第3章 矿井轨道运输

1、第三章第三章 矿井窄轨铁路运输设备矿井窄轨铁路运输设备 机车是轨道车辆运输的一种牵引设备。 按使用的动力分，有电机车和内燃机车。 牵引电机(或内燃机)驱动车轮转动，借 助车轮与轨面间的摩擦力，使机车在轨 道上运行。在这种运行方式下，它的牵 引力不仅受牵引电机(或内燃机)功率的 限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约。 机车运输能行驶的坡度有限制，运输轨 道坡度一般为3，局部坡度不能超过 30。 第一节第一节 概概 述述 P目前我国煤矿的运输机车基本都是电机车， 使用的是直流串激电动机。按供给直流电源 的方式分，有架线式和蓄电池式两种。 架线式电机车的供电方式如图4-1所示。交 流电在变流所整流后，正

2、极接在架空线上， 负极接在轨道上。架空线是沿运行轨道上空 架设的裸导线，机车上的受电弓与架空线接 触，将电流引入车内，经车上的控制器和牵 引电动机，再经轨道流回。因此架线式电机 车的轨道必须按电流回路的要求接通。 图4-l 架线式电机车的供电系统 1-牵引变流所；2-馈电线；3-架空线；4-受电弓； 5-矿车；6-轨道；7-回电线 架线式电机车运行时，受电弓与架空 线间难免产生火花 ，煤矿安全规程 规定，只能在低沼气矿井进风（全风压通 风）的主要运输巷道内使用，巷道支护 必须使用不可燃性材料。 蓄电池式电机车由车上携带的蓄电池 供电，运输线路不受限制，但需要充电设 施，蓄电池放电到规定值时需更

3、换。 蓄电池式电机车有矿用增安型和矿用防爆 特殊型两种。 增安型的电动机、控制器、灯具、电 缆插销等为隔爆型或增安型，蓄电池和 电池箱为普通型。 防爆特殊型的电动机、控制器灯具、 电缆插销等为隔爆型，蓄电池为防爆特 殊型。蓄电池式电机车两端设司机室， 对安全运行有利。 矿用电机车在井下巷道运输中得到广泛应用，它 有下列些优点： 牵引力大。机车采用直流串激牵引电动机， 该电机特性能使机车获得较大的牵引力。 维护费用小。电机车运行速度较高，最高可 达26 kmh，而且只用司机一人操作就可以，所需 辅助人员少，维护简单，动力消耗不大。 可改善劳动条件。电机车运行不受气候的影 响，由于采用电力拖动，不

4、会产生废气，避免了空 气污染，大大改善了劳动条件，保证了井下工人的 安全。 电机车运输的缺点：基建投资较大(架线 式电机车要铺设轨道、安架空线、设牵 引变流所)；架线式电机车需要有较大的 巷道断面，会产生不良的泄漏电流，而 蓄电池式电机车蓄电池组成本较高。 电机车运输的发展方向： 电机车运输高度自动化； 使用新型电机车，如德国采用了交流 工频架线式电机车； 改进矿车结构，使用大容积的矿车。 第二节第二节 矿井轨道与车辆矿井轨道与车辆 一、矿井轨道 v矿井轨道矿井轨道: 将钢轨按一定要求固定在线 路上构成的，是机车运行的基础件。 v标准窄轨的结构如图42所示轨道线 路由下部建筑、上部建筑两部分组

5、成由下部建筑、上部建筑两部分组成。 下部建筑主要是巷道底板和水沟，上部 建筑是钢轨、联接零件、轨枕和道床。 42 标准窄轨的结构 1-钢轨；2-道钉；3-轨枕；4-道床；5-底板；6-水沟 v 轨道线路的主要参数:轨距、轨型、坡度、曲率轨距、轨型、坡度、曲率 半径。半径。,如图4- 3所示。国内标准轨距有600，762，900mm。(火 车标准轨距为1435mm,窄轨为762和1000mm) v 因为机车能牵引的坡度很小，所以轨道的坡度 用高差和间距之比表示，通常用i表示。 v 矿井用的钢轨属轻轨系列，钢轨的型号用每米 长 的 质 量 ( k g m ) 表 示 。 矿 用 轻 轨 系 列 按

6、 YB(T)23-86规定有9，12，15，22，30kgm五 种。矿用钢轨不仅要耐磨还要耐腐蚀。 道岔：是轨道线路的分支装置，如图4-4。 道岔由基本轨、尖轨、辙叉、护轮轨、转辙 轨、转辙机构及一些零件组成。道岔按轨距 轨型有标准系列规格。搬动道岔的转辙机构 有手动搬道器、弹簧转辙器和电动转辙机。 在特定的运行条件下可使用弹簧转辙器。用 电动转撤机对道岔可进行远距离操作和监视， 现已有定型产品。 主要运输巷道轨道的维修质量必须符合下列 要求： (1)更换钢轨时，应选用同类型钢轨； (2)扣件齐全、牢固并与轨型一致，轨道接 头的间隙不得大于5mm，高低和左右错差都 不得大于2mm； (3)两条

7、钢轨顶面除曲线段外，高低差不得 大于5mm； (4)轮距的任何部位上、下偏差都必须在 +5mm和-2mm范围之内； (5)轨枕的规格数量和间距应符合设计要求， 轨枕无失效。轨枕之间道碴填实，道床材质 及厚度应符合标准。道床应经常清理，无杂 物，无浮煤。 架线式电机车使用的钢轨接缝处有专门的 技术要求。 轨道线路的结构完整，规格达标，是列车 安全、稳定运行的基础，不能忽视 。 二、矿用车辆 矿用车辆有标准窄轨车辆、卡轨车辆、单 轨吊挂车辆和无轨机动车辆。标准窄轨车标准窄轨车 辆就是通常说的矿车辆就是通常说的矿车。这种矿车是目前 我国煤矿使用的主要车辆。 (一)矿车的类型及标准规格 煤矿使用的矿车

