+0.046V+0.0003V2公斤/吨-2-8SS1、SS3、SS4实际计算公式=2.25+0.0190V+0.000320V2公斤/吨-2-9SS7=1.40+0.0038V+0.000348V2公斤/吨-2-10SS8=1.02+0.0035V+0.000426V2公斤/吨-2-11第四节 列车运行的附加阻力一、坡道附加阻力我们先来分析位于斜面上的物体所受的各种力的相互关系。已知该斜面倾斜角为，无体重为P，可以将物体重力分解为两个互相垂直的分力，设其中大小为N的分力垂直于斜面，则另一个分力Q平行于斜面，故有：N=Pcos Q=Psin分力N只是把重物紧紧压在斜面上，并不能引起物体的运动。分力Q则不然，如果它的数值大于重物和支撑它的斜面间的静摩擦力时，则在力Q的作用下，克服摩擦阻力，使重物沿斜面下滑。列车在坡道的情况是相同的。所以，列车在坡道上重力的水平分力为=（Q+P）sin吨 Q为机车总重量，P车辆总重量在铁道建筑中，坡道的坡度使用列车沿水平方向走过某一距离后，它所升高的高度与该水平方向距离比值的千分数来表示的，即坡道的坡度：i=1000tg铁道坡道的坡度是有限制的，最大不超过33，所以在此条件下可认为，sin=tg故，i=1000sin二、曲线阻力列车运行于曲线地段时，随着列车通过的内外轨的长度不同，不可避免的使车轮相对与钢轨的纵向滑动、横向滑动加剧，引起列车动能量损失加大。同时，在离心力的作用下，将使轮队的外轮轮缘仅仅的压在外轨的轨头内侧上，这样使轮缘与轨头部分的摩擦增加。此外，列车进、出曲线时遇到的冲击力，以及轴承间的摩擦力加大等，所有这些因素都将导致列车运行阻力增大，通常我们就把列车通过曲线时运行阻力的增加部分称为曲线阻力。曲线阻力与列车的运行速度、曲线半径、曲线出外轨的超高量以及轨距、机车、车辆的轴距等许多因素有关。精确分析和计算上有困难。可依下面经验公式计算：=600/R公斤/吨 R为曲线半径三、起动阻力当机车、车辆长时间的停留后，轴颈与轴承间的润滑油已被压出流入轴箱下部，在正常运转情况下所形成的润滑油膜被破坏了，因而机车车辆在起动的瞬间，轴颈与轴承间的摩擦变成了干摩擦。通常我们把列车启动时受到的阻力称为起动附加阻力。我们已经知道，轴承润滑状态的好坏，润滑油脂的物理化学性质如何，对于机车的起动附加阻力有决定性的影响。因而及时地按季节更换良好的润滑油，是日常工作中的一项重要任务。根据大量实验可知，单车启动时，在起动瞬间，单位起动阻力约在20公斤/吨，但只要车辆已经起动，阻力就很快的下降了。列车的平均单位起动阻力按下式计算：=2+0.3i公斤/吨 i-列车起动地点的加算坡度四、列车运行在隧道内时附加大气阻力的计算列车运行中通过长隧道时，由于隧道尺寸的限制，将使列车迎面受到的空气阻力以及由于列车与周围空气的摩擦阻力而产生的大气阻力，比进行基本阻力计算时所考虑的大气阻力要增加很多。经验公式：=0.00013L L为隧道长度第六节 列车阻力计算列车全阻力为各阻力之和，可参考有关书籍。在此不再详解。第三章直流电力机车的牵引特性第一节 概述引言：电力机车的牵引力是由机车牵引电机引起的，经钢轨沿机车运行方向上作用于动轮轴上的切向外力。在机车实际运行时，机车内部状态和外部条件是经常变化的，因而机车所能发挥的牵引力、运行速度，也都是经常变化的。这些不同的情况下，机车发挥的效能是不同的。对同一台机车来说，在各种条件下功率发挥的情况，主要决定于他的牵引特性。定义：机车的牵引特性：就是指机车的牵引力和运行速度之间的关系。这一关系主要由机车的内部结构来固定。一台机车制成后，其牵引特性就固定下来了。不同机车有不同的牵引特性。但是，对某一类型的机车来说，决定其牵引特性的因素是很多的。但是，从根本上确定和影响机车牵引特性的主要因素仍是牵引电动机本身的特性。所以，我们先从最简单的直流电力机车开始。