列车牵引理论

2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院1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Brakedisk制动盘2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院2第二讲列车牵引理论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CFiA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2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院3第二讲列车牵引理论1.3粘着(adhesion)的概念FiA及FiB的大小为：FiA=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”fi2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院4第二讲列车牵引理论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FiAfi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=μPi，比例系数μ称为粘着系数，仅与轮轨接触面的状态相关2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院5第二讲列车牵引理论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2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院6第二讲列车牵引理论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%100ccivvR2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院7第二讲列车牵引理论蠕滑现象的描述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2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院8第二讲列车牵引理论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σ(%)μ(%)μmax空转会在过B点后的任意点产生（为什么？）2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院9第二讲列车牵引理论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=∑fi2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院10第二讲列车牵引理论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≤μjPμμj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2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院11第二讲列车牵引理论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vμj81001224.0(SS系列)vμj8513.6(新干线，轨道湿润）vμj8527.2(新干线，轨道干燥）2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院12第二讲列车牵引理论速度对μj的影响举例2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院13第二讲列车牵引理论轴重转移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Lh)(HfPGi421,2前后转向架：lhfGNi2211,2前转向架：?3,4N后转向架：结论：前（转向架、轮对）减重，后增重2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院14第二讲列车牵引理论轴重转移对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2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院15第二讲列车牵引理论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2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院16第二讲列车牵引理论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GWwPWwGPWw,,（N/kN）2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院17第二讲列车牵引理论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2000320.00190.025.2vvw0d经验公式（SS1~SS4）2000260.00140.064.1vvw0（牵引）（惰行）2000155.00075.066.1vvw（客车车辆）2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院18第二讲列车牵引理论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？2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院19第二讲列车牵引理论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/kNqqiw4.032019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院20第二讲列车牵引理论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（‰）)(GPiGwPwWqqqq)(00GPiGwPwWj)(00GPiGwPwWjddd2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院21第二讲列车牵引理论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BC=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)2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院22第二讲列车牵引理论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iiikωJmvE2222Ji、ωi——旋转体i的转动惯量、角速度iiikmRJmvE2212Ri——旋转体i的旋转半径mRJγiii22019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院23第二讲列车牵引理论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）cgGPCga)1(1000)1(1000m——kgP、G——kNa、g——m/s2cdtdva)1(1000gξ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cdtdv009255.0，或cdtdv120（km/m2）2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院24第二讲列车牵引理论列车运动方程式（续）cdtdvvdtds以时间为独立变量以位移为独立变量，cdsdvv2019/10/14电力牵引传动基础——北京交通大学电气工程学院25第二讲列车牵引理论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—