第二讲 列车牵引理论.ppt

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CFiA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=μ Pi ，比例系数 μ 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 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σ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 μmax当滚动区面积继续减小时，产生宏观的滑动——空转,μmax,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=μPi产生牵引力的两个条件：驱动转矩Mi ——内因粘着条件 μ 、Pi ——外因最大牵引力受最大粘着力限制 ： fimax=μmaxPi 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≤ ∑ μimaxPi 机车粘着条件下的最大牵引力也可以表示为Fμ≤ μj Pμ μj为机车可利用的等效粘着系数——计算粘着系数Pμ为机车可以利用的总轴重——机车重量P机车的驱动力大于Fμ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 μmax和μj的因素,影响μmax的因素影响μj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μj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μj的影响,轴重转移使μj 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+ 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，0.2~0.3kg/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,（SS1~SS4）,（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/kN2．货车单位起动阻力 iq——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)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变形为定义回转质量系数 γ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+ γ)m,,,Ji、ωi ——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+ γ)m= 1000(1+ γ)(P+G)/g，所以定义加速度系数ξ，则通常取γ=0.06，则ξ =0.009255，或 ξ =120 （加速度以km/m2 为单位时）,,m——kgP、G——kNa、g——m/s2,ξ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),μc=DZ/dz——传动比 ηc——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！,。