第二节 牵引电动机的电气特性直流电流机车的简单原理如图，直流电流经接触网（或接触轨）经受电弓（或其他受流器）导入，再经断路器、调压电阻、牵引电动机、钢轨流回变电所。牵引电动机接通电源旋转，通过传动装置驱动牵引列车运行。由此可见，在直流电力机车中，牵引电动机是主要的部件，它由接触网获得的电能转变为机械能，产生牵引力牵引列车运行。由此，直流电力机车的工作特性就决定于牵引电动机的工作特性。一、直流电机的转速特性电机的转速特性，是指电机转动的速度与电机负载电流之间的关系。根据电机学中的分析，直流电机的反电势E为：E= n Ce 其中：n为电机转速。为电机主极每极的有效磁通 韦伯Ce为电机的结构常数，它与电机的本身结构有关。Ce=PN/60aP为电机极对数A为电枢绕组支路对数N为电枢导体数根据电压平衡关系可知 E=u-IRI-电枢电流 AR-电枢回路电阻 u-电机端电压 V根据上式可得电机转速公式N=(u-IR）/Ce由上式可以看出，当电机负载一旦发生变化，即电枢电流I发生变化时，电机的转速按上式也要发生相应的变化。但这一变化比较复杂，因为还包括了磁通这一个量。由于磁通量的改变是由励磁电流来决定的，并按照磁化曲线而变化。因而对于不同励磁的电机，当负载电流变化时，磁通的改变是不同的。所以，电机的转速公式仅用于定性分析，不用它来计算。实际上常用的是转速特性曲线。转速特性曲线是用实验或计算的方法求出在各种负载下的转速，然后把他们绘制在坐标图上而得到的一些曲线。如图。P44对于串励电机来说，其励磁电流与电枢电流是相同的。因而当电枢电流增加时，励磁电流也同样增加，在电流较小，电机磁路不饱和，磁通于电枢电流的变化成正比关系，其结果是磁通增加。同时，随着电枢电流的增加，电枢回路的电阻压降也随之增加。由公式可以看出，电机端电压不改变的条件下，随着电枢电流的增加，将使转速急剧下降。此后，随着电流的不断增加，电机磁路亦愈趋饱和，其磁通不再随电流的增加而成比例的增加，于是电机转速下降趋势变慢。最后尽管电枢电流仍然增加，而磁通几乎不再增加，则速度的变化也就愈小。故串励电机则具有了如图形状的转速特性曲线。其他几种特性曲线不再讨论。二、直流电机的转矩特性电机的转矩特性是指电机的电磁转矩与电枢负载电流之间的关系。根据电机学的分析，直流电机的转矩M=CmI-主极每极有效磁通I-电枢负载电流Cm-电机结构常数，它仅与电机结构有关。在M取为牛顿米为单位时，Cm=PN/2a，若M用公斤米作单位时，Cm=PN/9.18*2*a同样，转矩特性也常用特性曲线来表示，如图，P45对串励电机来说，在电流较小时，随着电流增加，磁通也近似成正比的增加，所以此时M近似于电流的平方成正比，因而曲线近似成一抛物线，在电流较大时，随着电流增加，电机磁路饱和，磁通的变化很小，转矩M近似于电流成正比，曲线近似为一直线。第三节 串励、它励牵引电机的特性在电力牵引中，并非所有电机都可用作机车的牵引电机，这是由于牵引电机的特性必须满足电气稳定性和机械稳定性。对各种励磁方式的电机进行分析，可以知道，差复励电机不具有这两个稳定性，并励电机只在负载较小时，具有电气稳定性，显然这两种电机都不适合组牵引电机。一般干线上采用串励电动机。在小型电力机车采用加复励电动机（城市电车）。随着点子工业的迅速发展，也可采用可控硅调节励磁的它励电动机作为牵引电动机。这里仅对串励和它励电机的特性作一分析。一、串励电动机的机械特性电机的机械特性是指当电机端电压固定不变时，转矩和转速之间的关系。我们可以得到电机的机械特性公式：n=u/Ce-RM/CeCm2串励电机的特点在于流过励磁绕组和电枢绕组的电流相同，因而，当负载变化时，磁通的大小也随之改变。串励电机的机械特性如图所示。P47分析：当电机的端电压保持不变，在负载（I）较小时，电机磁路未饱和，磁通于电流成正比，因而随着负载增加，式中第一项u/Ce下降，第二项近似不变（因为M正比于2）所以电机转速随负载增加而下降，图中左半部分。