8、类型很多，按结构和用 途分有以下几种： 图4-5 矿用车辆 (a)固定车箱式 (1)固定车箱式矿车，如图4-5(a)所示，这种 车需用翻车机卸车。 (b)翻转车箱式 (2)翻转车箱式矿车，车箱能侧向翻倾卸车。 (c)底卸式 (3)底卸式矿车，车底开启卸车，在专设的卸载 站，整列车在运行中逐个开启自卸，如图4-6所 示。底卸式矿车按车底开启的方向，有正底卸 式和侧底卸式之分，侧底卸式卸车情况如图4-7 所示。 图4-6 正底卸式矿车的卸载 1-车箱；2-卸载曲线；3-卸载轮；4-轮对； 5-底门转轴；6-底门；7-煤仓 图4-7 侧底卸式矿车在卸载 站开启底门 底卸式矿车的主 要优点：进卸载站

9、的行车方向不受限 制，卸载时的车速 易控制，卸载曲轨 不受撞击。底卸式 矿车装卸能力很高， 能满足大型矿井的 需要。 图4-8 材料车 (4)材料车，如图所示，专为装运长材料用。 平板车 (5)平板车，如图所示，装运大件设备用。 (6)人车：有座位的专用乘人车。 分斜井人车、平巷人车两种。每辆斜井人车 上都有防坠装置，在运行中断绳时，能自动平稳地 停在轨道上。 停车装置有插爪式、抱轨式两种。 插爪式斜井人车在运行中断绳时，弹簧-拉杆 式开动机构将插爪的锁钩打开，插爪靠其自重下落， 插入道床中（如图4-9的虚线位置）。 抱轨式斜井人车一般由两节头车和若干辆挂车 组成一列，头车上有抱轨式制动装置、

10、开动机构、 缓冲装置等（图4-11）。 图4-9 插爪式斜井人车 1-车体；2-双轴转向架；3-防坠装置的滑架；4-制动插爪； 5-主拉杆；6-手动拉杆；7-传动弹簧；8-制动缓冲木 图4-10 插爪式斜井人车的停车过程 图4-11 抱轨式斜井人车 1-手动操纵装置(一)；2-闭锁装置；3-轨体；4-主拉杆； 5-制动装置；6-轮对；7-缓冲装置； 8-连接链及碰头； 9-手动操纵装置(二)；10-照明灯 (7)梭车，如图4-12所示。车底装有刮板链，是在 短距离内运送散料的特殊车辆，可用于掘进工作面 运煤矸。 r工作原理：在工作面向车箱内装满一堆时，开动 车底的刮板链，将料堆移动一个距离，继

11、续装车。 直到将全车箱装满。装满车箱后，将梭车牵引到转 载点，开动刮板链卸载，卸空后牵回工作面再进行 装载。 (8)仓式列车，它与梭车的相同之处是车底装有刮 板链，不同之处是由多节短车箱铰接构成。 此外还有各种专用车辆，如炸药车、水车、消 防车等。 图4-12 梭车 (二)矿车的基本参数及尺寸 矿车已有国家标准，煤矿矿车基本 参数及尺寸列于 表43表46中。 三、矿车的基本部件 矿车的基本部件是车箱、车架、轮对、连 接器。 (一)车箱 车箱是矿车装盛物料的箱形容器。 固定车箱式矿车的车箱多采用半圆形车底， 不仅加工方便，还有利于机械化清理车底的 粘附物。采用低合金钢板制造车箱，耐磨和 耐腐蚀性

12、好。钢板厚度主要是考虑耐腐蚀的 要求。为增加箱体的刚度，常在钢板上压出 凸棱、箱口焊加角钢，箱底开排水孔。 底卸式矿车的车箱为可开启的平底，车箱下 口的两侧有翼板，供卸载时支承运行，下口 应有足够的刚度，防止变形。 (二)车架 车架包括车梁、缓冲器和轴卡。 r车梁是矿车的主要承载部件。除了车箱重力 和牵引力外，在运行中要承受很大的冲击、 振动等附加载荷。车梁一般用专用型钢制造。 r缓冲器是直接承受牵引和冲击的部件，过去 大多采用螺旋弹簧吸收冲击，近来也有用橡 胶弹簧的。 r轴卡是车架与轮对的联接件，目前多采用插 销式。这种轴卡结构简单、拆装方便、运行 可靠。 (三)轮对 P轮对是矿车的走行部分

13、，按结构不同，有 开式和闭式两种。 开式轮对的车轮有端盖，如图4-13(a)所 示，便于拆装和调整轴承间隙，但是端盖增 加了轴承进水的机会并易丢失。 闭式轮对的车轮无端盖，如图4-13(b)所 示，检修拆装轴承时，两轴承通过同一内孔， 容易造成内孔加大而失效。 (四)连接器 目前矿车使用的连接器都是牵引链型，由牵引 链、插销和插销座组成。牵引链有单环，三环和万 能链三种。万能链用于不摘钩翻车机卸载。插销座 与缓冲器铸成一体。 连接器是涉及重大安全问题的部件，煤矿安 全规程对连接器有严格的规定。 矿车的连接钩环、插销和无极绳运输的连接装 置的安全系数都不得小于6。上绳式无极绳运输用的 连接装置的

