列车牵引与制动(绪论)

李占株中南大学交通运输工程学院电话Q:597073736列车牵引与制动教材及教学参考书

饶忠主编，列车牵引计算(第二或三版),中国铁道出版社，2010。孙中央主编，列车牵引计算规程实用教程，中国铁道出版社，2005。《列车牵引计算规程》，铁道部科学研究院，1999。饶忠主编，列车制动（第二版），中国铁道出版社，2011。课程教学计划

绪论机车牵引力及其计算列车制动总论机车车辆主型制动机构造与原理列车运行阻力及其计算列车制动力计算列车制动问题解算高速重载列车制动新技术第一部分理论课(34学时)第二部分实践与实验(4学时)通过在企业现场的学习和实践，学生能够分析列车运行过程中的各种现象和原理，并能够解决铁路运营和设计上的一些主要技术问题和技术经济问题，了解司机室司机操作牵引与制动手柄的位置与功能

。学生通过实验，能够加深理解和巩固在课堂中所学的有关104型空气制动机和闸瓦间隙自动调整器以及120型空气制动机的理论知识，能够掌握有关实验的基本操作和基本技能，提高开拓创新能力，为将来从事设计与生产打下良好的基础。

绪论一、列车牵引与制动计算的性质与内容列车牵引与制动计算是一门铁路应用科学。它以力学为基础，以科学实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相平行的外力(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的计算方法，其内容是：

1、机车牵引力、机车车辆阻力、线路阻力与列车制动力的概念与计算方法；

2、列车制动的基本概念与制动方式；

3、机车车辆使用制动机的型号、构造及原理；

4、列车制动问题的解算；

5、高速重载列车制动的新技术。1二、对列车有直接影响的力1﹑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并可由司机根据需要调节的外力。2﹑列车运行阻力W

由于各种原因自然发生的与列车运行方向相反的外力。其作用阻止列车发生运动或使列车自然减速。3、列车制动力B

由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力。它是人为的阻力，大小可由司机控制。2三种工况：其合力由作用与列车上的不同力构成。1、牵引运行其合力C=F－W2、惰行其合力C=－W3、制动运行其合力C=－（B＋W）当C＞0时，列车加速运行；

C＜0时，列车减速运行；

C＝0时，列车匀速运行3第一章机车牵引力§1.5机车牵引力的计算标准和取值规定§1.1概述机车牵引力的概念、形成及分类§1.3粘着牵引力牵引力的限制、

粘着牵引力的概念及计算、

计算粘着系数及修正§1.4机车牵引特性电力机车、内燃机车牵引特性4§1.2轮轨间的摩擦与粘着摩擦、粘着的概念与空转§1.1概述一、牵引力的概念由动力传动装置产生的、与列车运行方向相同、驱动列车运行并可由司机根据需要调节的外力。通过能量转换装置和传动装置，传递到机车动轮上是动轮得到扭矩M的作用→轴荷重Q压在钢轨A点形成的静摩擦阻止M→产生动轮对钢轨作用力△F′→钢轨对轮的反作用力△F二、牵引力的形成5⊿F⊿F′

QAM6按能量传递顺序分：三、牵引力的分类按能量转换过程限制关系分：牵引电机牵引力粘着牵引力柴油机牵引力电力机车内燃机车传动装置牵引力粘着牵引力指示牵引力轮周牵引力车钩牵引力7⊿F⊿F′

QAMR

由力矩平衡条件：

M=△F×R→△F=M/R

M——动轮扭矩

R——动轮半径

对整个机车：

F=m×△F

m——机车动轴数

即轮周牵引力就是机车牵引力。1、轮周牵引力F：钢轨作用于机车动轮踏面的力。考察某一动轴：82、车钩牵引力就是机车牵引客、货车辆的纵向力。它只是机车和车辆之间相互作用的内力，不是使列车发生或加速的外力。机车牵引力产生必须具备两个条件：（1）机车动轮上有动力传动装置传来的旋转力矩。（2）动轮与钢轨接触并存在摩擦作用。即车钩牵引力总比轮周牵引力小。9

