第1章_電牽引原理.

1、1.1 牽引基礎(chǔ)牽引基礎(chǔ)n軌道交通工具都依賴車輪和鋼軌之間的相互作軌道交通工具都依賴車輪和鋼軌之間的相互作用從而使車輛運行的。因此，車輪和鋼軌之間用從而使車輛運行的。因此，車輪和鋼軌之間的相互作用的理論是軌道交通牽引的基本理論，的相互作用的理論是軌道交通牽引的基本理論，也是區(qū)別于其他種類運輸方式的基本特點也是區(qū)別于其他種類運輸方式的基本特點n牽引基礎(chǔ)的主要內(nèi)容是動車的牽引特性、調(diào)速牽引基礎(chǔ)的主要內(nèi)容是動車的牽引特性、調(diào)速和制動原理、牽引運用的特點、動車牽引的運和制動原理、牽引運用的特點、動車牽引的運動規(guī)律、牽引計算及所有對牽引特性有影響的動規(guī)律、牽引計算及所有對牽引特性有影響的應用技術(shù)應用技術(shù)

2、。 1 1 牽引力和制動力的形成牽引力和制動力的形成n牽引力牽引力是使列車產(chǎn)生前進運動的外力，其方向是使列車產(chǎn)生前進運動的外力，其方向與運動方向相同；與運動方向相同；n制動力制動力是阻礙列車運動的外力，其方向與運動是阻礙列車運動的外力，其方向與運動方向相反；方向相反；n阻力阻力是列車運動中外界環(huán)境對車輪或車輛產(chǎn)生是列車運動中外界環(huán)境對車輪或車輛產(chǎn)生的阻礙其運動的力，其方向與運動方向相反；的阻礙其運動的力，其方向與運動方向相反； O根據(jù)物理學原理，滾動運動可以看出是一個轉(zhuǎn)動和一個平動根據(jù)物理學原理，滾動運動可以看出是一個轉(zhuǎn)動和一個平動的合成。于是一方面輪對繞圓心的合成。于是一方面輪對繞圓心O O

3、轉(zhuǎn)動，一方面輪對按前進轉(zhuǎn)動，一方面輪對按前進方向平動，于是輪對向前運行，也就是車輪前進方向運行；方向平動，于是輪對向前運行，也就是車輪前進方向運行； C點為瞬時中心點點為瞬時中心點 C C點相對靜止點相對靜止轉(zhuǎn)動和平動；轉(zhuǎn)動和平動；fifiFiFiC C點相對靜止；點相對靜止；把產(chǎn)生相對靜止點把產(chǎn)生相對靜止點C C的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為黏黏著著（adhesionadhesion），而），而fifiFiFi則是則是產(chǎn)生粘著的條件；產(chǎn)生粘著的條件；FiFi的產(chǎn)生是由于的產(chǎn)生是由于fifi平衡了平衡了FiFi，因，因此此鋼軌對輪軌的作用力鋼軌對輪軌的作用力fifi就是使車輛就是使車輛運行的外力，即牽引

4、力。運行的外力，即牽引力。fifiFi黏黏 著著n如果如果fi不能完全平衡不能完全平衡Fi，即，即Fi fi，二者的，二者的差值差值fFi fi 將使輪對加速旋轉(zhuǎn)，我們將使輪對加速旋轉(zhuǎn)，我們稱這種黏著失去的現(xiàn)象為空轉(zhuǎn)稱這種黏著失去的現(xiàn)象為空轉(zhuǎn) ；n在制動過程中，我們把粘著失去的現(xiàn)象稱為滑在制動過程中，我們把粘著失去的現(xiàn)象稱為滑行行 ；n現(xiàn)代對輪軌間相互作用傳力機制的研究表明，現(xiàn)代對輪軌間相互作用傳力機制的研究表明，粘著現(xiàn)象只反映輪對在鋼軌上做滾動，粘著現(xiàn)象只反映輪對在鋼軌上做滾動，n作用力作用力fi的產(chǎn)生是由于輪軌間的微量滑動所產(chǎn)的產(chǎn)生是由于輪軌間的微量滑動所產(chǎn)生的，即所謂的蠕滑，因此將其稱作