14、安全系数不得小于8。运送人员车辆的每 一个连接器、钩环和保险链的安全系数都不得小于 13。 第三节第三节 轨道车辆运输的辅助机械设备轨道车辆运输的辅助机械设备 轨道车辆运输的辅助机械设备主要有翻车 机、推车机、阻车器、爬车机。 一、翻车机 翻车机是固定车箱式矿车的卸车设备， 如图4-14所示。 组成：滚筒、传动轮、支撑轮、定位装 置、传动装置、阻车器、底座、挡煤板等主 要部件。 图4-14 电动翻车机 1-滚筒；2-挡煤板；3-定位装置；4-传动轮；5-底座； 6-阻车器；7-支撑轮 分类： r 按卸车时滚筒的旋转方向，有左侧式和右 侧式之分； r 按卸车时是否需要将车组中的矿车摘钩， 有摘钩

15、和不摘钩之分； r 按滚筒中能容纳的矿车数不同，有单车和 双车之分。 还可按轨距和矿车吨位划分为不同规格。 二、推车机 推车机是在短距离内推动矿车的设备，分 列车推车机和装罐推车机两大类。 z 列车推车机是在翻车机前的推车设备， 与翻车机配合进行卸载作业。图4-15所示是已 有标准设计的圆环链列车推车机，圆环链上的 推爪从底部推动矿车。 z 装罐推车机是向罐笼推送矿车的设备， 它的种类很多，按动力分有电动和风动；按推 车机构分有钢丝绳式、链式及其他。各种推车 机各有其特点和适用条件。 图4-15 圆环链列车推车机 1-传动装置；2-头轮组；3-头轮支架；4-推爪小车； 5-小车轨道；6-尾部拉

16、紧装置 三、阻车器 阻车器是窄轨线路上的停车装置，用 于翻车机之前或翻车机之内、罐笼前或罐 笼内、斜井井口及其他需要的场所。阻车 器有许多种形式，各适用于不同场所的需 要。翻车机内的阻车器见图4-14。 四、爬车机 爬车机是在矿车自重滑行线路上，用于补偿线 路的高度损失，使矿车升上一定高度的设备。图 4-16所示是PH型圆环链爬车机。圆环链连续循环 运转，单个矿车滑行到爬车机下部进口处，被圆 环链上的爬车爪推动，沿导轨向上运行，到爬车 机的上端，矿车在下坡轨道上靠自重滑行，脱离 爬车机。为防止因事故向下跑车，在爬车机斜坡 上较密集地设置了长爪逆止器，逆止器既能阻挡 轮轴，又能阻挡缓冲器，从而保

17、证了安全。 图4-16 PH型圆环爬车机 1-传动装量；2-导向轮；3-圆环链；4-爬车爪；5-联接环； 8-长爪逆止器；7-尾轮裴置；8-护轨；10-主横粱 第四节第四节 矿用电机车的机械设备及电矿用电机车的机械设备及电 气设备气设备 一、矿用电机车的机械设备一、矿用电机车的机械设备 机械设备：车架、轮对、轴承和轴箱、弹 簧托架、制动装置、加砂装置、齿轮传动装 置及联接缓冲装置等。 如图4-17所示为ZK型矿用架线电机车构造 示意图。 图4-17 架线式电机车的基本构式 1-车架；2-轴承箱；3-轮对；4-制动手轮；5-砂箱； 6-牵引电动机；7-控制器；8-自动开关；9-启动电阻器；10-

18、受电弓； 11-车灯；12-缓冲器及联接器 ( (一一) )车架车架 车架是电机车的主体结构，是由钢板焊 接而成的。电机车上所有设备都安装在车架 上，车架用弹簧托架和铁棒支承在轴箱上。 (二)轮对 轮对是由两个压装在轴上的车轮和一根 车轴组成的。如图4-18所示，车轮是由轮心2 和轮圈3热压装配而成的。这种结构的优点是 轮圈磨损后可以更换，而不致使整个车轮报 废。矿用电机车采用双主动轴。 ( (三三) )轴承和轴箱轴承和轴箱 车轴通过轴承和轴箱承受车架及其上全 部设备的重力，轴箱安装在车轴两端的轴颈 上。图4-19所示为矿用电机车的轴箱，箱内 装有一对滚柱轴承4，箱壳两侧的滑槽9与车 架相配，

19、在不平的轨道上运行时，轮轴能在 车架中上下移动。轴箱上部有弹簧托架，此 弹簧托架可起缓冲作用。在箱壳上部有安装 弹簧托架铁棒的座孔8。 图419 矿用电机车的轴箱 1-油箱体；2-毡垫；3-止推环；4-滚柱轴承；5-止推盖； 6-轴箱端盖；7-轴端盖；8-注孔；9-滑槽 ( (四四) )弹簧托架弹簧托架 弹簧托架的作用：缓和运行中对机车的作用：缓和运行中对机车的 冲击和震动冲击和震动。图4-20所示为矿用电机车的均 衡托架，前轴(右轴)上的弹簧托架单独作用， 后轴(左轴)上的弹簧托架的一端固定在车架 上，另一端用均衡梁2连接，均衡梁2的中点 用铰轴安在车架上。均衡梁的作用是：当有 一个车轮的负

20、荷增加时(例如轨道局部突起)， 能通过均衡梁的作用把负荷分配到另一个车 轮上去一部分，以避免一个车轮过载，一个 车轮欠载。 ( (五五) )制动装置制动装置 作用：在运行中迅速减速和停车。 制动装置有机械的和电气的两种，电气制 动装置不能使电机车完全停住，因此每台 电机车都装有机械制动装置。机械制动装 置按操作方式分有手动和气动两种。图4- 21所示为电机车机械制动装置图，四个车 轮的内侧各装一个闸瓦9(或10)，闸瓦铰接 在制动杆7或8上。 图4-21 电机车机械制动装置 1-手轮；2-螺杆；3-衬套；4-螺母；5-均衡杆；6-拉杆； 7、8-制动杆；9、10-闸瓦；11-正反扣调整螺丝 (