我国《牵规》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，规定机车牵引力按轮毂半磨耗状态计算。10§1.2轮轨间的摩擦与粘着一、轮轨间的摩擦

车轮与钢轨的各个接触点在它们接触瞬间是没有相对运动的，轮轨之间的纵向水平作用力就是物理学上说的静摩擦力，其“最大静摩擦力”是一个与运动状态无关的常量。它等于钢轨对车轮的垂直力N与静摩擦系数μ的乘积。这是一种难以实现的理想状态。否则，可能实现的牵引力最大值就是轮轨间静摩擦阻力的极限值。11第二种与第一种相反。即轮轨间为动摩擦，轮轨间纵向水平作用力超过了维持静摩擦的极限值—最大静摩擦力，轮轨接触点发生相对滑动，此时，轮轨间纵向水平作用力变成了滑动摩擦力，其值比最大静摩擦力小得多，机车运行速度并不高，铁路术语中把这种状态称为“空转”。在这种状态下，牵引力反而大大降低，钢轨和车轮遭到剧烈磨耗。这是必须杜绝的事故状态。此时轮轨间的动摩擦阻力就成为滑行时的摩擦力。

实际上，车轮在钢轨上滚动时，轮轨接触处既非静止亦非滑动，而是静中有微动或滚中有微滑的状态，在运行过程中，由于牵引力和惯性力不是作用在同一水平面内，造成机车前后车轮作用于钢轨的垂直载荷不均匀分配。所以，轮轨间纵向水平作用力的最大值实际与运动状态有关，在铁路术语中用“粘着”来称呼这种状态。由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相对静止的现象称为“粘着”。在粘着状态下轮轨间纵向水平作用力的最大值（静摩擦力）就称为粘着力，而把粘着力与轮轨间垂直载荷之比称为粘着系数。轮轨间的摩擦与粘着二、轮轨间的粘着12

轮轨间的粘着与静力学中的静摩擦的物理性质十分相似。驱动转矩产生的切向力增大时，粘着力f随之增大，并保持与切向力相等。当切向力增大到某一数值时，粘着力f达到最大值。此后切向力如再继续增大，f反而迅速减小。试验证明，粘着力f最大值fmax与动轮对的正压力Pi成正比，其比例常数称为粘着系数，用μ表示。即

fmax=μPi

上式表明，在轴重一定的条件下，轮轨间的最大粘着力由轮轨间粘着系数的大小决定。轮轨间的摩擦与粘着13

当轮轨间出现最大粘着力时，若继续加大驱动转矩，一旦切向力大于最大粘着力时，轮轨间粘着状态被破坏。动轮与钢轨的相对运动由纯滚动变为既有滚动也有滑动。此时钢轨对动轮的反作用力由静擦力变为滑动摩擦力，其值迅速减小；并使动轮的转速上升。这种因驱动转矩过大，破坏粘着关系，使轮轨间出现相对滑动的现象，称为“空转”。动轮出现空转时，轮轨间只能依靠滑动摩擦力传递切向力，传递切向力的能力大大削弱，同时造成动轮踏面和轨面的擦伤。因此，牵引运行应尽量防止出现动轮的空转。轮轨间的摩擦与粘着14

粘着系数是由轮轨间的物理状态确定的。加大每轴的正压力，即轴重，可以提高每轴牵引力，但轴重受到钢轨、路基、桥梁等限制。动力分散型的城市轨道交通车辆，动轴数较多，很容易达到整列车所需的牵引力，因而轴重较小，这对保护轮轨的正常作用是有利的。轮轨间的摩擦与粘着15§1.2粘着牵引力

粘着状态下轮轨间切向摩擦力最大值称为“粘着力”，粘着牵引力是受轮轨间粘着力限制的机车牵引力。在机车牵引特性图中以带有阴影的曲线表示。把它与车轮钢轨间垂直载荷之比称为“粘着系数”。机车粘着牵引力的计算公式为：（KN)