5、為蠕滑力。生的，即所謂的蠕滑，因此將其稱作為蠕滑力。2 粘著系數(shù)粘著系數(shù) n為了描述由粘著產(chǎn)生牽引力的這個現(xiàn)象，我們?yōu)榱嗣枋鲇烧持a(chǎn)生牽引力的這個現(xiàn)象，我們定義了一個參量，粘著系數(shù)定義了一個參量，粘著系數(shù)，用以表示在一，用以表示在一定的軸重下，動輪對所能獲得輪周牽引力的大定的軸重下，動輪對所能獲得輪周牽引力的大小。即小。即 Fi / P， 式中式中P是輪對的軸重，是輪對的軸重，F(xiàn)i為由粘著產(chǎn)生的牽引為由粘著產(chǎn)生的牽引力或者說是由輪軌關(guān)系產(chǎn)生的蠕滑力。力或者說是由輪軌關(guān)系產(chǎn)生的蠕滑力。 n最大粘著系數(shù)最大粘著系數(shù) umax n瞬時粘著系數(shù)瞬時粘著系數(shù) 粘著系數(shù)粘著系數(shù)并不是輪軌間傳力關(guān)系的表述，

6、并不是輪軌間傳力關(guān)系的表述，只是客觀上輪軌間所能傳遞的牽引力大小只是客觀上輪軌間所能傳遞的牽引力大小的表征，任何引起牽引力變化的現(xiàn)象都可的表征，任何引起牽引力變化的現(xiàn)象都可以表示為粘著系數(shù)以表示為粘著系數(shù)的變化，所以粘著系數(shù)的變化，所以粘著系數(shù)是電力牽引控制系統(tǒng)的一個重要參量是電力牽引控制系統(tǒng)的一個重要參量 。3 粘著與電牽引系統(tǒng)粘著與電牽引系統(tǒng)n電牽引系統(tǒng)的根本目的是通過牽引電動機產(chǎn)生使電牽引系統(tǒng)的根本目的是通過牽引電動機產(chǎn)生使列車前進的動力列車前進的動力牽引力，而牽引力的產(chǎn)生則取牽引力，而牽引力的產(chǎn)生則取決于輪軌間的接觸傳力機制決于輪軌間的接觸傳力機制 ；n電牽引系統(tǒng)與提高車輛的粘著系數(shù)電

7、牽引系統(tǒng)與提高車輛的粘著系數(shù)umax無關(guān)，但無關(guān)，但與實際應用中的平均粘著系數(shù)與實際應用中的平均粘著系數(shù)up有關(guān)。電牽引系有關(guān)。電牽引系統(tǒng)通過控制手段可以提高應用粘著系數(shù)，提高列統(tǒng)通過控制手段可以提高應用粘著系數(shù)，提高列車的平均牽引力。車的平均牽引力。粘著控制粘著控制n使動輪對在各種不同的條件下都能充分發(fā)揮其使動輪對在各種不同的條件下都能充分發(fā)揮其應用的牽引力，即充分利用粘著應用的牽引力，即充分利用粘著 ；n能在工作點失去之后盡可能快地重新確定新的能在工作點失去之后盡可能快地重新確定新的穩(wěn)定運行工作點穩(wěn)定運行工作點 ；嚴重空轉(zhuǎn)的后果嚴重空轉(zhuǎn)的后果1.2輪軌滾動接觸理論輪軌滾動接觸理論輪軌滾動接

8、觸理論是研究列車運動時，輪軌相對運輪軌滾動接觸理論是研究列車運動時，輪軌相對運動狀態(tài)和接觸斑上作用力的關(guān)系，是輪軌關(guān)系研動狀態(tài)和接觸斑上作用力的關(guān)系，是輪軌關(guān)系研究的基礎(chǔ)究的基礎(chǔ)；從輪軌滾動接觸理論我們可以了解從輪軌滾動接觸理論我們可以了解 輪軌之間是如何傳力的；輪軌之間是如何傳力的； 在一定的條件下輪軌之間能傳遞多大的力；在一定的條件下輪軌之間能傳遞多大的力； 輪軌之間粘著的產(chǎn)生及失去；輪軌之間粘著的產(chǎn)生及失去； 輪軌之間滑動的界定、輪軌之間滑動的界定、 粘著與牽引力的關(guān)系等，粘著與牽引力的關(guān)系等，為牽引控制系統(tǒng)的牽引力控制提供了理論依據(jù)和系統(tǒng)評價的為牽引控制系統(tǒng)的牽引力控制提供了理論依據(jù)和