21、 (六六) )加砂装置加砂装置 r 作用：向机车车轮前的钢轨上撒砂，以增大 粘着系数。 r 加砂装置包括有四个砂箱，这四个砂箱由司 机室中上、下两个手柄操纵，一个手柄操纵两 个砂箱。两个手柄均靠弹簧复位，如图4-22所 示。当拉动一个手柄时，手柄臂将拉杆1向左拉， 于是摇臂2将拉杆3向上提，锥体4向上与砂箱底 之间拉开一条缝，砂子由此缝流出，经出砂导 管5落在轨面上。砂箱中装有颗粒不大于1mm的 干砂。 图4-22 矿用电机车的加砂装置 1、3-拉霜；2-摇臂；4-锥体；5-出砂导管； 6-弹簧 ( (七七) )齿轮传动装置齿轮传动装置 r 在小型矿用电机车上，用一台牵引电动机通 过传动齿轮同

22、时带动两个轴的传动方式。 r 在中型矿用电机车上，用两台牵引电动机分 别带动两个轴。传动装置为一级齿轮减速。 如图4-23所示，牵引电动机的一侧用抱轴 承安在车轴上，另一侧用机壳上的挂耳通过弹 簧吊挂在车架上。这种安装方式既能缓和运行 中对电动机的冲击和震动，又能保证传动齿轮 处于正常啮合状态。 图4-23 矿用电机车的齿轮转动装置 (a)单级开式齿轮传动；(b)闭式齿轮减速箱 ( (八八) )联接缓冲装置联接缓冲装置 矿用电机车的前后两端都有联接和 缓冲装置。为了能牵引具有不同联接高 度的矿车，联接装置一般是做成多层接 口的，如图4-16所示。缓冲装置有刚性 和弹性两种，蓄电池式电机车用弹性

23、缓 冲装置，以减轻对蓄电池的冲击，架线 式电机车用刚性缓冲装置。 二、牵引电动机及其控制 ( (一一) )直流串激电动机的特性直流串激电动机的特性 目前矿用电机车都采用直流串激电动 机作牵引电动机，与其他激磁方式的直流 电动机比较，直流串激电动机的优点优点： (1)串激电动机启动时，能以不大的电 流获得较大的启动转矩，因而在要求相同 的启动转矩条件下，可采用较小功率的电 动机。 (2)串激电动机的转矩和旋转速度随着 列车运行阻力及行驶条件而自动地进行调 节。 这种特点是由于串激电动机具有软的 牵引特性(见图4-24)所决定的。当电机车 上坡行驶或负荷较大时，需要较大的牵引 力，随着牵引力的增大

24、，电动机的转速会 自动地降低。这样，既保证了运行安全， 又不致从电网吸取过大的功率。 (3)两台串激电动机并联工作时，负荷分配比较 均匀。由于两台电动机特性有差异或前后车轮直 径不相等，两台电动机的转速不等，会引起各电 动机负荷电流不相同，但由于其牵引特性较软， 因而负荷电流差异很小，约在510范围内。 这样，可以避免个别电动机在运转中因负荷不均 匀而产生严重过负荷现象。 (4)当架空电网的电压变动时，只影响串激电动 机的转速，而不影响其转矩。这样，就使得当架 空电网的电压降很大时，电机车也能启动。 此外，串激电动机构造简单、体积和 质量都较小，也是其重要的优点。 但是，串激电动机也有缺点，如

25、调整 性能差等。 r 牵引电动机的特性：指运行速度v,轮缘牵引 力F以及效率与电枢电流之间的关系，即速度 特性=f1(I)，牵引力特性F=f2(I)及效率特性 =f3(I)，这些特性均用曲线表示。 图4-24及图4-25分别为ZQ-21型及ZQ-24型牵 引电动机的特性曲线。 r牵引电动机的功率分长时功率和小时功率。 长时功率：指在电机绝缘材料的允许温升条 件下电机长时运转时能够输出的最大功率，主 要取决于电机的散热能力。 小时功率：指在允许温升条件下，电机 连续运转一小时的最大功率，它是牵引电 动机的额定功率，它主要取决于电机的绝 缘材料和冷却性能的好坏。 r 与功率相对应的电流牵引力和转速

26、也有 长时制和小时制之分。 (二)牵引电动机的启动 1. 1.启动原理启动原理 牵引电动机在静止时电枢绕组内没有反 电势，而绕组本身电阻又很小，因此，如果 在启动时把牵引电动机直接接至全电压电网， 则在静止的电动机各绕组中通过的电流很大， 会引起绕组很快发热甚至烧毁。此外，还会 产生很大的转矩，引起机械部分的损坏。为 了限制启动时的电流冲击，并保持一定的电 流数值，普遍采用在牵引电动机的电路中串 接启动电阻和将两台牵引电动机串并联的方 法进行启动。 2 2启动方法启动方法 (1)(1)串接电阻的启动方法串接电阻的启动方法。 若已知允许的启动电流，并测出电动机绕组 的电阻值，便可以确定启动电阻值

27、。但是，随着 电动机旋转速度的增加，若启动电阻固定不变， 则电枢电流将减小，电机车的牵引力也随之减小。 为了保持牵引力不变，必须相应地减小启动电阻 值。显然，理想的启动应是使启动电阻的数值无 级地减小，也就是说要保证每瞬间的启动电流固 定不变。但实际上要使启动电阻无级地减小，其 控制是比较困难和复杂的。解决这个问题的方法， 是将可控硅脉冲技术用在电机车上，以实现无级 调速和平稳启动。 (2)(2)串并联启动方法。串并联启动方法。 矿用电机车还采用了两台牵引电动机串 并联启动的方法。开始启动时，第一步先 将两台电动机串联，并加入启动电阻RP如 图4-26所示，然后逐段切除电阻，直至 RP=0。第