在列车运行中，由于制动力和惯性力不是作用在同一水平面内，从而造成机车车辆前后车轮作用于钢轨的垂直载荷不均匀分配，即“轴重转移”因此，各个车轮对钢轨的法向反力不相等。便于计算，假定轮轨间垂直载荷在运行中固定不变，认为粘着力的变化是由于粘着系数的变化引起的。这样，粘着力与列车速度的关系就被简化成粘着系数与列车速度的关系。它也就成了假定值，称为“计算粘着系数”。一、牵引力的定义

16§1.2粘着牵引力二、牵引力的限制△F∝M，M↑→△F↑,△F>F静→轮轨相对滑动动轮空转→丧失牵引力F受轮轨粘着力（相当于轮轨最大静摩擦力）的限制，即17三、机车粘着牵引力的计算——计算粘着牵引力KN；——机车粘着质量t；——重力加速度（9.81m/s2）；——计算粘着系数。——受轮轨粘着牵引力限制允许机车发挥的最大牵引力。181、影响粘着系数的因素主要有两个：一个是车轮和钢轨的表面状况；一个是列车运行速度。轮轨间表面状况包括：干湿情况、脏污程度、是否有锈、是否撒砂以及砂的数量和品质等等。轮轨的湿度、脏污程度又与天气、环境污染状况和制动装置形式(有无踏面或轨面清扫设备)等因素有关。列车运行速度对粘着系数的影响主要是：随着牵引过程中列车速度的增大，冲击振动以及伴随而来的纵向和横向的少量滑动都逐渐增加，因而粘着力和粘着系数也逐渐减小，其减小的程度与机车车辆动力性能、轨道的情况等有关。其次，线路对粘着系数也有影响，钢轨愈软或道渣的下沉量愈大，粘着系数愈小；钢轨不平或直线地段两侧钢轨顶不在同一水平，动轮所处位置的轨面状态不同，曲线半径愈小，都会使粘着系数减小。另外，空转必然导致动车的粘着系数减小。四、计算粘着系数与改善粘着的方法192、计算粘着系数µj的计算式：20（1）修正轮轨表面接触条件，改善表面不清洁状态，（2）设法改善列车的悬挂系统，以减轻轮对减载带来的不利影响。3、改善粘着的方法清扫闸瓦闸瓦钎螺杆套茼活塞环闸瓦吊杆214、µj

的修正产生原因：修正公式：电力机车内燃机车小半径曲线上粘着系数修正：长隧道粘着系数修正（L>1000m）

：由试验确定五、粘着牵引力曲线——根据各型机车不同速度下的粘着牵引力，在坐标图中会出粘着牵引力与速度的关系曲线。22(一)空转的产生

当动轮对的牵引力大于最大粘着力时，轮对就发生空转。空转时轮对的转速迅速上升，如果任其扩展往往可能在数秒或略长的时间内超出构造速度。这样不仅使动车的牵引力下降，而且由于高速空转使轮对的踏面严重擦伤，若带有轮箍结构形式的轮对，那么会导致轮箍因过热而松动脱落，同时牵引电动机转子绕组也可能因离心力过大而飞散“扫膛”，引起重大事故，因此必须对空转进行保护。六、空转的产生与防止23(二)空转的防止1、主电路防空转设计(1)牵引电动机全并联结构两台串励牵引电动机串联连接时，在恒电压下如果一台电动空转，由于串联电路中两台电机励磁电流相等，结果使空转电动机的端电压升高，空转的速度进一步加大。但在电动机并联连接的电路里就不会发生这种电压转移的现象，从而加强了防空转性能。24(2)采用机械特性硬的牵引电动机机械特性硬的牵引电动机，负载大幅度变化时转速变化很小，也就是说如果电机转速略有上升，就会使转矩大幅度下降，因而具有良好的防空转性能。例如，鼠笼式牵引电动机的动车不会产生持续空转。2．传动系统防空转设计(1)采用单电机转向架传动系统。