9、系統(tǒng)評價的衡量標準衡量標準。2蠕滑系統(tǒng)與輪軌相互作用力蠕滑系統(tǒng)與輪軌相互作用力1蠕滑現(xiàn)象蠕滑現(xiàn)象 輪對的圓周速度將必然比移動速度高 這兩種速度之差對這兩種速度之差對名義速度之比，定義名義速度之比，定義為蠕滑（假滑動）為蠕滑（假滑動）CompressionCompressionEtirementEtirementContact我們的結(jié)論： 輪軌之間不是一種純滾動，而是帶有微量滑輪軌之間不是一種純滾動，而是帶有微量滑動的滾動。而正是這種微量滑動，才使得輪動的滾動。而正是這種微量滑動，才使得輪軌之間產(chǎn)生摩擦傳力（產(chǎn)生牽引力）。在一軌之間產(chǎn)生摩擦傳力（產(chǎn)生牽引力）。在一定的輪軌條件下，輪軌間允許傳遞的

10、力有一定的輪軌條件下，輪軌間允許傳遞的力有一個最大值。如果驅(qū)動力超過這個最大值。就個最大值。如果驅(qū)動力超過這個最大值。就將使輪軌的微量滑動成為宏觀上的滑動，從將使輪軌的微量滑動成為宏觀上的滑動，從而從根本上取消了產(chǎn)生傳力的基礎(chǔ)。因此在而從根本上取消了產(chǎn)生傳力的基礎(chǔ)。因此在任何時刻，各種運行條件下，維持輪軌間的任何時刻，各種運行條件下，維持輪軌間的微量滑動是保持機車牽引力的重要基礎(chǔ)微量滑動是保持機車牽引力的重要基礎(chǔ)。1.3 列車運動方程列車運動方程n列車在運行中受到多種外力的影響。作用在列列車在運行中受到多種外力的影響。作用在列車上的總合力車上的總合力C是機車牽引力是機車牽引力F、列車總阻力、列

11、車總阻力W和列車總制動力和列車總制動力B的代數(shù)和，即的代數(shù)和，即nCFWB nFiBiWj m dv/dt ma 式中：式中： FFi 表示各輪對牽引力之和；表示各輪對牽引力之和； BBi 表示各輪對制動力之和表示各輪對制動力之和 WWj 表示各種阻力之和表示各種阻力之和1 列車運動的三種工況列車運動的三種工況 n牽引工況牽引工況 F0，B0，W0，于是，于是CFW。若。若FW，列車可以加速運行，若列車可以加速運行，若F0，所以這時列車減速；，所以這時列車減速；n惰行工況惰行工況 F0，B0時的工況稱為惰行，即不對列車時的工況稱為惰行，即不對列車人為的施加作用力。這時人為的施加作用力。這時CW

12、（1）列車靠慣性運行）列車靠慣性運行惰行狀態(tài)。惰行狀態(tài)。nF=0, B=0時，時，C=Wm*a，nW0 則則 a0， 列車減速；列車減速；nW0， 列車加速；列車加速；（2）列車施加制動力）列車施加制動力制動狀態(tài)。制動狀態(tài)。nF0，B0時，時，C=（WB）m*a，nWB0， a0， 減速；減速；nWB0， 即即W|B|，則，則a0， 加速；加速；nWB0，則，則a0， 衡速衡速（3）列車施加牽引力）列車施加牽引力牽引狀態(tài)；牽引狀態(tài)；nF0，B0， C=FWm*anFW， a0， 加速；加速；nFW， a0， 減速；減速；nFW，a0， 恒速恒速;2 列車運行阻力的分析列車運行阻力的分析 列車運

13、動的阻力可以分為基本阻力和附加阻力。列車運動的阻力可以分為基本阻力和附加阻力。n基本阻力基本阻力 列車在運行時，任何時候都存在的阻力列車在運行時，任何時候都存在的阻力 軸頸與軸承之間的摩擦產(chǎn)生的阻力軸頸與軸承之間的摩擦產(chǎn)生的阻力 輪軌間的滾動摩擦輪軌間的滾動摩擦 軌間的滑動摩擦軌間的滑動摩擦 沖擊和振動造成的運行的阻力沖擊和振動造成的運行的阻力 空氣阻力空氣阻力 n由于影響基本阻力的因素極為復雜，在使用中由于影響基本阻力的因素極為復雜，在使用中通常按照由大量試驗綜合得出的經(jīng)驗公式進行通常按照由大量試驗綜合得出的經(jīng)驗公式進行計算計算 ；CRH2: =8.63+0.072v+0,00112v常規(guī)常

