机车牵引计算

第一节机车牵引力一、机车牵引力的基本概念1、机车牵引力的定义机车牵引力是由动力传动装置产生的、与列车运行方向相同、驱动列车运行并可由司机根据需要调节的外力。它是由机车动力装置发出的内力（不同类型机车的原动力装置不一样），经传动装置传递，通过轮轨间的粘着而产生的由钢轨反作用于机车动轮周上的切线力。二、机车牵引力的分类按照不同条件可以把机车牵引力作如下分类：1．按能量传递顺序的分类（1）指示牵引力iF：假定原动机（内燃牵引时就是柴油机）所做的指示功毫无损失的传到动轮上所得到的机车牵引力。指示牵引力是个假想的概念。（2）轮周牵引力F：实际作用在轮周上的机车牵引力，FiF。（3）车钩牵引力gF：除去机车阻力的消耗，实际作用在机车车钩上的牵引力。在列车作等速运行时，车钩牵引力与轮周牵引力有如下关系WFFg（1—1）式中W——机车阻力。我国《牵规》规定，机车牵引力以轮周牵引力为计算标准，即以轮周牵引力来衡量和表示机车牵引力的大小。由于动轮直径的变化会影响轮周牵引力的大小，《牵规》规定，机车牵引力按轮箍半磨耗状态计算。不论是设计还是试验资料，所提供的轮周牵引力和机车速度数据，必须换算到轮箍半磨耗状态。机车轮箍半磨耗状态的动轮直径叫做计算动轮直径。我国常速电力机车的动轮直径原形是1250mm，计算动轮直径是1200mm；常速内燃机车的动轮直径原形是1050mm，计算动轮直径是1013mm。动力分散式动车组的动轮直径与客车轮径相同，即915mm，计算动轮直径是880mm。2．按能量转换过程的限制关系的分类任何机车都是把某种能量转化成牵引力所做外机械功的一种工具。这种能量转换要经过若干互相制约的环节。机车一般都有几个能量转换阶段，并相应地有几个变能部分。电力机车的电能是由牵引变电所供给，可以认为它的容量是足够大的，电力机车牵引力的发挥不会受牵引变电所电能供给者的限制，进入机车的单相交流电经过变压整流后输入牵引电动机（交直传动电力机车），将电能转变为带动轮对转动的机械功，然后借助于轮轨间的粘着转变为动轮周上的牵引力所做的机械功。因而电力机车牵引力将要受到牵引电动机和轮轨间粘着这两个变能部分工作能力的限制，而内燃机车牵引力则受到柴油机、传动装置和轮轨间粘着的限制。对应这些限制，机车的牵引力可分为：（1）电力机车①牵引电机牵引力：受牵引电机功率限制的轮周牵引力。②粘着牵引力：受轮轨间粘着能力限制的轮周牵引力。（2）内燃机车①柴油机牵引力：受柴油机功率限制的轮周牵引力。②传动装置牵引力：受传动装置能力限制的轮周牵引力。③粘着牵引力：受轮轨间粘着能力限制的轮周牵引力。实际条件下，能够实现的机车牵引力是上述这些牵引力中的最小者。三、粘着牵引力轮周上的切线力大于轮轨间的粘着力时动轮就要发生空转。在不发生空转的前提条件下，所能实现的最大轮周牵引力称为粘着牵引力。其值按下式计算：jgPF（kN）（1—2）式中F——计算粘着牵引力，kN；P——机车计算粘着质量，t；j——计算粘着系数；g——重力加速度，g≈9.81m/s2。三、计算粘着系数计算粘着系数不同于（小于）理论粘着系数（轮轨间的静摩擦系数），它考虑了机车轴重和牵引力分配不均、运行中轴重增减载、牵引力的波动、轮轨间的滑动（纵向的和横向的）等不利因素的影响，并且主要与机车转向架结构、轮轨表面清洁状况和机车运行速度等因素有关。影响计算粘着系数的因素比较复杂，不可能用理论方法计算，只能用专门试验得出的试验公式表达。试验公式表示在正常粘着条件下计算粘着系数和机车运行速度的关系。粘着条件不好时可以用撒砂来改善；采用交流传动以及改进机车走行部结构可以提高粘着系数；采用径向转向架可以提高曲线上的粘着系数；采用防空转装置可以提高机车粘着利用程度。我国《牵规》规定的计算粘着系数公式如下：1．电力机车（1）国产各型电力机车vj81001224.0（1—3）（2）6K型电力机车vj4486.8189.0（1—4）（3）8G型电力机车vvj0006.0650428.0（1—5）式中v——运行速度,km/h。