第1章電牽引原理

1、1.1 牽引基礎(chǔ)牽引基礎(chǔ)n軌道交通工具都依賴車輪和鋼軌之間的相互作軌道交通工具都依賴車輪和鋼軌之間的相互作用從而使車輛運(yùn)行的。因此，車輪和鋼軌之間用從而使車輛運(yùn)行的。因此，車輪和鋼軌之間的相互作用的理論是軌道交通牽引的基本理論，的相互作用的理論是軌道交通牽引的基本理論，也是區(qū)別于其他種類運(yùn)輸方式的基本特點(diǎn)也是區(qū)別于其他種類運(yùn)輸方式的基本特點(diǎn)n牽引基礎(chǔ)的主要內(nèi)容是動(dòng)車的牽引特性、調(diào)速牽引基礎(chǔ)的主要內(nèi)容是動(dòng)車的牽引特性、調(diào)速和制動(dòng)原理、牽引運(yùn)用的特點(diǎn)、動(dòng)車牽引的運(yùn)和制動(dòng)原理、牽引運(yùn)用的特點(diǎn)、動(dòng)車牽引的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、牽引計(jì)算及所有對(duì)牽引特性有影響的動(dòng)規(guī)律、牽引計(jì)算及所有對(duì)牽引特性有影響的應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)

2、。 1 1 牽引力和制動(dòng)力的形成牽引力和制動(dòng)力的形成n牽引力牽引力是使列車產(chǎn)生前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的外力，其方向是使列車產(chǎn)生前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的外力，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相同；與運(yùn)動(dòng)方向相同；n制動(dòng)力制動(dòng)力是阻礙列車運(yùn)動(dòng)的外力，其方向與運(yùn)動(dòng)是阻礙列車運(yùn)動(dòng)的外力，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；方向相反；n阻力阻力是列車運(yùn)動(dòng)中外界環(huán)境對(duì)車輪或車輛產(chǎn)生是列車運(yùn)動(dòng)中外界環(huán)境對(duì)車輪或車輛產(chǎn)生的阻礙其運(yùn)動(dòng)的力，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；的阻礙其運(yùn)動(dòng)的力，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反； O根據(jù)物理學(xué)原理，滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以看出是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)平動(dòng)根據(jù)物理學(xué)原理，滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以看出是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)平動(dòng)的合成。于是一方面輪對(duì)繞圓心的合成。于是一方面輪對(duì)繞圓心O O

3、轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面輪對(duì)按前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面輪對(duì)按前進(jìn)方向平動(dòng)，于是輪對(duì)向前運(yùn)行，也就是車輪前進(jìn)方向運(yùn)行；方向平動(dòng)，于是輪對(duì)向前運(yùn)行，也就是車輪前進(jìn)方向運(yùn)行； C點(diǎn)為瞬時(shí)中心點(diǎn)點(diǎn)為瞬時(shí)中心點(diǎn) C C點(diǎn)相對(duì)靜止點(diǎn)相對(duì)靜止轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)；fifiFiFiC C點(diǎn)相對(duì)靜止；點(diǎn)相對(duì)靜止；把產(chǎn)生相對(duì)靜止點(diǎn)把產(chǎn)生相對(duì)靜止點(diǎn)C C的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為黏黏著著（adhesionadhesion），而），而fifiFiFi則是則是產(chǎn)生粘著的條件；產(chǎn)生粘著的條件；FiFi的產(chǎn)生是由于的產(chǎn)生是由于fifi平衡了平衡了FiFi，因，因此此鋼軌對(duì)輪軌的作用力鋼軌對(duì)輪軌的作用力fifi就是使車輛就是使車輛運(yùn)行的外力，即牽引