(2)机械走行部分采用低位牵引，以及采用合适的悬挂系统等措施。25机车的牵引特性是指牵引力随速度变化的曲线。机车牵引列车运行是由于它具有相当大的牵引力，用来克服列车起动时和运行中所受的阻力。机车牵引力(F)和运行速度(V)的乘积．就是机车的功率(P)，即F·V=P，常用“千瓦”做单位。任何一种机车，它的最大功率是一定的，叫做标称功率，例如，DF4B型内燃机车的标称功率为1985千瓦。机车在牵引列车时，所受到的阻力是经常变化的。当阻力增大时．机车就要发挥出更大的牵引力来克服它；反之，当阻力减小时，牵引力就可以小一点。为了充分利用机车的功率，要求机车在各种不同运行阻力的情况下，都能具有恒功率输出性能。这就要使F•V=常数。可见，牵引力和速度之间应当成反比关系：当速度小时，牵引力大：速度大时，牵引力小。§1.3机车牵引特性一、机车牵引特性的概念26

把对F和V的这种要求表示在坐标上，应该是一条双曲线，如图2-3-9所示。这条曲线叫做机车理想牵引性能曲线，无论任何一种机车的牵引性能，都应与它相符合。27当然，曲线的两端不能无限延长。左端，牵引力不能超过轮轨之间的粘着力，否则车轮会空转；右端，速度也不能超过机车构造速度所能允许的范围。电力传动内燃机车是由牵引电动机通过齿轮驱动的，所以机车牵引力和速度取决于牵引电动机的转矩和转速，从而也就决定了机车的牵引特性。串励牵引电动机的速率与转矩关系如图2-3-lO所示。它所具有的工作特性最适合于机车牵引的要求。即机车上坡或负载增加时，牵引电动机转矩较大，而转速较低；反之，则转矩减小，转速上升。28二、电力机车牵引特性1、牵引电动机的电流特性在一定电压下牵引电动机电流Id与运行速度v的关系。短时电流（最大电流、粘着电流525Q）、小时电流（500Q）、持续电流（450Q）

292、机车牵引力特性指机车牵引力F与牵引电机电流Id的关系，可以由电机的电磁转矩公式和牵引力转矩的关系导出：3、机车牵引特性曲线指表示机车轮周牵引力F与运行速度v之间的关系的特性曲线。机车轮周功率N机车功率机车标称功率Nb

机车牵引特性曲线30（1）理想牵引力曲线要求：在牵引工况下，机车恒功率输出。即N=F·V曲线受Fµ

与Vg的限制，Vg为机车构造速度VgFVV131（2）机车实际的牵引力特性曲线321、柴油机牵引力三、内燃机车牵引特性受柴油机功率（或能力）限制的机车牵引力——柴油机牵引力。2、柴油机牵引力的计算柴油机牵引力可以根据每分钟汽缸中燃气所作的功，扣除机械摩擦损失及自身消耗、机车辅助装置消耗和传动损失后，与同一时间内轮周牵引力所作的功相等而求得。3、内燃机车传动装置牵引力柴油机装车功率Ne——亦称柴油机最高运用功率，由机车生产厂家标定。柴油机的33①在高海拔、高温、长大隧道条件下，F需修正：

λP

—

海拔修正系数

λh

—

温度修正系数

λs

—

隧道修正系数5、内燃机车牵引力的修正②多机牵引与补机的F修正重联操纵取全值多机牵引：分别操纵第二台后取0.98补机：尾部机车取0.95346、内燃机车牵引特性曲3536一、计算标准§1.4机车牵引力的计算标准和取值规定1、持续电流Ic、持续速度vc与持续牵引力Fc持续电流——保证牵引电机长时间安全工作的电流。持续速度——电力机车在最高级位的满磁场，内燃机车在最高手柄位或最高柴油机转速那条牵引特性曲线上，可以找到实现持续电流的速度。（可以长期运行的最低速度）持续牵引力——在牵引特性曲线上，持续速度所对应点的牵引力。（一般小于粘着牵引力）37Vj—由最佳牵引重量决定的速度，即机车牵引重量确定的列车通过区间限制坡道时，允许使用的