第1章电牵引原理精选PPT.ppt

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1、第1章电牵引原理第1页，此课件共38页哦1.1 牵引基础牵引基础n轨道交通工具都依赖车轮和钢轨之间的相互作轨道交通工具都依赖车轮和钢轨之间的相互作用从而使车辆运行的。因此，车轮和钢轨之间用从而使车辆运行的。因此，车轮和钢轨之间的相互作用的理论是轨道交通牵引的基本理论，的相互作用的理论是轨道交通牵引的基本理论，也是区别于其他种类运输方式的基本特点也是区别于其他种类运输方式的基本特点n牵引基础的主要内容是动车的牵引特性、调速牵引基础的主要内容是动车的牵引特性、调速和制动原理、牵引运用的特点、动车牵引的运和制动原理、牵引运用的特点、动车牵引的运动规律、牵引计算及所有对牵引特性有影响的动规律、牵引计算

2、及所有对牵引特性有影响的应用技术应用技术。第2页，此课件共38页哦1 1 牵引力和制动力的形成牵引力和制动力的形成n牵引力牵引力是使列车产生前进运动的外力，其方向是使列车产生前进运动的外力，其方向与运动方向相同；与运动方向相同；n制动力制动力是阻碍列车运动的外力，其方向与运动是阻碍列车运动的外力，其方向与运动方向相反；方向相反；n阻力阻力是列车运动中外界环境对车轮或车辆产生是列车运动中外界环境对车轮或车辆产生的阻碍其运动的力，其方向与运动方向相反；的阻碍其运动的力，其方向与运动方向相反；第3页，此课件共38页哦根据物理学原理，滚动运动可以看出是一个转动和一个平动的合成。于根据物理学原理，滚动运

3、动可以看出是一个转动和一个平动的合成。于是一方面轮对绕圆心是一方面轮对绕圆心O O转动，一方面轮对按前进方向平动，于是轮对向转动，一方面轮对按前进方向平动，于是轮对向前运行，也就是车轮前进方向运行；前运行，也就是车轮前进方向运行；C点为瞬时中心点点为瞬时中心点 C C点相对静止点相对静止转动和平动；转动和平动；fifiFiFiC C点相对静止；点相对静止；把产生相对静止点把产生相对静止点C C的现象称为的现象称为粘着粘着（adhesionadhesion），而），而fifiFiFi则是产生粘则是产生粘着的条件；着的条件；FiFi的产生是由于的产生是由于fifi平衡了平衡了FiFi，因此，因此钢

4、轨对轮轨的作用力钢轨对轮轨的作用力fifi就是使车辆运就是使车辆运行的外力，即牵引力。行的外力，即牵引力。第4页，此课件共38页哦粘粘 着着n如果如果fi不能完全平衡不能完全平衡Fi，即，即Fi fi，二者的差，二者的差值值fFi fi 将使轮对加速旋转，我们称这将使轮对加速旋转，我们称这种粘着失去的现象为空转种粘着失去的现象为空转；n在制动过程中，我们把粘着失去的现象称为滑在制动过程中，我们把粘着失去的现象称为滑行行；n现代对轮轨间相互作用传力机制的研究表明，现代对轮轨间相互作用传力机制的研究表明，粘着现象只反映轮对在钢轨上做滚动，粘着现象只反映轮对在钢轨上做滚动，n作用力作用力fi的产生是

5、由于轮轨间的微量滑动所产的产生是由于轮轨间的微量滑动所产生的，即所谓的蠕滑，因此将其称作为蠕滑力。生的，即所谓的蠕滑，因此将其称作为蠕滑力。第5页，此课件共38页哦2 粘着系数粘着系数 n为了描述由粘着产生牵引力的这个现象，我们为了描述由粘着产生牵引力的这个现象，我们定义了一个参量，粘着系数定义了一个参量，粘着系数，用以表示在一，用以表示在一定的轴重下，动轮对所能获得轮周牵引力的大定的轴重下，动轮对所能获得轮周牵引力的大小。即小。即 Fi/P，式中式中P是轮对的轴重，是轮对的轴重，Fi为由粘着产生的牵引为由粘着产生的牵引力或者说是由轮轨关系产生的蠕滑力。力或者说是由轮轨关系产生的蠕滑力。n最大