28、二步是将两台电动机并联，加入 适当的电阻Rp。然后逐段切除，直至两台 电动机不带电阻并联运行，这时电机车即 达到全速运行。 (三)牵引电动机的调速 1 1改变电动机的端电压改变电动机的端电压 (1)(1)串联电阻法。串联电阻法。电路内串联接入一个电阻， 通过改变此电阻的数值来调节电动机的端电压。 但是这个方法很不经济，因为在电阻器中将消 耗大量的电能，所以电阻器实际上只能作为启 动之用，而不应该用来调速。 (2)(2)串并联法。串并联法。改变两台牵引电动机的联接 方式(串并联法)是一种经济的调速方法，但选 种调速方法平滑性较差。因为矿用电机车对调 速的要求不高，一般正常运行为并联(高速)， 过

29、道岔及弯道时为串联(低速)。 (3) (3)可控硅脉冲调速法。可控硅脉冲调速法。在牵引电动机的电路 中串联可控硅元件，利用可控硅断续供电改变电 动机端电压的平均值，以达到调速的目的。 2.改变电动机的磁场强度 单电机小型矿用电机车采用这种方法。 (1)(1)改变激磁绕组的匝数。改变激磁绕组的匝数。为了改变激磁绕组 的匝数，需要把激磁绕组分为两组，如图4-27(a) ， 当两组激磁绕组全部接入主电路时，磁场强度最 大，电动机旋转速度最低。当只有一组激磁绕组 接入主电路时，由于激磁绕组的匝数减少，因此， 磁场被削弱，电动机旋转速度增高。 (2) (2)改变激磁绕组的接线。改变激磁绕组的接线。 改变

30、激磁绕组的连接方式，如图4- 27(b)所示。串联时为满磁场，电动机旋转 速度最低。激磁绕组并联时将削弱磁场， 电动机旋转速度增高。这种方法的优点是 经济性和平滑性好。但调速范围有一定的 限制。 ( (四四) )电气制动电气制动 矿用电机车的电气制动大多数是采用 动力制动，或称能耗制动。 原理原理：根据牵引电动机在一定工作条 件下可以转变为发电机运转的可逆性。当 牵引电动机转变为发电机工作时，列车的 动能转变为电能，这时，电流将转变为相 反的方向，使电动机轴上产生制动力。在 进行电气制动的过程中，将产生的电能直 接消耗在电阻器上。 动力制动的优点：不从电网吸取电能， 线路比较简单，同时产生的机

31、械冲击也不大。 缺点：制动过程中，电动机中有电流通 过，因此电机绕组的温升要增大，故牵引电 动机的功率比不用动力制动者增加1520 。此外，采用动力制动不能达到完全停车， 还需使用闸瓦制动。 r 要实现动力制动必须解决两个问题：要实现动力制动必须解决两个问题： 一是制动前后串激磁场中的电流方向不能 改变，否则会产生去磁作用而失去制动力； 二是在制动时两台电动机均变成串激发电机， 其负荷为同一个制动电阻器，相当于两台串 激发电机并联运行，而串激发电机的并联运 行是不稳定的。 为了解决上述两个问题，必须采用两台必须采用两台 电机的激磁绕阻交叉联接线路或交叉一桥式电机的激磁绕阻交叉联接线路或交叉一桥

32、式 联接线路。联接线路。目前ZK型架线式电机车的电气制 动线路都是采用交叉一桥式联接线路。 第五节第五节 列车运行理论列车运行理论 列车运行理论是研究作用于列车上的各种力与 其运动状态的关系以及机车牵引力和制动力的 产生等问题。 一、列车运行基本方程式一、列车运行基本方程式 在讨论列车运行基本方程式时，为简化起 见，假定电机车与矿车之间、矿车与矿车之间 的联接都是刚性的，因而在运动的任何瞬间列 车中各部分的速度或加速度都是相同的，把整 个列车当做平移运动的刚体看待与实际情况虽 有差异，但其结果对应用影响不大。 列车运行有以下三种状态： (1)(1)牵引状态牵引状态，列车在牵引电动机产生的牵引

33、力作用下加速启动或匀速运行； (2)(2)惯性状态，惯性状态，牵引电动机断电后列车靠惯性 运行，一般这种状态为减速运行； (3)(3)制动状态，制动状态，列车在制动闸瓦或牵引电动机 产生的制动力矩作用下减速运行或停车。 ( (一一) )牵引状态的列车运行基本方程式牵引状态的列车运行基本方程式 列车在牵引状态(加速运行)下，沿着运行 方向作用在列车上有牵引力F、静阻力Fj、惯 性阻力Fa。根据力的平衡原理，列车在牵引状 态下的力平衡方程式为： 1. 1.惯性阻力惯性阻力 列车在平移运动的同时，还有电动机的 电枢、齿轮以及轮对等部件的旋转运动。为 了考虑旋转运动对惯性阻力的影响，用惯性用惯性 系数

34、来增大平移运动的惯性阻力。系数来增大平移运动的惯性阻力。 0 aj FFF (4-1) 因此，惯性阻力Fa可用下式表示: 式中：M为电机车和矿车组的全部质量， m=(P+Q)1000 kg； P为电机车质量；Q为矿车组质量； 为惯性系数； a为列车加速度。 将m值及值代式(42)，得： amFa)1 ( aQPFa)(1075(4-3) (4-2) 2 2静阻力静阻力 列车运行的静阻力包括基本阻力、坡道阻力、静阻力包括基本阻力、坡道阻力、 弯道阻力、道岔阻力及气流阻力弯道阻力、道岔阻力及气流阻力等。对于矿用电 机车，由于运行速度低，后三者都不予考虑，只 考虑基本阻力和坡道阻力。 (1)(1)基

