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第一章牵引理论基础第一节粘着、牵引与制动一、动轮与钢轨间的粘着目前，绝大多数城市轨道交通车辆属于钢轮钢轨式，运行的任何一种工况，都依赖于车 轮和钢轨的相互作用力在钢轮钢轨式城市轨道交通车辆中，牵引动力由牵引电动机通过传动机构，传递给动车 的动力轮对（动轮），由车轮和钢轨的相互作用，产生使车辆运动的反作用力根据物理学 中关于摩擦的概念，轮轨之间的切向作用力就是静摩擦力最大静摩擦力是钢轨对车轮的反 作用力的法向分力与静摩擦系数的乘积但实际上，动轮与钢轨问切向作用力的最大值比物 理学上的最大静摩擦力要小一些，情况也更复杂一•些在分析轨道车辆的轮轨相互作用时, 通常引入两个十分重要的概念：“粘着”和“蠕滑”一）粘着V\\ \ \ \、W\ X、\ \、\ \ \\、\、、、图1—1动轮对受力分析图为动车以速度口在平真线路上运行时 一个动轮对的受力情况（忽略内部各种摩擦阻 力）为了更清楚地表示，图中将接触的动轮与 钢轨稍稍分开逝出Pi为一个动轮对作用在钢轨 上的正压力，又称为轮对的轴重牵引电动机作 用在动轮上的驱动转矩Mi,可以用一对力形成的 力偶代替力Fi 7和Fi分别作用在轮轴中心的0 点和轮轨接触处的0\点，其大小为Fi=Fr=Mi/Ri, Ri为动轮半径。

在正压力Pi的作用下，车轮和钢轨的接触部 分紧压在一起切向力Fi使车轮上的0,点具有向 左运动的趋势，并通过0,点作用在钢轨上fi，表 示车轮作用在钢轨上的力，其值fi- Fio由于轮 轨接触处存在着摩擦，车轮上0,点向左运动的趋 势将引起向右的静摩擦力fi，即钢轨对车轮的反 作用力，其值fi=fi'称为轮周牵引力因此，车轮上的0,点受到两个相反方向的力Fi和fi的 作用而且fi = Fi （1-1）所以，0,点保持相对静止，轮轨Z间没有相对滑动，在力Fi，的作用下，动轮对作纯滚 动运动由于止爪力而保持动轮与钢轨接触处相对静上的现象称为“粘着”.粘着状态下的静摩 擦力力又称为粘着力轮轨间的粘看与静力学中的静摩擦的物理性质十分相似驱动转矩Mi产生的切向力Fi 增大时，粘肴力力随Z增大，并保持与Fi相等当切向力Fi增大到某一数值时，粘着力力 达到最大值此示切向力Fi如再继续增大，力反而迅速减小试验证明，粘着力力最大值 /max与动轮对的正压力Pi成正比，其比例常数称为粘着系数，用U表示即/max= u Pi （1-2）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。

当轮轨间出现最大粘着力时，若继续加大驱动转矩，一日一切向力Fi大于最大粘着力，动轮上的0,将向左移动，轮轨间出现相对滑动，粘看状态被破坏动轮与钢轨的相对运动由纯 滚动变为既冇滚动，也有滑动此时钢轨对动轮的反作用力由静摩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，破坏粘看关系，使轮轨间出现相 对滑动的现彖，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血的擦你 因此，牵引力应尽量防||••岀 现动轮的空转粘看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犁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二）蠕ru滑分析牵引丁况轮轨接触处的弹性变形（图1-2）,可以进一步深化对粘着的认识在动轮正乐力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，形成椭圆形的接触血从微观上看, 两接触面是粗糙不平的由于切向 力Fi的作用，动轮在钢轨上滚动 时，车轮和钢轨的粗糙接触面产生 新弹性变形接触血间出现微量滑 动,即“蠕滑”。