6、粘着系数最大粘着系数 umax n瞬时粘着系数瞬时粘着系数 第6页，此课件共38页哦 由于影响轮轨间关系的因素较多，因此粘着系由于影响轮轨间关系的因素较多，因此粘着系数是一个多元变量的函数，尽管目前还不能用数是一个多元变量的函数，尽管目前还不能用一个数学表达式来表示这个函数关系；一个数学表达式来表示这个函数关系；（p,k,m,）其中：其中：p 表示轮对对钢轨的正压力即法向压力；表示轮对对钢轨的正压力即法向压力；k 表示静摩擦系数；表示静摩擦系数；m 表示轮轨间接触面的长轴与短轴的比值；表示轮轨间接触面的长轴与短轴的比值；表示轮轨材料弹性系数表示轮轨材料弹性系数。滑动区滑动区粘着区粘着区轮轨接触

7、面示意图轮轨接触面示意图第7页，此课件共38页哦n影响粘着系数的设计因素：影响粘着系数的设计因素：（1）轴重和轨径的影响）轴重和轨径的影响（2）轮对和钢轨材值的影响）轮对和钢轨材值的影响（3）轮轨间的摩擦系数）轮轨间的摩擦系数（4）机车走行部的动力学性能）机车走行部的动力学性能 n列车运行中主要影响粘着系数的被动因素列车运行中主要影响粘着系数的被动因素 环境因素环境因素 主要指气候和钢轨表面污染的影响主要指气候和钢轨表面污染的影响；运用因素运用因素 驾驶人员的操作方法、驾驶人员的操作方法、速度、加速度、线路的特性等速度、加速度、线路的特性等；第8页，此课件共38页哦 粘着系数粘着系数并不是轮轨

8、间传力关系的表述，只是并不是轮轨间传力关系的表述，只是客观上轮轨间所能传递的牵引力大小的表征，客观上轮轨间所能传递的牵引力大小的表征，任何引起牵引力变化的现象都可以表示为粘着任何引起牵引力变化的现象都可以表示为粘着系数系数的变化，所以粘着系数的变化，所以粘着系数是电力牵引控制是电力牵引控制系统的一个重要参量系统的一个重要参量。第9页，此课件共38页哦3 粘着与电牵引系统粘着与电牵引系统n电牵引系统的根本目的是通过牵引电动机产生使列车电牵引系统的根本目的是通过牵引电动机产生使列车前进的动力前进的动力牵引力，而牵引力的产生则取决于轮轨牵引力，而牵引力的产生则取决于轮轨间的接触传力机制间的接触传力机

9、制；n电牵引系统与提高车辆的粘着系数电牵引系统与提高车辆的粘着系数umax无关，但与实无关，但与实际应用中的平均粘着系数际应用中的平均粘着系数up有关。电牵引系统通过控制手有关。电牵引系统通过控制手段可以提高应用粘着系数，提高列车的平均牵引力。段可以提高应用粘着系数，提高列车的平均牵引力。第10页，此课件共38页哦粘着控制粘着控制n使动轮对在各种不同的条件下都能充分发挥其应使动轮对在各种不同的条件下都能充分发挥其应用的牵引力，即充分利用粘着用的牵引力，即充分利用粘着；n能在工作点失去之后尽可能快地重新确定新的稳定运能在工作点失去之后尽可能快地重新确定新的稳定运行工作点行工作点；第11页，此课件

10、共38页哦严重空转的后果严重空转的后果第12页，此课件共38页哦1.2轮轨滚动接触理论轮轨滚动接触理论轮轨滚动接触理论是研究列车运动时，轮轨相对运动轮轨滚动接触理论是研究列车运动时，轮轨相对运动状态和接触斑上作用力的关系，是轮轨关系研究的状态和接触斑上作用力的关系，是轮轨关系研究的基础基础；从轮轨滚动接触理论我们可以了解从轮轨滚动接触理论我们可以了解 轮轨之间是如何传力的；轮轨之间是如何传力的；在一定的条件下轮轨之间能传递多大的力；在一定的条件下轮轨之间能传递多大的力；轮轨之间粘着的产生及失去；轮轨之间粘着的产生及失去；轮轨之间滑动的界定、轮轨之间滑动的界定、粘着与牵引力的关系等，粘着与牵引力