机车在曲线上运行时，因运动更不平稳，轮轨间的滑动加剧等原因，粘着系数比直线上有所降低，尤其在小半径曲线上更为明显，在这种情况下需要对计算粘着系数进行修正。三轴转向架电力机车在曲线半径R小于600m的线路上运行时,曲线上的计算粘着系数r按下式计算)00055.067.0(Rjr（1—6）2．内燃机车（1）国产各型电传动内燃机车vj20759.5248.0（1—7）（2）ND5型内燃机车vj1180072242.0（1—8）内燃机车在曲线半径R小于550m的线路上运行时,曲线上的计算粘着系数r按下式计算)000355.0805.0(Rjr（1—9）上述(1—3)、(1—4)、(1—5)、(1—7)和(1—8)式表达的计算粘着系数与速度的关系见表1—1。表1—1各种机车不同运行速度下的计算粘着系数v机型0102030405060国产各型电力机车0.3600.3070.2860.2750.2690.2640.2616K型电力机车0.3900.3530.3270.3090.2940.2830.2748G型电力机车0.3600.3100.2920.2790.2700.2610.254国产电传动内燃机车0.3270.2690.2600.2570.2550.2530.253ND5型内燃机车0.3320.3210.3130.3060.3000.2950.291从表1—1可见，随着运行速度的提高，各种机车的计算粘着系数都有所下降。不同类型机车的计算粘着系数有所区别，主要原因是它们的走行部结构不同。电力机车中6K型机车的计算粘着系数最高，与它所采用的B0—B0—B0转向架和低位牵引拉杆等结构有关。我国尚缺交流传动机车计算粘着系数的正规资料，必要时可参阅国外资料。四、粘着牵引力曲线将表1—1中的计算粘着系数和机车计算粘着质量代入（1—2）式，即可得出各型机车的粘着牵引力。根据各型机车不同速度下的粘着牵引力，可以在坐标图中绘出粘着牵引力与速度的关系曲线，称为粘着牵引力曲线，如机车牵引特性曲线图中带阴影的曲线。由于客运机车的粘着牵引力一般要比传动装置牵引力大许多，机车牵引力不受粘着牵引力的限制，所以客运机车的牵引特性曲线图上通常不把粘着牵引力曲线画出来。由上述内容可以看出：机车粘着牵引力是机车牵引力的一个限制值，牵引电机牵引力、原动机牵引力是机车本身所具有的能力，这两部分牵引力必须很好地配合才能使机车牵引力发挥在最佳状态。对电力机车来说，如牵引电动机能力过大而超过粘着牵引力，则牵引电动机功率不能充分发挥，机车真正能实现的牵引力是按粘着牵引力限制值得到的粘着牵引力；反之，如牵引电动机的牵引力小于粘着牵引力，则机车牵引力受牵引电动机能力的限制，机车能实现的牵引力为牵引力电动机牵引力。总之，对于在不同条件下机车真正能实现的牵引力为以上二种牵引力的小者。例如SS4型机车v＝60km/h时，粘着牵引力为470.6kN，而牵引电动机在32-Ⅰ级时，其牵引力为319.8kN，在这种情况下，轮周上得到的轮周牵引力为牵引电动机牵引力，其值是319.8kN。第二节，列车运行阻力一、列车阻力的定义列车与外界相互作用引起与列车运行方向相反、阻碍列车运行的、不能由司机控制的外力称为列车阻力。列车阻力与机车牵引力不同，它不仅产生在机车上，而且产生在所有车辆上。二、列车阻力的分类形成列车阻力的原因是很复杂的，它与许多因素有关。1．按阻力形成的原因分两类（1）基本阻力：是列车在任何运行（包括起动）情况下都存在的阻力。基本阻力实际上是列车在平直道上运行的阻力，列车在平直道上起动时，只有起动基本阻力；在平直道上运行时，只有运行基本阻力。（2）附加阻力：列车在个别情况下才遇到的阻力。如列车在坡道上运行时有坡道附加阻力；在曲线上运行时有曲线附加阻力；在隧道中运行时有隧道附加阻力。