第1章-電牽引原理

電力牽引與控制第1章電牽引原理1.1牽引基礎(chǔ)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(yùn)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，也是區(qū)別于其他種類運(yùn)輸方式的基本特點(diǎn)牽引基礎(chǔ)的主要內(nèi)容是動(dòng)車的牽引特性、調(diào)速和制動(dòng)原理、牽引運(yùn)用的特點(diǎn)、動(dòng)車牽引的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、牽引計(jì)算及所有對(duì)牽引特性有影響的應(yīng)用技術(shù)。1牽引力和制動(dòng)力的形成牽引力是使列車產(chǎn)生前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的外力，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相同；制動(dòng)力是阻礙列車運(yùn)動(dòng)的外力，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；阻力是列車運(yùn)動(dòng)中外界環(huán)境對(duì)車輪或車輛產(chǎn)生的阻礙其運(yùn)動(dòng)的力，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；O根據(jù)物理學(xué)原理，滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以看出是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)平動(dòng)的合成。于是一方面輪對(duì)繞圓心O轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面輪對(duì)按前進(jìn)方向平動(dòng)，于是輪對(duì)向前運(yùn)行，也就是車輪前進(jìn)方向運(yùn)行；

C點(diǎn)為瞬時(shí)中心點(diǎn)

C點(diǎn)相對(duì)靜止——轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)；fi＝Fi’——C點(diǎn)相對(duì)靜止；把產(chǎn)生相對(duì)靜止點(diǎn)C的現(xiàn)象稱為黏著（adhesion），而fi＝Fi’則是產(chǎn)生粘著的條件；Fi的產(chǎn)生是由于fi平衡了Fi’，因此鋼軌對(duì)輪軌的作用力fi就是使車輛運(yùn)行的外力，即牽引力。fi’Fi’黏著如果fi不能完全平衡Fi’，即Fi’>fi，二者的差值Δf＝Fi’－fi將使輪對(duì)加速旋轉(zhuǎn)，我們稱這種黏著失去的現(xiàn)象為空轉(zhuǎn)；在制動(dòng)過程中，我們把粘著失去的現(xiàn)象稱為滑行；現(xiàn)代對(duì)輪軌間相互作用傳力機(jī)制的研究表明，粘著現(xiàn)象只反映輪對(duì)在鋼軌上做滾動(dòng)，作用力fi的產(chǎn)生是由于輪軌間的微量滑動(dòng)所產(chǎn)生的，即所謂的蠕滑，因此將其稱作為蠕滑力。2粘著系數(shù)

為了描述由粘著產(chǎn)生牽引力的這個(gè)現(xiàn)象，我們定義了一個(gè)參量，粘著系數(shù)μ，用以表示在一定的軸重下，動(dòng)輪對(duì)所能獲得輪周牽引力的大小。即μ＝Fi/P，式中P是輪對(duì)的軸重，F(xiàn)i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。最大粘著系數(shù)umax

瞬時(shí)粘著系數(shù)μ粘著系數(shù)μ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)μ的變化，所以粘著系數(shù)μ是電力牽引控制系統(tǒng)的一個(gè)重要參量。3粘著與電牽引系統(tǒng)電牽引系統(tǒng)的根本目的是通過牽引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生使列車前進(jìn)的動(dòng)力―牽引力，而牽引力的產(chǎn)生則取決于輪軌間的接觸傳力機(jī)制；電牽引系統(tǒng)與提高車輛的粘著系數(shù)umax無關(guān)，但與實(shí)際應(yīng)用中的平均粘著系數(shù)up有關(guān)。電牽引系統(tǒng)通過控制手段可以提高應(yīng)用粘著系數(shù)，提高列車的平均牽引力。粘著控制使動(dòng)輪對(duì)在各種不同的條件下都能充分發(fā)揮其應(yīng)用的牽引力，即充分利用粘著；能在工作點(diǎn)失去之后盡可能快地重新確定新的穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)；嚴(yán)重空轉(zhuǎn)的后果1.2．輪軌滾動(dòng)接觸理論

輪軌滾動(dòng)接觸理論是研究列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)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)；從輪軌滾動(dòng)接觸理論我們可以了解

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；

輪軌之間粘著的產(chǎn)生及失去；

輪軌之間滑動(dòng)的界定、

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(píng)價(jià)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。2．蠕滑系統(tǒng)與輪軌相互作用力1．蠕滑現(xiàn)象

輪對(duì)的圓周速度將必然比移動(dòng)速度高

這兩種速度之差對(duì)名義速度之比，定義為蠕滑（假滑動(dòng)）CompressionCompressionEtirementEtirementContact我們的結(jié)論：