4、力。運(yùn)行的外力，即牽引力。fifiFi黏黏 著著n如果如果fi不能完全平衡不能完全平衡Fi，即，即Fi fi，二者的，二者的差值差值fFi fi 將使輪對(duì)加速旋轉(zhuǎn)，我們將使輪對(duì)加速旋轉(zhuǎn)，我們稱這種黏著失去的現(xiàn)象為空轉(zhuǎn)稱這種黏著失去的現(xiàn)象為空轉(zhuǎn) ；n在制動(dòng)過(guò)程中，我們把粘著失去的現(xiàn)象稱為滑在制動(dòng)過(guò)程中，我們把粘著失去的現(xiàn)象稱為滑行行 ；n現(xiàn)代對(duì)輪軌間相互作用傳力機(jī)制的研究表明，現(xiàn)代對(duì)輪軌間相互作用傳力機(jī)制的研究表明，粘著現(xiàn)象只反映輪對(duì)在鋼軌上做滾動(dòng)，粘著現(xiàn)象只反映輪對(duì)在鋼軌上做滾動(dòng)，n作用力作用力fi的產(chǎn)生是由于輪軌間的微量滑動(dòng)所產(chǎn)的產(chǎn)生是由于輪軌間的微量滑動(dòng)所產(chǎn)生的，即所謂的蠕滑，因此將其稱作

5、為蠕滑力。生的，即所謂的蠕滑，因此將其稱作為蠕滑力。2 粘著系數(shù)粘著系數(shù) n為了描述由粘著產(chǎn)生牽引力的這個(gè)現(xiàn)象，我們?yōu)榱嗣枋鲇烧持a(chǎn)生牽引力的這個(gè)現(xiàn)象，我們定義了一個(gè)參量，粘著系數(shù)定義了一個(gè)參量，粘著系數(shù)，用以表示在一，用以表示在一定的軸重下，動(dòng)輪對(duì)所能獲得輪周牽引力的大定的軸重下，動(dòng)輪對(duì)所能獲得輪周牽引力的大小。即小。即 Fi / P， 式中式中P是輪對(duì)的軸重，是輪對(duì)的軸重，F(xiàn)i為由粘著產(chǎn)生的牽引為由粘著產(chǎn)生的牽引力或者說(shuō)是由輪軌關(guān)系產(chǎn)生的蠕滑力。力或者說(shuō)是由輪軌關(guān)系產(chǎn)生的蠕滑力。 n最大粘著系數(shù)最大粘著系數(shù) umax n瞬時(shí)粘著系數(shù)瞬時(shí)粘著系數(shù) 粘著系數(shù)粘著系數(shù)并不是輪軌間傳力關(guān)系的表述，

6、并不是輪軌間傳力關(guān)系的表述，只是客觀上輪軌間所能傳遞的牽引力大小只是客觀上輪軌間所能傳遞的牽引力大小的表征，任何引起牽引力變化的現(xiàn)象都可的表征，任何引起牽引力變化的現(xiàn)象都可以表示為粘著系數(shù)以表示為粘著系數(shù)的變化，所以粘著系數(shù)的變化，所以粘著系數(shù)是電力牽引控制系統(tǒng)的一個(gè)重要參量是電力牽引控制系統(tǒng)的一個(gè)重要參量 。3 粘著與電牽引系統(tǒng)粘著與電牽引系統(tǒng)n電牽引系統(tǒng)的根本目的是通過(guò)牽引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生使電牽引系統(tǒng)的根本目的是通過(guò)牽引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生使列車前進(jìn)的動(dòng)力列車前進(jìn)的動(dòng)力牽引力，而牽引力的產(chǎn)生則取牽引力，而牽引力的產(chǎn)生則取決于輪軌間的接觸傳力機(jī)制決于輪軌間的接觸傳力機(jī)制 ；n電牽引系統(tǒng)與提高車輛的粘著系數(shù)電

7、牽引系統(tǒng)與提高車輛的粘著系數(shù)umax無(wú)關(guān)，但無(wú)關(guān)，但與實(shí)際應(yīng)用中的平均粘著系數(shù)與實(shí)際應(yīng)用中的平均粘著系數(shù)up有關(guān)。電牽引系有關(guān)。電牽引系統(tǒng)通過(guò)控制手段可以提高應(yīng)用粘著系數(shù)，提高列統(tǒng)通過(guò)控制手段可以提高應(yīng)用粘著系數(shù)，提高列車的平均牽引力。車的平均牽引力。粘著控制粘著控制n使動(dòng)輪對(duì)在各種不同的條件下都能充分發(fā)揮其使動(dòng)輪對(duì)在各種不同的條件下都能充分發(fā)揮其應(yīng)用的牽引力，即充分利用粘著應(yīng)用的牽引力，即充分利用粘著 ；n能在工作點(diǎn)失去之后盡可能快地重新確定新的能在工作點(diǎn)失去之后盡可能快地重新確定新的穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行工作點(diǎn) ；嚴(yán)重空轉(zhuǎn)的后果嚴(yán)重空轉(zhuǎn)的后果1.2輪軌滾動(dòng)接觸理論輪軌滾動(dòng)接觸理論輪軌滾動(dòng)接