蠕滑的产生是由于在车轮接 触面的前部产生压缩，后部产生拉 伸；而在钢轨接触面的前部产生拉 伸，后部产生压缩车轮上被压缩 的金属，在接触表面的前部与钢轨 被拉伸的金属相接触随肴动轮的 滚动，车轮上原来被压缩的金属陆 续放松，并被拉伸，而钢轨上原来 被拉伸的金属陆续被压缩，因而在 接触血的后部出现滑动1—2牵引工况轮轨接触处的弹性变形轮轨接触瓯存在两种不同状 态：接触面的前部，轮轨间没有相 对滑动，称为滚动区，在图1-2中 用阴影线表示；接触血的示部轮轨 间有相对滑动，称为滑动区这两 个区域的大小随切向力的变化而 变化当切向力增大时,滑动区面 积增大，滚动区面积减小当切向 力增大超过一定稈度时，滚动区面 积为零，整个接触面间出现相对滑 动，轮轨向的粘肴被破坏，即出现空转蠕滑是滚动体的正常滑动动轮在滚动过程中必然会产生蠕滑现彖伴随着蠕滑产生静 摩擦力轮轨之间才能传递切向力由于蠕滑的存在，牵引时动轮的滑动圆周速度将比其前进 速度高这两种速度的差称为蠕滑速度，用蠕滑率表示蠕滑人小C1-3)二错谋！未找到引用源式中 错误！未找到引用源一动轮的前进速度；错误！未找到引用源一动轮转动的角速度轮轨间由于摩擦产生的切向力反过来作用于驱动机构，随着切向力的增大，驱动机构内 的弹性应力也增大。

当切向力达到极限时，由于蠕滑的积累波及整个接触面，发展为真滑动; 积累的能量使车轮木身加速，这时驱动机构内的弹性应力被解除由于车轮的惯性和驱动机 构的弹性，在轮轨间出现滑动——粘着——再滑动——再粘着的反复振荡过程，一直持续到 重新在驱动机构中建立起稳定的弹性应力为止二、 牵引力的形成与限制（一） 牵引力的形成由图1—1可见，由于轮轨间存在粘着，静止的动轮受驱动转矩Mi的作用示，动轮上的 （X受到大小相等、方向相反的切向力Fi和粘着力/i的作用0'点保持相对静止，成为动轮 的瞬时转动中心作用在轮轴中心0点的力Fi,将使动轮绕『点转动，引起轴承对轮轴的 水平反作用力T只要驱动转矩Mi足够大，动轮即绕瞬时转动中心转动，瞬时转动中心沿 钢轨不断前移，车辆产生平移运动从车辆整体來看，驱动转矩归算到轮心的作用力Fi，和轴承对轮铀的反作用力T是一对 内力，而钢轨对动轮的摩擦反作用力/i是动轮受到的唯一水平外力由于/i的存在，车辆 才有可能产生平移运动故这个外力称为动轮的轮周牵引力动车各动轮对的轮周牵引力，通过转向架、车体传递到车钩，牵引拖车，使列车前进 也就是说，调节驱动转矩可以控制列车的牵引工况。

二） 粘着对牵引力的限制调节牵引电动机转矩，改变切向力F的值以得到不同的轮周牵引力的前提条件是不破坏 粘着；也就是说，动车所能实现的最大牵引力受粘着的限制由粘着条件决定的最大粘着力, 也就是动轮不空转所能实现的战大牵引力，称为粘着牵引力，用尸口表示Fn =p jP u 式中pj —计算粘着系数；Pp — 各动轮正压力Z和，也称为粘着重量如果各动轴驱动转矩归算到轮缘的作用力之和超出上式的限制时，粘着条件相对最差的 动轮就会产生空转，动车的牵引力立即下降三、 粘着系数与改善粘着的方法（一）影响粘着系数的主要因素1. 动轮踏面与钢轨表面状态干燥清洁的动轮踏血与钢轨表面粘着系数高，冰、霜、雪等天气的冷凝作用或小雨使轨 面轻微潮湿时轨面粘着系数低大南冲刷、雨麻生成薄锈使粘着系数增大；油垢使粘看系数 减小在钢轨上撒砂则能较大地提高粘着系数不同轨道的粘着系数不同，需要经多次实验后计算其平均值图1-3是日木JR、JXR、 营团等城市轨道及口本新干线干燥与潮湿时的粘着特性2. 线路质量钢轨愈软或道磴的下沉量愈大，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，都会使粘着系数减小。