35、本阻力基本阻力 基本阻力是指轮对的轴颈与轴承间的摩擦阻 力、车轮在轨道上的滚动摩擦阻力、轮缘与轨道 间的滑动摩擦阻力以及列车在轨道上运行时的冲 击震动所引起的附加阻力等。通常基本阻力是经 过试验来确定的。 有了阻力系数以后，基本阻力可按下式 计算： 式中：F0为基本阻力,N；g为重力加速度， 取9.8 ms2；为列车运行阻力系数。 (2)(2)坡道阻力坡道阻力 坡道阻力是列车在坡道上运行时，由于 列车重力沿坡道倾斜方向的分力而引起的 阻力。 gQPF)(1000 0 (4-4) 设为坡道的倾角，则坡道阻力为： 在计算时，如列车为上坡运行，上式右端 取“+”号，如为下坡，则取-号。 一般情况下，

36、电机车运行轨道的倾角都很 小，因此sintan，而tan=i。式中i为轨道坡 度()。 将前面两式代入式(4-5)，即得： sin)(1000gQPF i igQPFi)(1000 (4-5) (4-6) 列车运行的静阻力应为基本阻力和坡道阻列车运行的静阻力应为基本阻力和坡道阻 力之和力之和，即： 将式(4-3)和式(4-6)代入式(4-1)，便得到牵引 电动机所必须产生的牵引力为： 上式就是列车在牵引状态下的运行基本方程 式，利用这个方程式可求出在一定条件下机 车所必须给出的牵引力，或者根据电机车的 牵引力求出列车中的矿车数。 giQPFj)(1000 ij FFF 0 705. 1)(10

37、00agiQPFj (4-7) (4-8) ( (二二) )列车惯性状态的运行方程式列车惯性状态的运行方程式 在惯性状态下，电机车牵引电动机断电， 牵引力等于零，列车依靠断电前所具有的动 能或惯性继续运行。在这种情况下，列车除 了受有静阻力Fj外，还受到由于减速度所产生 的惯性阻力Fa。 Fa与列车运行方向相同，正是 它使列车继续运行。惯性状态时列车力的平 衡方程式为： 0 aj FF(4-9) 或 (4-10) (4-11) 由此可见，当列车运行阻力系数一定时，惯性 状态的减速度取决于轨道坡度的大小和上下坡。 上坡时减速度始终保持正值，直到停车为止。 下坡时，如i，则变为负值，此时不再是减

38、速而是加速运行了。可见，惯性状态是很不可靠 的，操作时应予以特别注意。 ()1.0750i ga () 1.075 i g a (三三)制动状态的运行方程式制动状态的运行方程式 在制动状态下，牵引电动机断电，牵引力等于 零，并利用机械或电气制动装置施加一个制动力 B。这个制动力与列车运行方向相反，在力的平 衡方程式中应为负值，与静阻力的性质和方向一 致。在制动力和静阻力作用下，列车必定产生减 速度。此时，惯性阻力Fa却与运行方向一致，即 为正值。则制动状态下的力平衡方程式应为： 0 aj FFB (4-12) 所以 式中，Fa应代以减速时的惯性阻力，b表示制动 时的减速度，则： 将式(4-7)

39、及式(4-14)代入式(4-13)，即可得到制 动状态下列车运行方程式为： (4-15) 利用式(4-15)可以求出在一定条件下制动装置必 须产生的制动力；或者给定制动力，求出减速度 及制动距离。 ja FFB bQPFa)(1075 )(075. 1)(1000gibQPB (4-13) (4-14) 二、电机车的牵引力二、电机车的牵引力 如图4-28所示，主动轮对受到牵引电动机传 来的转矩M，转矩M对整个电机车而言属于内 力，它不能使电机车运动。 主动轮对还受到下面几个力的作用： (1)电机车分配在一个主动轮对上的那部分重 力P0g，它通过中心c作用在轮对上； (2)轨面对轮对的法向反力N

40、o，它作用于O点， 与P0g在一条直线上； (3)由于M的作用，轮对将有绕中心c作顺时针 方向旋转的趋势，而轮缘上的同轨面接触的那一 点O，相对于轨面来说，有向左滑动的趋势，因 此在轮缘上的。点受到轨面所给的切向摩擦反力 F0，其方向是向右的； (4)由于摩擦阻力FO的作用，使轮缘上同钢轨接 触的那一点O不会在轨面上向左滑动。理想情况 下，整个轮对将以O点为瞬时中心向前滚动，即 轮对作纯滚动运动。而轮对中心c点则作向前的 平移运动。此时，列车的一部分运行阻力将通过 电机车的联接器、车架及轴箱作用在轮对的中心 c点，这就是图中的Fc。 根据平衡条件得： 式中：R为主动轮对轮缘半径。 解上面的方程

41、组，得到： (4-16) (4-17) 00 0 0 0 0 0 C NP g FF MF R gPN oo R M FF co r 由上述分析可以看出，主动轮对得到一个转矩M 以后轨面对接触点o产生了一个摩擦反力F0，它的 方向与列车运行方向相同。正是这个摩擦反力F0克 服了列车的运行阻力FC而使列车向前作平移运动。 对于电机车来说，F0是牵引列车向前运动的外力， 称为牵引力或轮缘牵引力。 r F0与FC因大小相等方向相反，且作用在两条平行 线上，形成一对力偶。该力偶与转矩M大小相等而 方向相反，使转矩M得以平衡，从而使轮缘上的o点 不致于沿轨面滑动。这样，就使轮与轨面互相接触 的那一点好像