8、觸理論是研究列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪軌相對(duì)運(yùn)輪軌滾動(dòng)接觸理論是研究列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和接觸斑上作用力的關(guān)系，是輪軌關(guān)系研動(dòng)狀態(tài)和接觸斑上作用力的關(guān)系，是輪軌關(guān)系研究的基礎(chǔ)究的基礎(chǔ)；從輪軌滾動(dòng)接觸理論我們可以了解從輪軌滾動(dòng)接觸理論我們可以了解 輪軌之間是如何傳力的；輪軌之間是如何傳力的； 在一定的條件下輪軌之間能傳遞多大的力；在一定的條件下輪軌之間能傳遞多大的力； 輪軌之間粘著的產(chǎn)生及失去；輪軌之間粘著的產(chǎn)生及失去； 輪軌之間滑動(dòng)的界定、輪軌之間滑動(dòng)的界定、 粘著與牽引力的關(guān)系等，粘著與牽引力的關(guān)系等，為牽引控制系統(tǒng)的牽引力控制提供了理論依據(jù)和系統(tǒng)評(píng)價(jià)的為牽引控制系統(tǒng)的牽引力控制提供了理論依據(jù)和

9、系統(tǒng)評(píng)價(jià)的衡量標(biāo)準(zhǔn)衡量標(biāo)準(zhǔn)。2蠕滑系統(tǒng)與輪軌相互作用力蠕滑系統(tǒng)與輪軌相互作用力1蠕滑現(xiàn)象蠕滑現(xiàn)象 輪對(duì)的圓周速度將必然比移動(dòng)速度高 這兩種速度之差對(duì)這兩種速度之差對(duì)名義速度之比，定義名義速度之比，定義為蠕滑（假滑動(dòng)）為蠕滑（假滑動(dòng)）CompressionCompressionEtirementEtirementContact我們的結(jié)論： 輪軌之間不是一種純滾動(dòng)，而是帶有微量滑輪軌之間不是一種純滾動(dòng)，而是帶有微量滑動(dòng)的滾動(dòng)。而正是這種微量滑動(dòng)，才使得輪動(dòng)的滾動(dòng)。而正是這種微量滑動(dòng)，才使得輪軌之間產(chǎn)生摩擦傳力（產(chǎn)生牽引力）。在一軌之間產(chǎn)生摩擦傳力（產(chǎn)生牽引力）。在一定的輪軌條件下，輪軌間允許傳遞的

10、力有一定的輪軌條件下，輪軌間允許傳遞的力有一個(gè)最大值。如果驅(qū)動(dòng)力超過(guò)這個(gè)最大值。就個(gè)最大值。如果驅(qū)動(dòng)力超過(guò)這個(gè)最大值。就將使輪軌的微量滑動(dòng)成為宏觀上的滑動(dòng)，從將使輪軌的微量滑動(dòng)成為宏觀上的滑動(dòng)，從而從根本上取消了產(chǎn)生傳力的基礎(chǔ)。因此在而從根本上取消了產(chǎn)生傳力的基礎(chǔ)。因此在任何時(shí)刻，各種運(yùn)行條件下，維持輪軌間的任何時(shí)刻，各種運(yùn)行條件下，維持輪軌間的微量滑動(dòng)是保持機(jī)車牽引力的重要基礎(chǔ)微量滑動(dòng)是保持機(jī)車牽引力的重要基礎(chǔ)。1.3 列車運(yùn)動(dòng)方程列車運(yùn)動(dòng)方程n列車在運(yùn)行中受到多種外力的影響。作用在列列車在運(yùn)行中受到多種外力的影響。作用在列車上的總合力車上的總合力C是機(jī)車牽引力是機(jī)車牽引力F、列車總阻力、列