11、的关系等，为牵引控制系统的牵引力控制提供了理论依据和系统评价的衡量为牵引控制系统的牵引力控制提供了理论依据和系统评价的衡量标准标准。第13页，此课件共38页哦1轮轨接触理论的发展回顾轮轨接触理论的发展回顾n轮轨轮轨接触式接触式载载运工具的摩擦运工具的摩擦传传力（粘着）机制一直使力（粘着）机制一直使用的是用的是库仑库仑定律和赫定律和赫兹兹理理论论。n在在滚动滚动接触研究中首次涉及蠕滑概念的是英国人卡特接触研究中首次涉及蠕滑概念的是英国人卡特（Carter F.W.）应应用用弹弹性理性理论论求解二求解二维弹维弹性体性体滚动滚动接触接触问题问题，给给出了出了接触斑中粘着区和滑接触斑中粘着区和滑动动区

12、的划分，指出区的划分，指出车轮车轮在在钢轨钢轨上上运运动时动时，车轮车轮不是作不是作纯滚动纯滚动，而是包含了微小的滑，而是包含了微小的滑动动nCarter之后的之后的20多年，多年，Carter的理的理论论没有充分地开没有充分地开拓拓第14页，此课件共38页哦n20世纪世纪50-60年代，物理界和铁路界研究开始结合年代，物理界和铁路界研究开始结合n剑桥大学的约翰逊（剑桥大学的约翰逊（Johnson K.L）教授是第一个将自）教授是第一个将自旋概念引入滚动接触研究的学者；旋概念引入滚动接触研究的学者；n轮轨蠕滑理论研究方面做出最大贡献的是荷兰德尔轮轨蠕滑理论研究方面做出最大贡献的是荷兰德尔夫特（

13、夫特（Delft）理工大学的）理工大学的Kalker J.J教授教授 在粘着面内没有滑动；在粘着面内没有滑动；在在 滑动面积内有滑动面积内有Z的切向牵引力；的切向牵引力；在滑动面积内，牵引与滑动之间通常保持一个角度；在滑动面积内，牵引与滑动之间通常保持一个角度；第15页，此课件共38页哦n1972年年Kalker提出了简化理论，引入表面污染提出了简化理论，引入表面污染层的弹性参数，缩短了计算时间层的弹性参数，缩短了计算时间n1979年年Kalker针对机车车辆接触的特定条件发针对机车车辆接触的特定条件发表了表了Survey of wheel-rail contact theory，把，把轮轨位

14、移和牵引力之间的关系与运用于特定条轮轨位移和牵引力之间的关系与运用于特定条件的基本构成关系联系起来件的基本构成关系联系起来nDUVOROL计算程序，该计算程序能处理三维计算程序，该计算程序能处理三维的滚动接触问题。的滚动接触问题。目前世界各国公认目前世界各国公认Kalker的研究成果是蠕滑理论的的研究成果是蠕滑理论的权威之作，也是粘着控制的基本理论。权威之作，也是粘着控制的基本理论。第16页，此课件共38页哦2蠕滑系统与轮轨相互作用力蠕滑系统与轮轨相互作用力1蠕滑现象蠕滑现象 轮对的圆周速度将必然比移动速度高 这两种速度之差对名这两种速度之差对名义速度之比，定义为义速度之比，定义为蠕滑（假滑动

15、）蠕滑（假滑动）CompressionCompressionEtirementEtirementContact第17页，此课件共38页哦2轮轨接触面的传力现象轮轨接触面的传力现象VcVt2F2VcVt1F1VcVt3F3粘着粘着第18页，此课件共38页哦3 3蠕滑率与粘着系数蠕滑率与粘着系数n 轮对速度，机车运行速度n粘着蠕滑特性曲线第19页，此课件共38页哦我们的结论：轮轨之间不是一种纯滚动，而是带有微量滑动的轮轨之间不是一种纯滚动，而是带有微量滑动的滚动。而正是这种微量滑动，才使得轮轨之间产滚动。而正是这种微量滑动，才使得轮轨之间产生摩擦传力（产生牵引力）。在一定的轮轨条件生摩擦传力（产生