42、粘着在一起一样，所以F0称为粘着力。 由式(4-17)可知，当列车运行阻力增加 时，必然引起转矩M的增加，也就是说牵引电 动机必须给出更大的转矩。同时，轮缘牵引 力也必须同时增大，以平衡列车运行阻力使 列车向前运动。 但是，无论是电动机的输出转矩，还是 粘着力都不能无限制地增大。电动机输出的 牵引力牵引力(由转矩转换成的轮缘牵引力)受到电受到电 动机的温升条件限制动机的温升条件限制。 粘着力，它本质上是摩擦力，受到摩擦条件粘着力，它本质上是摩擦力，受到摩擦条件 或者叫做粘着条件的限制。或者叫做粘着条件的限制。单个主动轮对能 够产生的最大轮缘牵引力为： 式中；P0为粘着质量，即电机车分配在该主

43、动轮对上的一部分质量，t； g为重力加速度，取9.8ms2； 为粘着系数。 gPFo 0max 1000 (4-18) r为了使主动轮对的轮缘上同轨面的接触点在使主动轮对的轮缘上同轨面的接触点在 轨面不发生相对滑动轨面不发生相对滑动，该主动轮对产生的轮缘 牵引力F0应满足： 这就是单个轮对的粘着条件单个轮对的粘着条件。 以上分析是就一个主动轮对而言的，对于整台 电机车，能够产生的最大轮缘牵引力为： 式中：Pn为机车的粘着质量，t，若电机车的全 部轮对均为主动轮，则其粘着质量等于电机车的 总质量。 gPFo 0 1000 gPF n 1000 max (4-19) (4-20) 整台电机车的粘着

44、条件整台电机车的粘着条件是： 式中：F为电机车为克服列车运行阻力所必 须提供的牵引力，由式(4-8)根据不同运行状 态求出。 公式中关键的参数是粘着系数公式中关键的参数是粘着系数。在理想状 态下，也就是在车轮沿轨道作纯滚动运动的 情况下，粘着系数应为静摩擦因数。 gPF n 1000 (4-21) 三、制动力三、制动力 闸瓦制动器的结构如前所述，制动运行时， 作用在机车上的力有惯性力惯性力，静阻力静阻力和制动力制动力。 如图4-29所示，用一个制动轮对来说明制动 力的产生。P0g为制动轮对所分配的电机车重 力；N0为轨面对轮对的法向反力，显然，P0g = N0。当闸瓦施以正压力N1(作用在轮缘

45、的均 布力，以集中力代之)时，轮缘即产生切向滑切向滑 动摩擦力动摩擦力T0，其方向与车轮旋转方向相反。 轮缘即产生切向滑动摩擦力切向滑动摩擦力T0 式中： 为制动闸瓦与轮缘问的滑动摩擦因数， 取决于闸瓦衬垫的材料、运行速度及闸瓦比压； 在T0的作用下。车轮受到一个逆时针方向的转 矩。在这一转矩作用下，车轮轮缘上同轨面的接 触点O有沿轨面向前滑动的趋势。因而轨面对轮 缘将产生一个切向静摩擦力B0，它的方向与车轮 旋转方向相同，根据转矩平衡条件B0R-T0R=O得 出： 10 NT (4-22) 00 TB (4-23) 由此可见，B0就是电机车一个制动轮所产 生的制动力。在B0和静阻力Fj的作用

46、下，轮对 即列车减速运行，减速度为b，因而产生制动 的惯性力随Fa、B0及Fj一起与Fa正好平衡。 当T0增大时B0相应地增大，因而减速度也 增加，使列车能较快地制动住。 然而，制动力B0受粘着条件的限制。一个 制动轮对能够产生的最大制动力为： gPB 0max0 1000 (4-24) 整台电机车能够产生的最大制动力为： 式中：P0为一个制动轮对的制动质量，t； Pz为整台电机车的制动质量，t；对于全部 轮对均装有制动闸的电机车，此质量即为电 机车总质量，即Pz=P； 为制动状态的粘着系数。 在理想状况下，即在制动车轮保持纯滚动 的情况下，制动状态的粘着系数值应为静摩 擦因数值。 gPB z

47、 1000 max (4-25) 然而，对于电机车的四个车轮来说，有的 做纯滚动，有的既滚动又滑动。因此，制动制动 状态的粘着系数值介于静摩擦因数值与滑动状态的粘着系数值介于静摩擦因数值与滑动 摩擦因数值之间。摩擦因数值之间。 如果闸瓦的压力N1继续增加，以致使整个 电机车的制动力超过式(4-25)的数值，即把车 轮抱死时，则制动车轮轮缘。点将沿轨面向 前滑动。这时，制动力约减少一半，制动减 速度大大降低，制动距离却增大了。 因此，闸瓦压力不能过大，台理的闸瓦压力 应使制动力为 ： 如果闸瓦最大总压力为Nmax，总摩擦力为Tmax， 对于整台电机车来说，式(4-22)可以变为： 对整台电机车来

48、说，由式(4-23)可得到： gPB z 1000 0 (4-26) maxmax NT maxmax TB (4-28) (4-27) 把式(4-25)及式(4-27)代入式(4-28)，可求得： 或 式中：为闸压系数。 考虑到对于铸铁闸瓦，0.180.20， =0.090.17，故=0.50.94，为了保证车轮 不被包死，闸压系数值不应超过0.9。 gPgPN zz 10001000 max gPB z 1000 max (4-30) (4-29) 第六节第六节 电机车运输计算电机车运输计算 一、原始数据一、原始数据 电机车运输计算的原始数据是原始数据是：设计生产 率、加权平均运输距离和线

