大功率交流机车与直流机车牵引性能比较分析.doc

大功率交流机车与直流机车牵引性能比较分析总第246期2011年第3期交通科技TransportationScience&TechnologySeria1No.246No.jJune.20l1大功率交流机车与直流机车牵引性能比较分析孔惠惠(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)摘要对新型大功率交流机车和传统直流机车的起动性能,加速性能,旅行速度及各种坡道上的牵引质量进行分析比较,得出大功率机车较直流机车起动快,区间运行速度快,适合于对列车运行速度要求较高的线路,为铁路设计工作中线路机车类型的选择提供理论依据.关键词大功率交流机车直流机车计算速度牵引质量随着我国铁路大面积提速,功率大,速度快的机车成为我国铁路货运提速急需的车型.目前,我国引进了和谐系列大功率机车,采用交流传动方式,持续功率在7200lO000kW,主要为六轴和八轴车,轴功率为l200l600kw.与普通直流传动机车相比具有起动快,持续牵引力大,粘着性能好,功率因数高等特点.笔者对新型大功率机件进行了分析,为线路选择合适机型提供依据.1交,直流机车主要技术参数1.1直流机车主要技术参数目前我国铁路系统运用的货运直流电力机车主要为韶山型直流电力机车,其中典型的八轴车是SS4,六轴车则以SS3,SS6B,SS7为主,4种典车与普通直流机车的主要差异和其所适应线路条型机车的主要技术参数见表1.表1直流机车主要技术参数表作业1台位).(7)标定棚.捣固机维修后必须进行标定,标定棚按一线1201TI设置.(8)其他有关设施.维修基地还设置办公综合楼,供电,电子检修间(预留),材料总库,充电间,配电房等以及转车盘,移车台等设施.4结语维修基地承担客运专线固定设施的管理,检测及维修任务,保障了客运专线固定设施的良好状态,是列车高速,高密,安全,平稳运行的重要基础.维修基地的工艺设计是基地建设的重要工作内容之一.本文以武汉客运专线基础设施维修基地为例,从设计原则,主要技术标准,工艺设计等方面对维修基地的工艺进行了分析研究,并提出了先进的维修工艺.参考文献1邱建武.实施大型养路机械状态修探索J.铁道标准设计,2001,21(9):40-41.2郑中立,许建明.大型养路机械综合管理工作指南M.北京:中国铁道出版社,2002.3耿明.浅谈大型养路机械段的工艺设计J.长沙铁道学院:社会科学版,2005(2):197-198.孔惠惠:大功率交流机车与直流机车牵引性能比较分析2011年第3期1.2大功率交流机车主要技术参数根据铁道部十一五发展计划,从2006年起,陆续投入使用和谐系列大功率机车,以提高货物列车运行速度至120km/h.目前和谐系列大功率机车主要型号有HX.1,HX.2,HX.3和HXD1B,HXD2B,HX.3B等6种型号,各机型的主要技术参数见表2.表2交流机车主要技术参数表序号项目HXD1HXD2HXD3HXDIBHXD2BHXD3B1计算(粘着)质量P/t2轴重/t3轴式4持续功率/kW5单位轴功率/w6最高速度口/(km?h)7最低计算速度/(km?h-1)8最大计算牵引力/kN9计算粘着系数0计算起动牵引力F/kN13815O2325COCoCOCO/六轴/六轴720096001200160012O1207081.93704220.4030.O01834V520/570570目前我国采用的电力机车轴数均为六轴和八轴,轴数相同的机车才有可比性,为方便起见本次研究八轴车采用SS与HX.1比较,六轴车采用SS与HXD3和HX.1B进行比较.2交,直流机车加速性能比较电力机车根据能量转换过程中各部分工作能力的限制,其牵引力有动力传动装置牵引力和粘着牵引力之分.根据牵引特性曲线,电力机车是以最高级位满磁场的牵引特性与粘着牵引力曲线的交点所对应的速度和牵引力作为计算速度和计算牵引力.因此,电力机车速度从0到计算速度范围内,牵引力受粘着牵引力限制;从计算速度到最高速度范围内,牵引力受动力传动装置牵引力限制.2.1起动性能比较机车速度从0到计算速度范围内,牵引力受粘着牵引力限制,粘着牵引力计算公式如下:F一Pg(1)式中:P为机车粘着质量,t;/i为粘着系数,一L厂(v).