16、牵引力）。在一定的轮轨条件下，轮轨间允许传递的力有一个最大值。如果驱下，轮轨间允许传递的力有一个最大值。如果驱动力超过这个最大值。就将使轮轨的微量滑动成动力超过这个最大值。就将使轮轨的微量滑动成为宏观上的滑动，从而从根本上取消了产生传力为宏观上的滑动，从而从根本上取消了产生传力的基础。因此在任何时刻，各种运行条件下，维的基础。因此在任何时刻，各种运行条件下，维持轮轨间的微量滑动是保持机车牵引力的重要基持轮轨间的微量滑动是保持机车牵引力的重要基础础。第20页，此课件共38页哦1.3 列车运动方程列车运动方程n列车在运行中受到多种外力的影响。作用在列列车在运行中受到多种外力的影响。作用在列车上的总

17、合力车上的总合力C是机车牵引力是机车牵引力F、列车总阻力、列车总阻力W和列车总制动力和列车总制动力B的代数和，即的代数和，即nCFWB nFiBiWj m dv/dt ma 式中：式中：FFi 表示各轮对牵引力之和；表示各轮对牵引力之和；BBi 表示各轮对制动力之和表示各轮对制动力之和 WWj 表示各种阻力之和表示各种阻力之和第21页，此课件共38页哦1 列车运动的三种工况列车运动的三种工况 n牵引工况牵引工况 F0，B0，W0，于是，于是CFW。若。若FW，列车可以加速运行，若，列车可以加速运行，若F0，所以这时列车减速；，所以这时列车减速；n惰行工况惰行工况 F0，B0时的工况称为惰行，即

18、不对列车时的工况称为惰行，即不对列车人为的施加作用力。这时人为的施加作用力。这时CW第22页，此课件共38页哦（1）列车靠惯性运行）列车靠惯性运行惰行状态。惰行状态。nF=0,B=0时，时，C=Wm*a，nW0 则则 a0，列车减速；列车减速；nW0，列车加速；列车加速；（2）列车施加制动力）列车施加制动力制动状态。制动状态。nF0，B0时，时，C=（WB）m*a，nWB0，a0，减速；减速；nWB0，即即W|B|，则，则a0，加速；加速；nWB0，则，则a0，衡速衡速第23页，此课件共38页哦（3）列车施加牵引力）列车施加牵引力牵引状态；牵引状态；nF0，B0，C=FWm*anFW，a0，加

19、速；加速；nFW，a0，减速；减速；nFW，a0，恒速恒速;第24页，此课件共38页哦2 列车运行阻力的分析列车运行阻力的分析 列车运动的阻力可以分为基本阻力和附加阻力。列车运动的阻力可以分为基本阻力和附加阻力。n基本阻力基本阻力 列车在运行时，任何时候都存在的阻力列车在运行时，任何时候都存在的阻力 轴颈与轴承之间的摩擦产生的阻力轴颈与轴承之间的摩擦产生的阻力 轮轨间的滚动摩擦轮轨间的滚动摩擦 轨间的滑动摩擦轨间的滑动摩擦 冲击和振动造成的运行的阻力冲击和振动造成的运行的阻力 空气阻力空气阻力 第25页，此课件共38页哦n由于影响基本阻力的因素极为复杂，在使用中由于影响基本阻力的因素极为复杂，

20、在使用中通常按照由大量试验综合得出的经验公式进行通常按照由大量试验综合得出的经验公式进行计算计算；CRH2:=8.63+0.072v+0,00112v常规常规Davis的单位基本阻力公式：的单位基本阻力公式：1.590+0.00921v+0.000262v 上海地铁上海地铁1号线的单位基本阻力公式：号线的单位基本阻力公式：2.27+0.00156v 2 2222第26页，此课件共38页哦n附加阻力附加阻力 列车运行时，在某一条件下才产生的阻力。列车运行时，在某一条件下才产生的阻力。坡道阻力；坡道阻力；曲线附加阻力：曲线附加阻力：列车横向滑动；轮缘与钢轨间受压的滑动摩擦；同轴轮列车横向滑动；轮缘

21、与钢轨间受压的滑动摩擦；同轴轮对间的轮径差引起的纵向滑动摩擦；转向架与车体的相对间的轮径差引起的纵向滑动摩擦；转向架与车体的相对位移引起的阻力对位移引起的阻力 隧道空气附加阻力隧道空气附加阻力 隧道内正面空气压力与尾部负压的压力差所形成的隧道内正面空气压力与尾部负压的压力差所形成的 压压力阻力；隧道内车体表面紊流与车体表面的摩擦阻力；力阻力；隧道内车体表面紊流与车体表面的摩擦阻力；其他附加阻力：其他附加阻力：如风速风向、气温降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大如风速风向、气温降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大第27页，此课件共38页哦1.3 电牵引特性电牵引特性n机车运行中牵引力随机车速度变化的规律