0.300.280.26$ + 85 （新干线•干燥状态）0.24嘲黔（JR既有线电动车） IZ陽+ 0・054 （营团银座线滑行试验） r 4Z0.220.200.180.160.14^ = 0.24524.1"尸/+硕（JNR591潮湿状态）"5 + 85 、、（新干线■潮湿状态）0.120.100.08 —■—•_—•~~-—^―—0 10 20 30 40 50 60. 70 80 90100 110 120 130 速度 r（km/h）图1—3粘着特性曲线3. 车辆运行速度和状态车辆运行速度增高，加剧了动轮对钢轨的纵向和横向滑动及车辆振动，使粘着系数减小 特别是轮轨表被水污染情况下，粘着系数随速度增加而急剧下降车辆运行中由各种因素导致轴重转移，也影响着粘着系数如车辆过弯道时，造成车辆车轮一侧增载，另一侧减载，造成粘着系数大幅降低，1111 线半径愈小，粘着系数降低愈多牵引与制动工况对粘着系数也有彩响，牵引时的粘着系数比制动时要大一些4. 动车有关部件的状态（1）各动轴上牵引电动机的特性不完全相同，在同一运行速度下产生牵引力大的轮对将首先 发生空转⑵ 各个动轮的直径不同，貞径小的动轮发出的牵引力大，容易首先发生空转。

⑶ 各个动轮的动负荷不同，运行中动负荷轻的动轮将首先空转空转必然导致动车的粘着系数减小二）改善粘着的方法改善粘着的方法冇两大类：一是修正轮轨表面接触条件，改善轮轨表面不清洁状态；::是设法改善轨道车辆的悬挂系统，以减轻轮对减载带来的不利影响通常采用如下改善粘肴 的措施：从车辆往钢轨上撒干砂，用机械或化学等方法清洗钢轨、打磨钢轨，改进闸瓦材料 如用增粘闸瓦，改善车辆悬挂减小轴重转移四、制动力的形成为了降低列车运行速度或停车，利用制动装置产生与列车运行方向相反的外力，称为制 动力一） 制动方法制动方法可分为三类：1. 摩擦制动：包括闸乩制动和盘式制动闸乩制动是将制动缸的力通过一套制动杠杆传动系统传给闸乩，并通过闸瓦压在轮对的 踏面上产生机械制动力这种制方式会引起轮对和闸瓦磨损，需要经常更换闸瓦盘式制动是由数字式电控制动系统或电了模拟式无级制动系统控制压缩空气，对盘式制 动器实施制动或缓解2. 电气制动：包括电阻制动和再生制动利用电机的可逆原理，可以在制动工况时把牵引电动机变为发电机，将列车的动能变为 电能这时，牵引电动机轴上的反向转矩，作用在动轮上形成电制动力，称为电气制动采 用这种制动可以提高列车运行速度，降低轨道车辆轮对及闸瓦的磨损。

如果利用电阻使电气制动时牵引电动机所产生的电能转化为热能散掉，称为电阻制动或 能耗制动如果将电能重新反馈冋电网中去加以利用，就称为再生制动或反馈制动摩擦制动和电气制动产生的制动力，同牵引力一样，都是通过轮轨粘着产生的3. 电磁制动：包括磁轨制动和涡流制动磁轨制动是将电磁铁落在钢轨上，并接通激磁电流将电磁铁吸附在钢轨上，通过磨耗板 与轨面摩擦产生制动力涡流制动则将电磁至跖•轨面7〜lOmm,电磁铁与钢轨间的相对运动 引起电涡流作用形成制动力电磁制动的最大优点是所产生的制动力不受轮轨间的粘着条件 限制二） 通过轮轨粘着产生制动力摩擦制动和电气制动都是通过轮轨粘着产生制动力的下面以闸乩制动为例，说明通过 轮轨粘着产生制动力的过程V图1 一4闸瓦制动力形成图1一4是一个轮对利用闸乩制动产生制动力的示意图设一个轮对上有两块闸瓦，在忽略其他各种摩 擦阻力的情况下，轮对在宜道上滚动悄行若每块 闸瓦以力K压向车轮踏面，闸瓦与踏瓯间引起与车 轮转动方向相反的滑动摩擦力2KWk（Wk为动轮 与闸瓦间的滑动摩擦系数）对于列车来说，摩擦 力是内力；不能使列车减速，可是它通过轮轨间的 粘肴，引起闸乩制动力形成与列车运动方向相反的 外力，实现列车的减速。

摩擦力2K中k对车轮的作用效果，相当于制 动。