当负载增加到一定程度使磁路饱和时，随负载继续增大，但磁通的变化已经甚微，公式中第一项不变，第二项M正比于电流I，故随着负载增加而增加，其结果使转速下降。但因电枢回路电阻很小，所以转速随着负载增加而下降的并不多。图中右半部分。如果电机的机械特性曲线是一条标准的反比曲线（双曲线），那是最理想的情况，因为电机的功率等于转速（角速度）和转矩的乘积。即P=M*在这曲线的任意一点，功率都是不变的，如果设计功率为电机的额定功率，那么在任何情况下，电机都能发挥其功率。但实际上任何电机的机械特性曲线都不会是标准的双曲线，船里电机的机械特性曲线与双曲线相近，称之为软特性。争议内如此，在整条曲线中，只可能有一部分是电机的功率发挥得最好的区段，在通常情况下，设计在电机额定转速附近这一段。总结：串励电机机械特性曲线非常适合电力牵引的需要，这有下面几个方面来说明。1、 串励电机的起动转矩正比于负载的电流平方，起动转矩较大，这点正好满足了电力机车的起动的要求。2、 串励电机的机械特性是软特性，对于电力机车来说，负载是在经常大幅度的变化着，例如满载或上坡时，负载增大，这时电机转速下降较多，其输出功率P=M的增加就较小，不致造成电机过载；反之，当机车负载较小时，随着负载的减少，电机转速随之增加，输出功率P=M下降也就减少，所以在轻载时，也能较好的发挥机车的功率。3、 串励电机是不允许空载或轻载运行的。而电力机车的情况正好满足这一要求，这是因为即使是一台单机，也是带上了一定的负载，所以不会造成电机的空载或轻载运行。所以，串励电机最适合做牵引电机。串励电机的软特性又称为牛马特性。二、它励电机特性它励电机的特点在于励磁绕组和电枢绕组分别在两个独立的供电回路中，励磁绕组由另一单独的电源供电。因而，当电枢回路中负载电流改变时，励磁电流并不受影响，而是保持不变。由此产生的主极磁通也基本保持不变。所以当负载电流I变化时，速度的变化范围是很小的（如果考虑到电枢反应的影响，当负载电流增大时，磁通稍有下降，速度可能保持不变或稍有提高），再从电机转矩特性M=CmI来看，在忽略负载的加大，电枢反应去磁作用增加的条件下转矩与负载电流的关系基本是一条直线。他励电机的特性如图P50。由于它励电机的转速随负载变化很小，因而他的机械特性（即机车的牵引特性）是一条硬特性。由图可知，这种特性的自然调节能力是很差的，显然不能直接用于电力牵引。但是，我们可以利用自动控制技术对它励电机进行自动的、连续的外部调节，来满足牵引的需要。对它励电机的控制可分为两部分。假定把电机在额定电压和满磁场时的速度称为基本速度，在基本速度以下时（包括机车启动过程）用改变电机端电压的方法来控制。这时励磁电流为一较大的基本励磁电流，可以增大启动牵引里，而电枢电流保持不变，即使牵引里保持不变，这样可以实现电机平滑启动。当达到预先给定的速度值时，电枢电流自动减小，使牵引力与此时的阻力相平衡。机车维持这一速度运行。在基本速度以上时，则利用磁场进行控制。如果我们给定一个比基本速度较大的速度，当电机达到额定电压、机车达到基本速度后，将自动平滑的减小励磁电流（类似磁场消弱）进一步提高速度，以至达到我们给定的速度时，点数电流将自动减小，使牵引力与阻力再次平衡，机车维持提高后的速度运行。这样一来，它励电机就有可能实现恒转矩启动和恒功率运行。其特性曲线如图P51。实现了自动控制的它励电机与串励电机比较起来，就具有更大的优越性。在机车启动时，可以实现恒转矩启动，在运行中可以实现恒功率运行，在转入电气控制时，不需要对励磁回路进行改接，而且还具有良好的防空转性能。如图P51。当发生空转时，电机转速增加，对于相同的速度增量，串励电机和它励电机牵引力分别减少F1和F2，可见它励电机随着速度的微小变化，使相应轮对牵引力急剧下降，这就是粘着很快恢复，一般在轮对转动一圈就可以得到矫正。第四节 直流电力机车的牵引特性我们讲了电机的一些特性，但在研究电力机车的运行中，所需要的是归算到机车的动轮轮缘的特性。