第二讲 列车牵引理论.ppt

1、轮轨相互作用理论 牵引力、制动力的形成与限制 列车运行阻力 列车运动方程 列车牵引特性 列车牵引特性与电机特性之间的关系 几个概念：粘着、空转、计算粘着系数、轴重转移、基本阻力、附加阻力、单位阻力、加算坡道、单位合力,第二讲 列车牵引理论,1. 轮轨相互作用理论,1.1 轮对的结构,轮-轨的相互作用，是列车牵引的基础和特点,1.2 轮对的受力分析,重力Pi（轴重，包括轮对自身重量） 轨道的支撑力Si 电机的驱动转矩Mi,可等效为一对力偶FiA、FiB，分别作用于轴心O和轮轨接触点C FiA的反作用力fi，是钢轨给轮对的 当fi与FiA平衡时，力FiB由于没有外力与之平衡，就使得轮对以C点为中心

2、发生向前的滚动,在轮轨接触点C处，当fi与FiA相等时，轮轨处于相对静止状态,1.3 粘着(adhesion)的概念,FiA及FiB 的大小为： Fi A= Mi / Ri 与之对应，轮周牵引力大小为 fi = Mi / Ri,当fi = FiA时，轮轨接触点C保持相对静止，轮轨之间没有相对滑动，动轮对作纯滚动运动“粘着”状态,粘着：轮轨接触点保持相对静止而不发生相对滑动的现象。 粘着的条件：轨道对轮对能够产生与FiA相等的“摩擦力” fi,1.4 粘着力的特点,在一定的轮轨接触条件下，轮周牵引力fi 随着电机驱动转矩Mi（也可以看做FiA ）的增加而增大 当Mi增大到一定值时， fi达到极限

3、值 fimax，并且不再增大 此时，如果继续增大Mi，将会出现FiA fi的情况，轮轨在接触点处将出现相对滑动 轮轨发生相对滑动时，fi将急剧减小，导致滑动进一步加剧，动轮将进一步加速旋转空转现象 粘着力的极限值fimax与轮对的轴重Pi成正比，即： fimax= Pi ，比例系数 称为粘着系数，仅与轮轨接触面的状态相关,空转的危害及防护,因轮对的驱动转矩过大，导致轮轨间的粘着关系被破坏而出现相对滑动的现象，称为“空转”。,空转的危害,牵引力下降 轮轨擦伤 制动时情况更为严重,连滚带爬状态,空转的防护,采取空转检测保护措施 改进电机的特性 撒砂 提高驾驶技术 现代控制技术，粘着控制,1.5 粘

4、着现象的理论解释,从1699年至今，人们对轮轨接触产生的牵引力机理进行了研究，目前公认的是荷兰的Kalker教授的蠕滑理论 粘着并不是由于摩擦产生的，粘着系数不等同于摩擦系数 轮周牵引力 fi 是由于轮轨间的蠕滑(creep)产生的 “蠕滑”是指两个接触体形成的接触表面中，对应质点间的相对变形产生的微量滑动的现象 蠕滑的宏观表现是，车轮滚动的线速度大于平移速度，蠕滑率可用它们的相对差值表示，即,蠕滑现象的描述,轮轨接触面是一个椭圆的区域 在力矩Mi作用下，车轮前部分压缩，后部拉伸；轨道前部拉伸，后部压缩；钢轨的前部拉伸，后部压缩 滚动区接触面的前部，无相对滑动 滑动区接触面的后部，有微小的相对

5、滑动,两个弹性体接触面的变形及微小的滑移，促成了轨道向轮对传递切向力,粘着系数与蠕滑率的关系粘着-蠕滑特性曲线,通过实验统计得到的曲线 切向力增大导致滑动区面积增大，滚动区面积减小，表现为蠕滑率增大 蠕滑率增大到某个值时，粘着系数达到最大值 max 当滚动区面积继续减小时，产生宏观的滑动空转,max,空转会在过B点后的任意点产生（为什么？）,2. 机车牵引力、制动力的形成与限制,2.1 机车牵引力形成的内因和外因 轮对在驱动转矩Mi作用下，如果满足粘着条件，可从轮轨接触点获得轮周牵引力fi ： fi= Mi/Ri=Pi 产生牵引力的两个条件： 驱动转矩Mi 内因 粘着条件 、Pi 外因 最大牵

6、引力受最大粘着力限制 ： fimax=maxPi 机车牵引力： F= fi,2.2 机车牵引力的限制条件,机车的牵引力不能超过所有轮对最大粘着力之和 Fmax imaxPi 机车粘着条件下的最大牵引力也可以表示为 F j P j为机车可利用的等效粘着系数计算粘着系数 P为机车可以利用的总轴重机车重量P 机车的驱动力大于F时，粘着条件最差的动轮就会产生空转，机车的牵引力立即下降，会产生滑动、粘着、再滑动的振荡过程,2.3 影响 max和j的因素,影响max的因素 影响j的因素 每个轮对的粘着系数 全部轮对的粘着利用程度,轮轨材质 动轮直径及轴重 环境因素摩擦系数,运行速度 线路垂向刚度 强迫硬性