11、車總阻力W和列車總制動(dòng)力和列車總制動(dòng)力B的代數(shù)和，即的代數(shù)和，即nCFWB nFiBiWj m dv/dt ma 式中：式中： FFi 表示各輪對(duì)牽引力之和；表示各輪對(duì)牽引力之和； BBi 表示各輪對(duì)制動(dòng)力之和表示各輪對(duì)制動(dòng)力之和 WWj 表示各種阻力之和表示各種阻力之和1 列車運(yùn)動(dòng)的三種工況列車運(yùn)動(dòng)的三種工況 n牽引工況牽引工況 F0，B0，W0，于是，于是CFW。若。若FW，列車可以加速運(yùn)行，若列車可以加速運(yùn)行，若F0，所以這時(shí)列車減速；，所以這時(shí)列車減速；n惰行工況惰行工況 F0，B0時(shí)的工況稱為惰行，即不對(duì)列車時(shí)的工況稱為惰行，即不對(duì)列車人為的施加作用力。這時(shí)人為的施加作用力。這時(shí)CW

12、（1）列車靠慣性運(yùn)行）列車靠慣性運(yùn)行惰行狀態(tài)。惰行狀態(tài)。nF=0, B=0時(shí)，時(shí)，C=Wm*a，nW0 則則 a0， 列車減速；列車減速；nW0， 列車加速；列車加速；（2）列車施加制動(dòng)力）列車施加制動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)狀態(tài)。nF0，B0時(shí)，時(shí)，C=（WB）m*a，nWB0， a0， 減速；減速；nWB0， 即即W|B|，則，則a0， 加速；加速；nWB0，則，則a0， 衡速衡速（3）列車施加牽引力）列車施加牽引力牽引狀態(tài)；牽引狀態(tài)；nF0，B0， C=FWm*anFW， a0， 加速；加速；nFW， a0， 減速；減速；nFW，a0， 恒速恒速;2 列車運(yùn)行阻力的分析列車運(yùn)行阻力的分析 列車運(yùn)

13、動(dòng)的阻力可以分為基本阻力和附加阻力。列車運(yùn)動(dòng)的阻力可以分為基本阻力和附加阻力。n基本阻力基本阻力 列車在運(yùn)行時(shí)，任何時(shí)候都存在的阻力列車在運(yùn)行時(shí)，任何時(shí)候都存在的阻力 軸頸與軸承之間的摩擦產(chǎn)生的阻力軸頸與軸承之間的摩擦產(chǎn)生的阻力 輪軌間的滾動(dòng)摩擦輪軌間的滾動(dòng)摩擦 軌間的滑動(dòng)摩擦軌間的滑動(dòng)摩擦 沖擊和振動(dòng)造成的運(yùn)行的阻力沖擊和振動(dòng)造成的運(yùn)行的阻力 空氣阻力空氣阻力 n由于影響基本阻力的因素極為復(fù)雜，在使用中由于影響基本阻力的因素極為復(fù)雜，在使用中通常按照由大量試驗(yàn)綜合得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行通常按照由大量試驗(yàn)綜合得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算計(jì)算 ；CRH2: =8.63+0.072v+0,00112v常規(guī)常

14、規(guī)Davis的單位基本阻力公式：的單位基本阻力公式： 1.590+0.00921v+0.000262v 上海地鐵上海地鐵1號(hào)線的單位基本阻力公式：號(hào)線的單位基本阻力公式： 2.27+0.00156v 2 22vCvBAwo222n附加阻力附加阻力 列車運(yùn)行時(shí)，在某一條件下才產(chǎn)生的阻力。列車運(yùn)行時(shí)，在某一條件下才產(chǎn)生的阻力。 坡道阻力；坡道阻力； 曲線附加阻力：曲線附加阻力： 列車橫向滑動(dòng)；輪緣與鋼軌間受壓的滑動(dòng)摩擦；同軸列車橫向滑動(dòng)；輪緣與鋼軌間受壓的滑動(dòng)摩擦；同軸輪對(duì)間的輪徑差引起的縱向滑動(dòng)摩擦；轉(zhuǎn)向架與車體輪對(duì)間的輪徑差引起的縱向滑動(dòng)摩擦；轉(zhuǎn)向架與車體的相對(duì)位移引起的阻力的相對(duì)位移引起的阻