由上式可知,粘着牵引力与机车的粘着质量和粘着系数成正比例关系,机车的粘着质量相同时,粘着牵引力取决于动轮与钢轨间的粘着系数.大功率交流机车的粘着系数相比直流机车粘着系数有所提高,目前国产主型直流电力机车起动粘着利用率系数为0.36,计算粘着利用率系数达到0.25,已十分接近我国铁路牵引计算规程中规定交直传动电力机车粘着利用系数一0.24+101100+8v;而国外实验和运用经验表明,交流传动机车起动粘着利用系数可以达到0.4.从机车技术参数表中可以看出,八轴交,直流机车粘着质量相同,由于交流机车比直流机车粘着系数大,因此交流机车HX.l的起动牵引力为700kN,传统的直流机车SS4起动牵引力为649.8kN,八轴交流机车起动牵引力略大于直流机车的起动牵引力;对于六轴机车,传统的直流机车为23t轴重,SS起动牵引力为487.3kN,而大功率交流机车HX.3为23t轴重,和谐B系列机车为25t轴重,起动牵引力分别为520,570kN,六轴和谐B系列起动牵引力较直流机车有了明显提高.通过以上分析可以看出,在起动过程中牵引力主要受粘着牵引力限制,轴数和轴重均相同的交直流机车起动性能相差不大,交流机车略大于直流机车;轴数相同,轴重不同的交流机车在起动过程中所获牵引力较大,从而其起动加速度也较大,起动性能优于直流机车.2.2加速性能比较列车运行速度超过计算速度后,机车牵引力受电传动装置决定的牵引力作用,该牵引力计算公式如下:F67(2)式中:P机为机车功率,kW;刀为机车功率因素;为列车运行速度,km/h.由上式可以看出,列车所受牵引力与机车功率成正比,与列车运行速度成反比.目前我国主型直流机车持续总功率为48006400kW,最低计算速度为4851.5km/h,最高速度100m黧啪加mm龇弱娜从叭7B.甚00船枷从曲72011年第3期孔惠惠:大功率交流机车与直流机车牵引性能比较分析143km/h.和谐型机车采用交直交传动,持续功率速度,满足我国对货物列车提速的要求.在72OO10000kW,是传统机车功率的1.52本次对交,直流机车加速性能进行了模拟,为倍,最低计算速度为7O82km/h,提高45方便比较,在模拟过程中分别以直流机车最低计算59,最高速度达到120km/h,提高20.交流速度48km/h,交流机车计算速度70km/h为分界机车功率的大幅提高,使得列车在加速过程中牵点,将列车运行速度划分为三段进行模拟,以下为引力得到较大提高,提高了列车在运行过程中的平坡牵引4000t时加速性能模拟结果见表3.表3交,直流机车加速性能模拟表.048km/h4870km/h7090km/h90120km/hO90km/h0120km/h时问/s距离/m时间/s距离/m时间/s距离/m时间/s距离/m时间/s距离/m时问s距离mSS71721196128214019644244967760HXD110169061965691552154440023132073857607HXD313693985139710323012497270324463757311907HXD1B120969661086701569150439525636244068019由表3可以看出:当列车从0加速到48km/h时,交流机车HX.3所需时间和距离比SS缩短了21左右,HX.1B则缩短了3O%左右;交流机车HXol较SS所需时间和距离缩短2O左右.可见在起动过程中,交流机车比直流机车加速度大,达到相同速度时交流机车所需时间和运行距离都比较短,也就是说交流机车可以减小列车的起动时间,增加通过能力.当机车牵引力受动力传动装置功率和性能限制时,速度由70km/h加速到90km/h,直流机车SS需要时间3.3min,运行距离为4.4km;而同行距离为2.3km,运行时间和运行距离均比SS缩短了一半.通过以上分析可以看出,在这一加速过程中,交流机车所需时间比直流机车缩短了5O9/6以上,交流机车的这一特点将会很大程度上缩短列车区间运行时分.3交直流机车均衡速度比较列车在区间运行时,随着速度的增加牵引力不断减小,最终以适应线路条件的均衡速度运行,列车均衡速度越高其运行时间越短,表4为交直轴数的交流机车HX.3所需时间为1.7min,运流机车在不同坡度的均衡速度.