14、規(guī)Davis的單位基本阻力公式：的單位基本阻力公式： 1.590+0.00921v+0.000262v 上海地鐵上海地鐵1號線的單位基本阻力公式：號線的單位基本阻力公式： 2.27+0.00156v 2 22vCvBAwo222n附加阻力附加阻力 列車運行時，在某一條件下才產(chǎn)生的阻力。列車運行時，在某一條件下才產(chǎn)生的阻力。 坡道阻力；坡道阻力； 曲線附加阻力：曲線附加阻力： 列車橫向滑動；輪緣與鋼軌間受壓的滑動摩擦；同軸列車橫向滑動；輪緣與鋼軌間受壓的滑動摩擦；同軸輪對間的輪徑差引起的縱向滑動摩擦；轉(zhuǎn)向架與車體輪對間的輪徑差引起的縱向滑動摩擦；轉(zhuǎn)向架與車體的相對位移引起的阻力的相對位移引起的阻

15、力 隧道空氣附加阻力隧道空氣附加阻力 隧道內(nèi)正面空氣壓力與尾部負壓的壓力差所形成的隧道內(nèi)正面空氣壓力與尾部負壓的壓力差所形成的 壓力阻力；隧道內(nèi)車體表面紊流與車體表面的摩擦阻壓力阻力；隧道內(nèi)車體表面紊流與車體表面的摩擦阻力；力； 其他附加阻力：其他附加阻力： 如風速風向、氣溫降低引起滑油粘度增大、摩擦力如風速風向、氣溫降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大增大1.3 電牽引特性電牽引特性n機車運行中牽引力隨機車速度變化的規(guī)律機車運行中牽引力隨機車速度變化的規(guī)律 Ff（v）稱為機車牽引特性稱為機車牽引特性 ；n牽引特性是計算列車牽引力和制動性能最重要牽引特性是計算列車牽引力和制動性能最重要的原始數(shù)據(jù)；

16、的原始數(shù)據(jù)；n用列車的牽引、制動功率確定牽引特性，用列車的牽引、制動功率確定牽引特性， 用牽引特性計算列車的用牽引特性計算列車的牽引、制動功率；牽引、制動功率；n牽引特性是列車最重要的特性；牽引特性是列車最重要的特性；牽引特性曲線定義牽引特性曲線定義 牽引工作區(qū)域的限制：牽引工作區(qū)域的限制：n最大電流限制最大電流限制電電動機的最大電流；動機的最大電流；n粘著限制粘著限制最大可最大可用粘著系數(shù)；用粘著系數(shù)；n最大功率限制最大功率限制電電動機的最大功率；動機的最大功率；n構(gòu)造速度限制構(gòu)造速度限制機機車的最高速度車的最高速度 牽引特性曲線的穩(wěn)定性分析牽引特性曲線的穩(wěn)定性分析 牽引特性曲線的穩(wěn)定牽引特

17、性曲線的穩(wěn)定性條件性條件 牽引特性曲線牽引特性曲線Ff（v）的斜率小于）的斜率小于阻力曲線阻力曲線Wf（v）的斜率）的斜率VFoABCF1=f1(v)F2=f2(v)W=f(v)dvdWdvdFk0南京地鐵南京地鐵A W 3 M otoring Characteristic for N anjing M etro at 1500 to 1800V dcA W 3 M otoring Characteristic for N anjing M etro at 1500 to 1800V dcM otor: 4LCA 2138, W heel D iam eter: 805 m m , G ear

18、 Ratio: 6.94:1 (1% )M otor: 4LCA 2138, W heel D iam eter: 805 m m , G ear Ratio: 6.94:1 (1% )010020030040001020304050607080Speed (km /h)Speed (km /h)Tractive Effort (kN ) per 6-car trainTractive Effort (kN ) per 6-car train00. 511. 52A cceleration (m /s/s)A cceleration (m /s/s)Tract i ve Ef f ortTra

19、i n Resi st anceAccel erat i onCurve N o. 2002111 Issue ACurve N o. 2002111 Issue A北京地鐵北京地鐵DJ3機車機車1.4 牽引計算牽引計算n牽引計算是針對軌道交通運輸中的技術(shù)、經(jīng)濟牽引計算是針對軌道交通運輸中的技術(shù)、經(jīng)濟問題而進行的科學計算問題而進行的科學計算 ；n牽引計算主要計算列車在不同編組形式下的爬牽引計算主要計算列車在不同編組形式下的爬坡能力、起動性能等各種技術(shù)性能和能耗等坡能力、起動性能等各種技術(shù)性能和能耗等 ；n隨著我國軌道交通建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展和軌道隨著我國軌道交通建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展和軌道車輛國產(chǎn)化程度的不斷提高，進行軌道車輛的車輛國產(chǎn)化程度的不斷提高，進行軌道車