基本阻力与附加阻力合在一起，称为全阻力。2．按照阻力作用的范围分两类（1）总阻力：作用在机车、车辆或列车全部重量上的阻力，分别称为机车、车辆或列车总阻力，用大写英文字母“W”表示。单位是kN。（2）单位阻力：平均到机车、车辆或列车每kN重力上的阻力，分别称为机车、车辆或列车单位阻力，用小写英文字母“w”表示。单位是N/kN。作用在单位重力（每kN）上的阻力，称为单位阻力，以小写字母w表示。列车单位阻力与总阻力的关系为gGPWw)(103（N/kN）（2—1）310)(gwGPW（kN）式中P——机车计算质量，t；Ｇ——牵引质量，t。三、基本阻力的组成引起基本阻力的因素很多。其中最主要的是机车、车辆各零部件之间，机车、车辆表面与空气以及车轮与钢轨之间的摩擦和冲击。归纳起来，列车的基本阻力由机械阻力和气动阻力组成，具体可分为以下五部分。1．车轴轴承摩擦阻力。用滚动轴承代替滑动轴承，可以降低这一部分阻力。2．轮轨间滚动摩擦阻力。3．轮轨间滑动摩擦阻力。车轮的圆锥形踏面、轮对组装不正，同一轮对的车轮直径不等以及机车车辆的蛇行运动都导致轮轨间的纵向滑动和横向滑动而形成滑动摩擦阻力。4．冲击阻力。由于轨道接缝、钢轨不平，车轮擦伤引起的冲击以及机车车辆多维振动都消耗机车能量，其所相当的阻力称为冲击阻力。5．气动阻力又称空气阻力。包括列车头部正压和尾部负压所构成的压差阻力、表皮摩擦和涡流损失。空气阻力与阻力系数、空气密度、相对速度的平方及列车最大截面积成正比。列车头部和列车尾部的形状对空气阻力的影响很大。因此，对高速列车来说，采用流线型车体以降低空气阻力系数，对减小列车运行阻力具有重大意义。货物列车，因车辆连接处有一定的空挡，产生的阻力大，尤其是敞车，开门棚车越多，空气阻力就越大。此外，机车基本阻力中还包括由牵引电机（液力传动内燃机车为变扭器）到机车动轴之间的机械（齿轮或万向轴）传动阻力。上述引起基本阻力的各种因素所占比例随着列车速度的高低有所变化。起动时，几乎没有气动阻力，以轴承的摩擦阻力和轮轨间的滚动摩擦阻力为主，滚动轴承的车辆起动要容易得多。低速运行时，轴承的摩擦阻力占较大的比例；速度提高后，轮轨间的滑动摩擦阻力、冲击振动和气动阻力的比重逐渐加大；高速运行时，基本阻力则以气动阻力为主，因此高速列车的外形流线化就显得特别重要。四、基本阻力的计算从上节分析可知，基本阻力决定于许多因素，它与机车、车辆结构和技术状态、轴重、线路情况、气候条件以及列车运行速度等都有关系。由于这些因素极为复杂，甚至于相互矛盾，实际应用中很难用理论公式进行准确计算。通常都是用经过大量试验得出的经验公式来计算，这些公式都用单位阻力的形式表达。在试验时，只对阻力影响较大的因素作必要的控制，包括机车、车辆类型、列车运行速度，其它因素则由公式中的系数予以考虑。1．机车运行单位基本阻力为简化起见，我国《牵规》规定，机车基本阻力公式不再区分牵引和惰行两种工况，采用统一（惰行工况）公式，这样对机车基本阻力的试验和计算都比较方便。（1）电力机车运行单位基本阻力SS1、SS3及SS4型2'0000320.00190.025.2vvw（2—2）SS7型2'0000348.00038.040.1vvw（2—3）SS8型2'0000426.00035.002.1vvw（2—4）6K型2'0000308.00092.025.3vvw（2—5）8G型2'0000212.00083.055.2vvw（2—6）（2）内燃机车运行单位基本阻力DF型20000271.00073.093.2vvw（2—7）DF4型(货、客)、DF4B型(货、客)、DF4C型(货)、DF7D型20000178.00293.028.2vvw（2—8）DF8型20000391.00022.040.2vvw（2—9）DF11型20000218.00054.086.0vvw（2—10）ND5型20000391.00167.031.1vvw