表4交直流机车均衡速度比较从表4中可以看出,相同牵引质量条件下,相同坡道上交流机车的均衡速度比直流机车高2O以上.牵引质量为35004000t时,交流机车在3的坡度上均衡速度均高于100km/h,即使在6的坡度上,HXD1,HXD1B牵引5000t时,其均衡速度也在8Okm/h以上;而直流机车牵引4000t时,在4坡度上均衡速度不足8Okm/h,比交流机车低近2O左右.因此,当区间内有长大上坡道时交流机车仍能以较高速度运行,随着坡度和牵引质量的增加,直流机车均衡速度越来越接近其计算速度,当区间遇到长大坡道时直流机车只能以较低的速度运行,严重影响了区间的通过能力.因此,当牵引质量相同时,采用交流机车可以提高列车的运行速度,这对列车提速是非常有利的.4交直流机车牵引质量及坡度适应性分析4.1起动牵引质量如章节2中所述,起动牵引力主要由机车粘着系数和粘着质量决定,起动牵引力的大小同时决定了货物列车起动牵引质量的大小,其计算公式如下:c一=c.o器鬯g0Lg十2口Xl(3)797274.635367122538680903175O801131O5088202iO7OO009222O2O9099212O90O009222;l038064.635286465538684268876O8OIl28O50872O2l1154OO09922ZlO80O0O92Z2;l叫吣牙鼢瞰姒孔惠惠:大功率交流机车与直流机车牵引性能比较分析2011年第3期式中:F.为起动牵引力;为机车牵引力使用系数;P为机车质量;为机车起动单位基本阻力;为车辆起动单位基本阻力;i为起动坡度.各类型机车由起动牵引力决定的起动牵引质量见表5.表5交,直流机车不同坡度起动牵引质量表由表5可见,相同轴重的六轴,八轴交流机车较直流机车起动牵引质量提高79/68,起动牵引质量提高不明显;25t轴重的和谐B系列大功率机车较六轴直流机车起动牵引质量提高l7左右.由此可见,大功率机车虽然粘着性能较好,但对于提高起动牵引质量不明显,只有提高轴重才能明显提高起动牵引质量.4.2计算牵引质量列车在限制坡道上以机车计算速度等速运行时,列车可以牵引的牵引质量为计算牵引质量2,其大小主要由机车最大计算牵引力决定,其计算公式如下:G一Leo簧口十2zglU(4)式中:FJ为计算牵引力;为机车牵引力使用系数;P为机车质量;为机车单位基本阻力;为车辆单位基本阻力;i为限制坡度.各类型机车不同限制坡道上计算牵引质量见表6.表6交,直流机车不同坡度计算牵引质量表限制坡度计算牵引质量/t由表6可以看出,八轴机车中在相同坡道上HX.l计算牵引质量较直流机车提高109/5左右;而六轴机车中HX.3计算牵引质量反而小于SS直流机车,HXo1B相同坡道上计算牵引质量略高于SS直流机车.这主要是因为大功率机车计算速度较高,而与之对应的计算牵引力比直流机车提高不大,从而使得计算牵引质量提高不大.由此可见,采用大功率机车并不能大幅度提高线路的计算牵引质量.4.3交直流机车牵引质量及坡度适应性分析由以上分析可以看出,大功率交流机车由于粘着系数提高不大,在起动过程中相同轴重的大功率交流机车与直流机车起动牵引质量相差不大,只有通过提高轴重才能提高起动牵引质量.对于计算牵引力,在相同坡道上由于大功率机车计算速度较高,电机的大功率主要用于提高列车的运行速度,而对提高牵引质量贡献不大.5结语通过对交,直流机车加速性能的比较可以看出,在起动过程中牵引力主要受粘着牵引力限制,相同轴数的交流机车由于其粘着性能的提高,起动牵引力比直流机车略大,使得交流机车牵引的列车起动快,在短时间内达到较高速度,缩短了列车的起动附加时分.在加速过程中,交流机车凭借较大的功率,具有较高的加速度,相同坡道和相同牵引质量条件下大功率机车能够达到较高速度,对列车提速非常有利.但由于大功率交流机车计算速度较高,电机的大功率主要用于提高列车的运行速度,而对提高牵引质量贡献不大.而对于因平纵断面条件差,线路速度达不到12