7、滑动 牵引电机特性差异 动轮直径及其差异 轴重转移,(SS系列),(新干线，轨道湿润）,(新干线，轨道干燥）,速度对j的影响举例,轴重转移,列车静止时，机车的轴重平均分配 列车牵引运行时，各轮对的轴重分布发生变化，有的增加，有的减小，这种轴重重新分配的现象称为轴重转移 原因：轮周牵引力与车钩上列车阻力不在同一水平线上,前后转向架：,前转向架：,后转向架：,结论：前（转向架、轮对）减重，后增重,轴重转移对j的影响,轴重转移使j 降低，严重时可降低 20%以上 why？ 越是需要牵引力（重载、爬坡时），轴重转移越严重！ 解决措施 改进结构，降低等效的H、h 轴重转移的电气补偿，电机单独供电时效果更

8、好,2.4 制动力的形成与限制,制动力是通过机车和车辆产生的、方向与列车运动方向相反的、可由司机调节的一种阻止列车运动的外力 分类 基础制动摩擦制动（闸瓦制动） 电气制动电阻制动、再生制动 有多种产生制动转矩Mb的方法，但制动力B都是由Mb通过轮轨的粘着产生的，其形成与限制均与牵引力的相同 闸瓦制动中， Mb是通过闸瓦与踏面（或制动盘）之间的滑动摩擦力产生的Mb过大有严重的危害,3. 列车运行阻力,与列车运行方向相反、且不能由司机进行控制的力 分类： 基本阻力在任何运行情况下都存在的阻力，W0 附加阻力某些特定情况下的额外运行阻力， WA 机车阻力W 车辆阻力W 表示方法 总阻力 W= W0+

9、 WA = W + W 单位（重量的）阻力 P、G机车、车辆重量,（N/kN）,3.1 基本阻力的组成,轮颈与轴承之间的摩擦主要部分，滚动轴承摩擦较小 轮轨之间的滚动摩擦与线路状态有关 轮轨之间的滑动摩擦纵向、横向滑动，与走行部有关，0.20.3kg/t 轮轨之间的冲击和振动 空气阻力与(车与空气)相对速度的平方成正比，列车形状也很重要,经验公式,（SS1SS4）,（牵引）,（惰行）,（客车车辆）,3.2 附加阻力的组成,坡道附加阻力 wi =i (坡度，千分之 i )，可正、可负 曲线附加阻力 wr =600/R (曲线半径，单位：m)经验 隧道附加阻力 ws 主要是空气阻力，由试验决定 其

10、他附加阻力例如风的影响，气候变化 附加阻力主要是由于线路条件引起的，为计算方便，用加算附加阻力wj表示这些因线路条件产生的附加阻力之和，即 加算附加阻力: wj = wi + wr + ws 可“正”可“负” 用一个等效坡道ij表示加算附加阻力，称为实际坡道的加算坡道，其坡度为 ij=wj 有什么好处？,3.3 起动阻力列车起动时的阻力较大,列车停留时，轴颈与轴承之间的润滑油被挤出，油膜减薄 轴箱温度降低，油的粘度增大 车轮在停留时更深地压入钢轨 列车起动时，需较大的加速力以克服列车的静态惯性力 经验公式 1机车单位起动阻力取 5N/kN 2货车单位起动阻力 iq起动地段的加算坡度（） 计算结

11、果小于5N/kN 时，取5N/kN,3.4 列车总阻力,起动时 牵引和电气制动时 惰行和空气制动时 P、G机车、车辆重量(kN) w、 w机车、车辆单位阻力(N/kN) ij线路的加算坡度（）,4. 列车运动方程,4.1 列车运行合力 列车受到的力包括机车牵引力 F，运行阻力 W和制动力B C = F W B (N) 牵引工况： C = F W 惰性工况： C = W 制动工况： C = W B 列车单位合力单位重量的合力 c=C / (P + G) (N/kN),4. 2 列车旋转部分的处理回转质量系数,问题：列车除了平行移动，还包括部分旋转运动的部件，如何统一处理 列车总的动能为 将Ek变

12、形为 定义回转质量系数 来，它表示列车旋转部分的换算质量与列车全部质量的比值，即 列车等效质量： me=(1+ )m,Ji、i 旋转体i的转动惯量、角速度,Ri旋转体i的旋转半径,4. 3 列车运动方程,列车在合力C作用下的加速度为：a=C / me (m/s2) 因为 me=(1+ )m= 1000(1+ )(P+G)/g， 所以 定义加速度系数， 则 通常取=0.06，则 =0.009255，或 =120 （加速度以km/m2 为单位时）,mkg P、GkN a、gm/s2,的物理意义：列车在1N/kN单位合力作用下所能获得的加速度,，或,（km/m2 ）,列车运动方程式（续）,以时间为独

13、立变量,以位移为独立变量，,5. 列车牵引特性,列车牵引力随速度变化的规律，称为列车的牵引特性 理想的牵引特性设计的目标 恒牵引力起动平稳加速 恒功率运行充分利用容量 决定实际牵引特性的因素 各种限制条件 电机的特性 能量变换环节的性能,1. 最大允许电流（电磁转矩）限制 2. 粘着限制 3. 最大功率限制 4. 最高速度限制 5. 机车受流限制 6. 变流器容量限制 7.安装空间限制,列车牵引特性的限制,与列车牵引特性相关的实际问题,列车牵引功率计算 与最高速度、最高速度时的阻力及剩余加速度、牵引质量相关 电机功率计算 起动牵引力计算最大加速度、平均加速度 恒牵引力、恒功率转折点计算,杨老师讲,通过牵引计算，还可以进行： 线路设计规划 列车运行图编制 供电系统设计分布、容量,电机、变流器选型 故障影响评估,6. 列车牵引特性与牵引电机特性之间的关系,(km/h)