輪軌之間不是一種純滾動(dòng)，而是帶有微量滑動(dòng)的滾動(dòng)。而正是這種微量滑動(dòng)，才使得輪軌之間產(chǎn)生摩擦傳力（產(chǎn)生牽引力）。在一定的輪軌條件下，輪軌間允許傳遞的力有一個(gè)最大值。如果驅(qū)動(dòng)力超過這個(gè)最大值。就將使輪軌的微量滑動(dòng)成為宏觀上的滑動(dòng)，從而從根本上取消了產(chǎn)生傳力的基礎(chǔ)。因此在任何時(shí)刻，各種運(yùn)行條件下，維持輪軌間的微量滑動(dòng)是保持機(jī)車牽引力的重要基礎(chǔ)。1.3列車運(yùn)動(dòng)方程列車在運(yùn)行中受到多種外力的影響。作用在列車上的總合力C是機(jī)車牽引力F、列車總阻力W和列車總制動(dòng)力B的代數(shù)和，即C＝F－W－B

∑Fi－∑Bi－∑Wj＝m×dv/dt＝m×a式中：F＝∑Fi表示各輪對(duì)牽引力之和；B＝∑Bi表示各輪對(duì)制動(dòng)力之和W＝∑Wj表示各種阻力之和1列車運(yùn)動(dòng)的三種工況

牽引工況F≠0，B＝0，W≠0，于是C＝F－W。若F>W，列車可以加速運(yùn)行，若F<W，列車作減速運(yùn)行；F＝W，列車保持原有速度恒速運(yùn)行制動(dòng)工況F＝0，B≠0，W≠0。于是C＝-B－W。在一般情況下W>0，所以這時(shí)列車減速；惰行工況F＝0，B＝0時(shí)的工況稱為惰行，即不對(duì)列車人為的施加作用力。這時(shí)C＝－W（1）列車靠慣性運(yùn)行――惰行狀態(tài)。F=0,B=0時(shí)，C=－W＝m*a，W>0則a<0，列車減速；W<0則a>0，列車加速；（2）列車施加制動(dòng)力――制動(dòng)狀態(tài)。F＝0，B≠0時(shí)，C=－（W＋B）＝m*a，W＋B>0，a<0，減速；W＋B<0，即W<0且|W|>|B|，則a>0，加速；W＋B＝0，則a＝0，衡速（3）列車施加牽引力――牽引狀態(tài)；F≠0，B＝0，C=F－W＝m*aF>W，a>0，加速；F<W，a<0，減速；F＝W，a＝0，恒速;2列車運(yùn)行阻力的分析

列車運(yùn)動(dòng)的阻力可以分為基本阻力和附加阻力?；咀枇α熊囋谶\(yùn)行時(shí)，任何時(shí)候都存在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(dòng)摩擦軌間的滑動(dòng)摩擦沖擊和振動(dòng)造成的運(yùn)行的阻力空氣阻力

由于影響基本阻力的因素極為復(fù)雜，在使用中通常按照由大量試驗(yàn)綜合得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算

；CRH2:ω=8.63+0.072v+0,00112v常規(guī)Davis的單位基本阻力公式：

ω＝1.590+0.00921v+0.000262v上海地鐵1號(hào)線的單位基本阻力公式：

ω＝2.27+0.00156v

22222附加阻力列車運(yùn)行時(shí)，在某一條件下才產(chǎn)生的阻力?！衿碌雷枇?；●曲線附加阻力：列車橫向滑動(dòng)；輪緣與鋼軌間受壓的滑動(dòng)摩擦；同軸輪對(duì)間的輪徑差引起的縱向滑動(dòng)摩擦；轉(zhuǎn)向架與車體的相對(duì)位移引起的阻力●隧道空氣附加阻力隧道內(nèi)正面空氣壓力與尾部負(fù)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力；●其他附加阻力：如風(fēng)速風(fēng)向、氣溫降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大1.3電牽引特性機(jī)車運(yùn)行中牽引力隨機(jī)車速度變化的規(guī)律

F＝f（v）稱為機(jī)車牽引特性；牽引特性是計(jì)算列車牽引力和制動(dòng)性能最重要的原始數(shù)據(jù)；用列車的牽引、制動(dòng)功率確定牽引特性，用牽引特性計(jì)算列車的牽引、制動(dòng)功率；牽引特性是列車最重要的特性；牽引特性曲線定義

牽引工作區(qū)域的限制：最大電流限制――電動(dòng)機(jī)的最大電流；粘著限制――最大可用粘著系數(shù)；最大功率限制――電動(dòng)機(jī)的最大功率；構(gòu)造速度限制――機(jī)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)定性條件

牽引特性曲線F＝f（v）的斜率小于阻力曲線W＝f（v）的斜率南京地鐵北京地鐵DJ3機(jī)車1.4牽引計(jì)算牽引計(jì)算是針對(duì)軌道交通運(yùn)輸中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題而進(jìn)行的科學(xué)計(jì)算；牽引計(jì)算主要計(jì)算列車在不同編組形式下的爬坡能力、起動(dòng)性能等各種技術(shù)性能和能耗等；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(jìn)行軌道車輛的牽引計(jì)算研究具有一定的必要性和緊迫性。牽引計(jì)算的研究內(nèi)容作用在列車上的外力；研究列車運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系；研究與列車運(yùn)動(dòng)有關(guān)問題的解算：列車運(yùn)行速度和時(shí)間的計(jì)算；動(dòng)車能耗的計(jì)算；牽引重量的計(jì)算；列車制動(dòng)的計(jì)算；牽引試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)等的有關(guān)理論問題；