49、路平均坡度等。 二、选择电机车的粘着质量 选择电机车的粘着质量是一个技术经济问 题，这个问题涉及到许多因素，其中最重要的 因素是矿井年产量。年产量大，就要加大电机矿井年产量。年产量大，就要加大电机 车的粘着质量和矿车中的货载质量。车的粘着质量和矿车中的货载质量。 三、列车组成的计算三、列车组成的计算 计算列车组成就是确定车组应由多少辆矿 车组成。 列车组成的计算按三个条件来进行，这三 个条件是：电机车的粘着质量；牵引电动机电机车的粘着质量；牵引电动机 的允许温升；列车的制动条件的允许温升；列车的制动条件。按这三个条 件计算的结果取其最小者取其最小者。 按此条件计算时需要考虑到最困难的情 况，即

50、电机车牵引重车组沿上坡启动。 根据式(4-8)可得电机车牵引重车组沿平 均坡度的直线轨道上城启动时所需给出的牵 引力为： 另外，根据电机车的粘着条件，即把式 (4-33)代入式(4-21)之后得到： 所以： 1000()()1.075 zzp FPQiga 1000()()1.075 100 zzpn PQigaP g ()1.075 n z zp P g QP iga (4-34) (4-33) 按电动机的温升条件，实质上就是按照电动机的等 值电流不超过长时电流的条件。直流串激电动机由于磁 饱和的关系，正常工作时牵引力和电流是成正比的，即 其比例关系是一条直线，只是在低负荷时才呈抛物线状。

51、因此，可以按等值牵引力不超过长时牵引力的条件确定 重车组质量。 等值牵引力可以用均方根法来求得。即： 22 z zk k d y F tF t F T (4-35) 为了使计算进一步简化，假定列车是在理想的 等阻坡度上运行。在等阻坡度上运行，重列车下 坡时的运行阻力等于空列车上坡时的运行阻力。 虽然这个假定与实际情况有出入，但由于一般平 均坡度与等阻坡度比较接近，所以计算还是比较 准确的。 因有这个假定，故上式中重列车与空列车牵 引力相等，即： zk FF(4-36) 将式(4-36)代入式(4-35)，即得： 因 令 则式(4-37)为： zk dz y tt FF T yzk Ttt y

52、y T T dz FF (4-40) (4-38) (4-39) (4-37) 而： 将式(4-41)代入式(4-40)中即得： 为了使牵引电动机温升不超过允许温升， 电机车的等值牵引力应不大于长时牵引力， 即： 1000()() zzzd FPQig 1000() d z zd F QP ig dch FF (4-41) (4-42) (4-43) 将式(4-43)代入式(4-42)中，即得按牵引电 动机温升条件计算的重车组质量为： 列车运行时间为： 1000() ch z zd F QP ig 21000 60 y p L T v (4-44) (4-45) 为了安全起见，煤矿安全规程规定

53、：运运 送物料时列车的制动距离不得超过送物料时列车的制动距离不得超过40m，运送，运送 人员时不得超过人员时不得超过20m。这个距离是根据电机车 照明灯的有效照射距离来制定的。制动距离是 指从司机开始拨动闸轮或电闸手把到机车完全 停止的距离。 在计算重车组质量时必须遵守这一规定，并 应按最不利的情况，即按重列车下坡制动时的按重列车下坡制动时的 情况来计算情况来计算。 列车开始制动时的速度为长时速度vch，则 制动时的减速度b为： 由式(4-15)可以求得当重列车沿直线轨道下 坡制动时电机车的制动力为： 式中：iz为平均坡度，； z为重列车运行阻力系数。 2 ch z v b l (4-46)

54、1000()1.075() zpz BPQbig (4-47) 将式(4-26)代入上式得： 由上式得出按制动条件计算重车组质量的公 式为： 式中：Pz为电机车的制动质量，对于矿用电机 车，它等于电机车的全部质量P，t； 为制动时的粘着系数，如撒砂时取0.17。 1000()1.075() 1000 zpzz PQbigP g 1.075() z z pz P g QP big (4-48) 上面按三个不同条件推导出计算重车组质量 的三个公式，即式(4-34)、式(4-44)及式 (4-48)。在多数情况下，按制动条件求得的 重车组质量小于按其他两条件求得的。在这 种情况下，为了不因减少车组质

55、量而使每列 车中矿车数过少，可以采用这样的办法；在 重列车下坡时两台牵引电动机由并联改为串 联运行，使牵引电动机电压降低一半以降低 运行速度；或者每隔一定时间切断电源，以 改善制动条件。 按上述三个条件分别求出重车组质量之 后，应取三者中之最小者来确定车组中的矿 车数。车组中的矿车数可由下式求得： z 应当指出，由以上方法确定的车组中的 矿车数，仅仅是从电机车牵引的技术可能性 出发的，最有利的矿车数还要以实际条件和 技术经济比较作为基础。 0 z Q Z GG (4-49) 按上述方法确定了重车组质量后，还要验算 实际的电动机的温升和列车制动距离。 r 原因是：按温升条件计算重车组质量时，是 按等阻坡度，并以加权平均运输距离等阻坡度，并以加权平均运输距离为条件计算 的；按制动条件计算重车组质量时，是用电机车 的长时速度计算的减速度。 需要按在平均坡度且在最长距离运行时，验算需要按在平均坡度且在最长距离运行时，验算 其等值电流是否超过长时电流。其等值电流是否超过长时电流。并且按实际运行 速度和实际所得到的减速度验算其制动距离是否 符合煤矿安全规程规定。 p按平均坡度ip及最长运输距离Lmax来验算。 首先，计算出牵引重列车和空列车达到全 速稳态时电机车的牵引力： 然后再算出每台牵引电动机的牵引力： 0 1000()() zzd FPZ GGig 0 1000()() kkd F