电机的转速n因换算为机车的走行速度V，点击的转矩换算为轮轴牵引力F。一、电力机车的速度特性机车的走行速度即为动轮踏面处滚动园的线速度，由于牵引电机与动轮之间仅通过齿轮进行传动，因而机车的走行速度是与电机的转速成正比的，假设机车动轮踏面处滚动圆直径是D，齿轮传动比是，则机车的走行速度为：V=60D/1000*n=60D/1000*（u-IR）/Ce公里/小时式中D、及Ce对于一台机车来说都是常数，我们可将这些常数合并起来，归纳为一个常数，将上时写成于电机转速公式相似的形式。V=（u-IR）/C公里/小时式中：C=1000Ce/60D成为机车常数，它仅与机车本身结构有关。这就使机车的速度公式，其特性曲线与电机的转速特性曲线式相似的，只不过选取的坐标的单位与比例不同罢了。二、机车的牵引力特性采用相同的方法，可将电机的电磁转矩公式换算为机车的牵引力公式。在不考虑电机损耗和传动的机械损耗是，机车轮轴牵引力与电机电磁转矩成正比，假定齿轮传动比为，机车踏面处滚动园直径为D米，则牵引力F为：F=P53同样我们把式中 这一项也换算成一机车常数C来表示的量则有：所以F=0.367CI公斤其系数0.367时由于单位换算而产生的。机车的牵引特性曲线也与电机的电磁转矩特性曲线形状类似。如果考虑到牵引电机铁耗，机械损耗与传动装置的损耗，牵引力公式可写成F=0.367CIF上式中第一项称为迁移电机的电磁牵引力。F为牵引电机总损失的牵引力。这一数值与电磁牵引力比较起来是很小的，一般可忽略不计。即使考虑这一点是，亦由于F受很多因素影响，距特计算很复杂，通常简单地认为F是一个常数。此外，机车的牵引力特性公式还可以用另一种形式来表达，这种表达方式可以由功率关系进行推导。设：一台电机的电功率为PD=EI（瓦）=EI/1000KW每对轮的机械功率为：Pj=FV公斤*公里/小时=9.81/1000*1000/3600FV=FV/367千瓦在不考虑损耗的情况下，电机的电功率应与动轮的机械功率相等，即：EI/1000=FV/367所以 F=0.367EI/V实际上，由于电机本身存在着磁损耗和机械损耗，在传动装置上也存在有机械损耗，所以实际的轮周牵引力要比上式计算出得小一些，假设电机的磁损耗和机械损耗为PD（瓦）齿轮传动装置的传动效率为g，此时，上市变化为：F=0.367g（EI-PD）/V）在上述分析中，所提到的牵引力都是指一台电机而言，对于整台机车，要考虑的所有电机的数目，假设机车上共有m台电机，各电机的特性也完全相同，即在运行中，各电机的转速和牵引力都是相同的，则整台机车的牵引力为：F=mF但实际上，由于各台电机的特性并不完全性痛，机车整备状态的优劣，牵引重量的多少，在运行中环境条件的差异，司机的操纵水平不同，从而使得机车每个动轮所能发挥的牵引力也是各不相同，因而，由于实验测得的有关数据，往往低于按每台电机品均计算的结果，这是我们操控机车时应注意的。三、机车的牵引特性机车牵引特性是指机车的牵引乐于走行速度之间的关系。即：F=f(V)。在以至换算到轮轴后的速度特性和牵引力特性后，即可按3-6和-8推导出机车的牵引力特性。但是，这一过程比较复杂，而且由于公式本身应用较之不大，已而一般机车的牵引特性都是用曲线来表示的。第五节 电力机车特向曲线的绘制绘制电力机车的特性曲线有计算和实验两种方法。在此不再赘述。第四章 整流式电力机车的牵引特性第一节 整流式电力机车的正流线路整流式机车是采用单向交流供电，经降压、整流后，供给脉流牵引电机。它既采用了有利于远距离供电的交流供电方式，又具有直流机车的良好牵引性能，但却在机车内增加了降压、整流、滤波装置，而且由于机车内部工作条件的不良，使得对整流器的要求也较高。机车的整流一般采用中点抽头式全波整流和桥式全波整流两种线路。中点抽头式全波整流线路原理如图P59。