22、机车运行中牵引力随机车速度变化的规律 Ff（v）称为机车牵引特性称为机车牵引特性；n牵引特性是计算列车牵引力和制动性能最重要牵引特性是计算列车牵引力和制动性能最重要的原始数据；的原始数据；n用列车的牵引、制动功率确定牵引特性，用列车的牵引、制动功率确定牵引特性，用牵引特性计算列车的用牵引特性计算列车的牵引、制动功率；牵引、制动功率；n牵引特性是列车最重要的特性；牵引特性是列车最重要的特性；第28页，此课件共38页哦牵引特性曲线定义牵引特性曲线定义 牵引工作区域的限制：牵引工作区域的限制：n最大电流限制最大电流限制电动机电动机的最大电流；的最大电流；n粘着限制粘着限制最大可用粘最大可用粘着系数；

23、着系数；n最大功率限制最大功率限制电动机电动机的最大功率；的最大功率；n构造速度限制构造速度限制机车的机车的最高速度最高速度 第29页，此课件共38页哦牵引特性曲线的稳定性分析牵引特性曲线的稳定性分析 牵引特性曲线的稳定牵引特性曲线的稳定性条件性条件 牵引特性曲线牵引特性曲线Ff（v）的斜率小于）的斜率小于阻力曲线阻力曲线Wf（v）的斜率）的斜率第30页，此课件共38页哦南京地铁南京地铁第31页，此课件共38页哦北京地铁北京地铁第32页，此课件共38页哦DJ3机车机车第33页，此课件共38页哦1.4 牵引计算牵引计算n牵引计算是针对轨道交通运输中的技术、经济问题而牵引计算是针对轨道交通运输中的

24、技术、经济问题而进行的科学计算进行的科学计算 ；n牵引计算主要计算列车在不同编组形式下的爬坡能牵引计算主要计算列车在不同编组形式下的爬坡能力、起动性能等各种技术性能和能耗等力、起动性能等各种技术性能和能耗等 ；n随着我国轨道交通建设事业的不断发展和轨道车随着我国轨道交通建设事业的不断发展和轨道车辆国产化程度的不断提高，进行轨道车辆的牵引辆国产化程度的不断提高，进行轨道车辆的牵引计算研究具有一定的必要性和紧迫性。计算研究具有一定的必要性和紧迫性。第34页，此课件共38页哦牵引计算的研究内容牵引计算的研究内容n作用在列车上的外力；作用在列车上的外力；n研究列车运动和力的关系；研究列车运动和力的关系

25、；n研究与列车运动有关问题的解算：研究与列车运动有关问题的解算：列车运行速度和时间的计算；列车运行速度和时间的计算；动车能耗的计算；动车能耗的计算；牵引重量的计算；牵引重量的计算；列车制动的计算；列车制动的计算；牵引试验、制动试验等的有关理论问题；牵引试验、制动试验等的有关理论问题；第35页，此课件共38页哦牵引计算的主要作用牵引计算的主要作用 n在运输管理方面，编制满足运输能力要求的列在运输管理方面，编制满足运输能力要求的列车运营图必须进行的牵引计算，牵引计算是编车运营图必须进行的牵引计算，牵引计算是编制列车运行图和运行时刻表的依据；制列车运行图和运行时刻表的依据；n合理的选定主变电所的容量和位置分布必须依合理的选定主变电所的容量和位置分布必须依靠大量的牵引计算。靠大量的牵引计算。n可以预算列车特性来为牵引电机和逆变器的选可以预算列车特性来为牵引电机和逆变器的选型提供参考；型提供参考；n通过牵引计算来核算车辆的部分技术指标是否通过牵引计算来核算车辆的部分技术指标是否达到了线路的技术要求；达到了线路的技术要求；n为了合理地布置行车信号机的分布也要进行牵为了合理地布置行车信号机的分布也要进行牵引计算；引计算；第36页，此课件共38页哦车辆运行曲线与电机特性控制方式车辆运行曲线与电机特性控制方式 第37页，此课件共38页哦第38页，此课件共38页哦