15、力 隧道空氣附加阻力隧道空氣附加阻力 隧道內(nèi)正面空氣壓力與尾部負(fù)壓的壓力差所形成的隧道內(nèi)正面空氣壓力與尾部負(fù)壓的壓力差所形成的 壓力阻力；隧道內(nèi)車體表面紊流與車體表面的摩擦阻壓力阻力；隧道內(nèi)車體表面紊流與車體表面的摩擦阻力；力； 其他附加阻力：其他附加阻力： 如風(fēng)速風(fēng)向、氣溫降低引起滑油粘度增大、摩擦力如風(fēng)速風(fēng)向、氣溫降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大增大1.3 電牽引特性電牽引特性n機(jī)車運(yùn)行中牽引力隨機(jī)車速度變化的規(guī)律機(jī)車運(yùn)行中牽引力隨機(jī)車速度變化的規(guī)律 Ff（v）稱為機(jī)車牽引特性稱為機(jī)車牽引特性 ；n牽引特性是計(jì)算列車牽引力和制動(dòng)性能最重要牽引特性是計(jì)算列車牽引力和制動(dòng)性能最重要的原始數(shù)據(jù)；

16、的原始數(shù)據(jù)；n用列車的牽引、制動(dòng)功率確定牽引特性，用列車的牽引、制動(dòng)功率確定牽引特性， 用牽引特性計(jì)算列車的用牽引特性計(jì)算列車的牽引、制動(dòng)功率；牽引、制動(dòng)功率；n牽引特性是列車最重要的特性；牽引特性是列車最重要的特性；牽引特性曲線定義牽引特性曲線定義 牽引工作區(qū)域的限制：牽引工作區(qū)域的限制：n最大電流限制最大電流限制電電動(dòng)機(jī)的最大電流；動(dòng)機(jī)的最大電流；n粘著限制粘著限制最大可最大可用粘著系數(shù)；用粘著系數(shù)；n最大功率限制最大功率限制電電動(dòng)機(jī)的最大功率；動(dòng)機(jī)的最大功率；n構(gòu)造速度限制構(gòu)造速度限制機(jī)機(jī)車的最高速度車的最高速度 牽引特性曲線的穩(wěn)定性分析牽引特性曲線的穩(wěn)定性分析 牽引特性曲線的穩(wěn)定牽引特

17、性曲線的穩(wěn)定性條件性條件 牽引特性曲線牽引特性曲線Ff（v）的斜率小于）的斜率小于阻力曲線阻力曲線Wf（v）的斜率）的斜率VFoABCF1=f1(v)F2=f2(v)W=f(v)dvdWdvdFk0南京地鐵南京地鐵A W 3 M otoring Characteristic for N anjing M etro at 1500 to 1800V dcA W 3 M otoring Characteristic for N anjing M etro at 1500 to 1800V dcM otor: 4LCA 2138, W heel D iam eter: 805 m m , G ear

18、 Ratio: 6.94:1 (1% )M otor: 4LCA 2138, W heel D iam eter: 805 m m , G ear Ratio: 6.94:1 (1% )010020030040001020304050607080Speed (km /h)Speed (km /h)Tractive Effort (kN ) per 6-car trainTractive Effort (kN ) per 6-car train00. 511. 52A cceleration (m /s/s)A cceleration (m /s/s)Tract i ve Ef f ortTra

19、i n Resi st anceAccel erat i onCurve N o. 2002111 Issue ACurve N o. 2002111 Issue A北京地鐵北京地鐵DJ3機(jī)車機(jī)車1.4 牽引計(jì)算牽引計(jì)算n牽引計(jì)算是針對(duì)軌道交通運(yùn)輸中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)牽引計(jì)算是針對(duì)軌道交通運(yùn)輸中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題而進(jìn)行的科學(xué)計(jì)算問題而進(jìn)行的科學(xué)計(jì)算 ；n牽引計(jì)算主要計(jì)算列車在不同編組形式下的爬牽引計(jì)算主要計(jì)算列車在不同編組形式下的爬坡能力、起動(dòng)性能等各種技術(shù)性能和能耗等坡能力、起動(dòng)性能等各種技術(shù)性能和能耗等 ；n隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展和軌道隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展和軌道車輛國(guó)產(chǎn)化程度的不斷提高，進(jìn)行軌道車輛的車輛國(guó)產(chǎn)化程度的不斷提高，進(jìn)行軌道車