单项交流电由接触网经受电弓流入牵引变压器的高压绕组，再经钢轨流回变电所，变压器地压绕组分为oa、ob两部分，当在某一半周，a点有高电位时，整流器B1导通，B2关闭，电流由a点经B1再经平波电抗器XL，牵引电机流回O点。在另一半周，b点有高电位时，整流器B2导通，B1关闭，电流经由b点到B2，再经平波电抗器XL，牵引电机流回O点，这样虽然变压器次边绕组在正负两个半周内，Oa、Ob交替流过电流，但牵引电机始终流过方向不变的脉动电流。桥式全波整流线路原理图如图P59变压器高压绕组的连接与中点抽头式相同，变压器低压绕组跨接在整流桥的两边。当在绕组a点电位高的半周内，电流由a点经整流器B1、牵引电机B3流回b点，此时整流器B2B4关闭。在b电位高的半周，可同样分析。中抽式与桥式整流线路比较起来，乔石整流线路具有较多的优越性。在牵引电机额定电压相同的情况下，由于中抽式线路中变压器低压绕组每半周只有一半绕组有电流通过，那么这一半绕组就绪供给牵引电机以额定电压，而桥式整流线路整个低压绕组供给牵引电机以额定电压，所以，利用中抽式线路，将使变压器容量增加，尺寸、重量相应增加。桥式线路中整流器所承受的最大反向电压即为变压器低压绕组的最大值，其值为2u2（u2为交流电压的有效值），而在中抽式线路中，整流器承受的最大反向电压为整个低压绕组的最大值，其值为22u2，较之桥式为高。由于上述原因，故现代整流式电力机车一般均采用桥式整流线路。整流系统输出功能功率为：P=IU第二节 脉振电压下牵引电机的工作情况在整流器式机车中，单相交路经整流后，流入牵引电机的电压为一脉动电压，如图P61。对这一脉动电压进行数学分析可以知道，它是由直流分量和一系列的交流分量组成的。其直流分量的大小相当于变压器次边有效值的0.9倍，而交流分量中最低次谐波为供电频率的两倍，随着谐波次数的增加，其幅值急剧下降，因而我们可以将高次谐波忽略不计，而把这一脉动电压视为一直流分量和一两倍频率的交流分量叠加起来的。如果线路是纯电阻性负载，则电流波形与电压波形是相同的。但是，电机本身是一感性负载，因而电流波形在一定程度上被敷平，不过由于负载的电抗毕竟是有限的，因而，电流不可能被完全敷平，仍有很大程度的脉动，如图所示P61。通过牵引电机的这一脉动电流，也可以近似的人为它是有一个直流分量和衣个两倍频率的交流分量迭加成的。由于牵引电机电流中存在有两倍频率的交流分量，因而对电机的工作产生了影响，一方面是电机严重发热，这是由于在具有相同直流负载的情况下，在脉动电机中铜损和铁损都比直流电机中要高，所以是电机发热增加，而是效率降低。另一方面，由于交流分量的存在，在电机换向元件中产生交变电抗电势和变压器电势，使换向条件恶化，所以尽管脉流电机和直流电机在原理上是相同的，但在设计脉流电机是必须考虑这一特殊情况而予以特殊设计。第三节 改善脉流电机工作条件的措施由于脉动电流对牵引电机的工作是不利的，所以应尽量减小电流的脉动程度，处在设计制造牵引电机时，对电机本身采取一些措施外，在机车线路中还要采取一些方法来改善电机的工作条件。在线路中串联一平波电抗器，以增加回路中的感抗，可以减小电流的脉动程度，从理论上讲，如果回路中的电感是无穷大时，电流就会没有脉动，完全成为直流，但实际上，由于重量、体积的限制，平波电抗器的电感不仅是有限的，而且也不可能很大，因而只能减少电流的脉动程度，而不会完全消除电流的脉动。电流脉动的程度，可用脉动系数来表示，脉动系数为电流脉动量的一半与平均电流之比，即脉动系数K为：K=0.5iB/IB-4-1在电力机车中，可认为电机的反电动势为常数，如果忽略整流回路的电阻压降，则电机的反电势等于整流电压的平均值，在这种情况下，经过计算可知：K=0.33u/LIB-4-2u-整流电压的有效值-供电频率L-平波电抗器的电感值由上式可见，如果平波电抗器的电感为定值，那么随着负载的变化（IB）脉动系数也会改变。为了使牵引电机能可靠的工作，要求在负载广泛的变化时，脉动系数仍能保持不变，当机车工作在某一运行级时，正流电压u,供