第二讲 列车牵引理论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力牵引传动基础,北京交通大学 电气工程学院,*,第二讲 列车牵引理论,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,Wheel,车轮,Axle,车轴,Brake disk,制动盘,1.2,轮对的受力分析,重力,P,i,（轴重，包括轮对自身重量）,轨道的支撑力,S,i,电机的驱动转矩,M,i,可等效为一对力偶,F,iA,、,Fi,B,，分别作用于轴心,O,和轮轨接触点,C,F,iA,的反作用力,f,i,，是钢轨给轮对的,当,f,i,与,F,iA,平衡时，力,F,iB,由于没有外力与之平衡，就使得轮对以,C,点为中心发生向前的滚动,在轮轨接触点,C,处，当,f,i,与,F,iA,相等时，轮轨处于相对静止状态,1.3,粘着,(adhesion),的概念,F,iA,及,F,iB,的大小为：,F,i A,=,M,i,/,R,i,与之对应，轮周牵引力大小为,f,i,=,M,i,/,R,i,当,f,i,=F,iA,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,F,iA,相等的“摩擦力”,f,i,1.4,粘着力的特点,在一定的轮轨接触条件下，轮周牵引力,f,i,随着电机驱动转矩,M,i,（也可以看做,F,iA,）的增加而增大,当,M,i,增大到一定值时，,f,i,达到极限值,f,i,max,，并且不再增大,此时，如果继续增大,M,i,，将会出现,F,iA,f,i,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，,f,i,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,f,i,max,与轮对的轴重,P,i,成正比，即：,f,i,max,=,P,i,，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,f,i,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,M,i,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,M,i,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,f,i,：,f,i,=,M,i,/,R,i,=,P,i,产生牵引力的两个条件：,驱动转矩,M,i,内因,粘着条件,、,P,i,外因,最大牵引力受最大粘着力限制：,f,i,max,=,max,P,i,机车牵引力：,F,=,f,i,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,F,max,i,max,P,i,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,M,b,的方法，但制动力,B,都是由,M,b,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，,M,b,是通过闸瓦与踏面（或制动盘）之间的滑动摩擦力产生的,M,b,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，,W,0,附加阻力,某些特定情况下的额外运行阻力，,W,A,机车阻力,W,车辆阻力,W,表示方法,总阻力,W,=,W,0,+,W,A,=,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,w,i,=,i,(,坡度，千分之,i,),，,可正、可负,曲线附加阻力,w,r,=600,/R,(,曲线半径，单位：,m),经验,隧道附加阻力,w,s,主要是空气阻力，由试验决定,其他附加阻力,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,w,j,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,:,w,j,=,w,i,+,w,r,+,w,s,可“正”可“负”,用一个等效坡道,i,j,表示加算附加阻力，称为实际坡道的,加算坡道，,其坡度为,i,j,=,w,j,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,i,q,起动地段的加算坡度（,）,计算结果小于,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),i,j,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,E,k,变形为,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：,m,e,=(1+,),m,J,i,、,i,旋转体,i,的转动惯量、角速度,R,i,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,/,m,e,(m/s,2,),因为,m,e,=(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/m,2,为单位时）,m,kg,P,、,G,kN,a,、,g,m/s,2,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/m,2,）,列车运动方程式（续）,以时间为独立变量,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),(N),c,=,D,Z,/,d,z,传动比,c,传动效率,N,动轴数目,列车牵引特性,F=f(v),电机机械特性,M=f(n),可以相互表示和“替代”,思考题,既然列车的牵引特性可以用牵引电机的机械特性表示，那么,各种电机的机械特性有什么特点？,牵引电机本身的特性与理想的牵引特性有多大的差距？那种电机本身的特性更满足牵引的要求？,要得到理想的列车牵引特性，电机需要如何控制？,实际上也是电力牵引领域的核心问题,谢 谢！,欢迎提问！,