动车组牵引制动性能计算-培训中心.ppt

第六章动车组牵引制动性能 200 km hEMU电动车组采用动力分散交流传动牵引模式 适应在铁路既有线上以160 km h速度级正常运行 在新建的客运专线并能在既有线指定区段上以200 km h速度级正常运行 这里对于动车组牵引制动相关的环境 线路等运行条件以及动车组的主要技术参数予以简单介绍 一 动车组运用条件 1 动车组运用的自然环境 气温条件 25 40 C 相对湿度 95 月平均最低温度25 C时 海拔高度 1 500 m 最大风速 一般年份15 m s 偶遇30 m s 气候特点 有风 沙 雨 雪天气 偶有盐雾 酸雨 沙尘暴等现象 2 动车组运行的线路条件 200 km h速度等级线路区段的线路参数如下 坡道 区间最大坡度 12 困难条件下20 站段联络线坡度 30 最小曲线半径 2 200 m 缓和曲线 三次抛物线型 线间距 4 2m 到发线有效长度 650m 困难条件下520m 最大超高 150 mm 最大超过允许值 110 mm 道岔限速 区间道岔直向通过速度 200 km h 进出站为18号可动心轨道岔 导曲线半径为1 200 m 侧向通过限速80 km h 和12号可动心轨提速道岔 侧向通过速度50 km h 竖曲线半径 15 000 m 车站站台高度 500 1 200 mm 车站站台边缘距轨道中心线的距离 1 750 mm 正线数目 双线 轨底坡 1 40 既有线线路其他有关参数如下 坡道 30 轨底坡 1 40 3 列车运用特点 列车为两端均可操纵控制的动车组 可单列运行 也可两列联挂运行 两列联挂时间 3 min 列车立即折返时间 16 min 运行特点 客货混运 适合于既有线列车混运 动车组不通过驼峰 不与货车混编 救援列车 救援机车 采用自动空气制动机和15号自动车钩 4 动车组供电系统 额定电压 单相交流25 kV 50 Hz 最高电压 31 kV 最低电压 17 5 kV 符合我国铁路干线电力牵引交流电压标准 线路设点式信号设备为列车提供过分相位置信号 5 限界符合电力机车限界和客运专线机车车辆限界暂行规定 6 信号闭塞分区长度一般为1 000 1 200 m 二 对动车组的基本要求 200km h速度等级的旅客列车采用交流传动 动力分散式动车组 动车组牵引系统应具备功率冗余 动车组应有识别的标记 路徽 配属局段简称 车型 车号 定员 自重 载重 全长 最高运行速度 制造厂名及日期 定期修理的日期及处所 应有 高压危险禁止攀登 的标识 动车组应具有列车运行安全监控功能 对重要的运行部件和功能系统进行实时监测 报警和记录 并能提前向检修基地传输 动车组应装备CTCS 2级列控车载设备 以下简称列控车载设备 和列车运行监控记录装置 以下简称LKJ 制动初速度为200km h时 列车紧急制动距离限值为2000m 动车组制动机采用计算机控制直通式电空制动系统 制动系统具备动力制动和空气制动的功能 当动力制动能力不足或丧失时 使用空气制动补充 仍须保证规定的紧急制动距离 装备停放制动装置的动车组 应具有在20 坡道上停放制动时不溜逸的能力 动车组应装备车载自动过电分相装置 动车组须按规定随车配备行车备品及过渡车钩 电气连接线 专用风管及止轮器 并存放在固定地点 新造动车组以及检修后按检修规程规定需要试运行的动车组 应安排上线运营前的试运行工作 三 动车组主要技术参数 编组形式 8辆编组 动力配置 4 M 4T 定员 610人 最高运行速度 200km h 最高试验速度 250km h 适应轨距 1 435 mm 适应站台高度 传动方式 交直交 三相交流感应电动机 VVVF逆变器控制方式 电力再生制动方式 带空转滑行控制 牵引功率 4800kW 编组重量级长度 204 9 m 345 t 车体型式 大型中空型材铝合金车体 轴重 14 t 轮径 860 790mm 起动加速度 0 406 m s s 制动方式 直通式电空制动 电力再生制动 制动距离 初速200 km h 1 800 m 1个列车单元 8辆编组 的车辆构成如下表所示 注 T为拖车 M为动车 C带司机台 K带车内小卖部 S为一等车 第二节动车组的牵引特性曲线 动车组的牵引特性曲线是指动车组牵引力随速度变化的曲线 是动车组最重要的性能曲线 在计算动车组的牵引与制动性能的时候 牵引特性曲线是最重要的原始数据 一 动车组牵引特性的特点 国外各种高速电动车组的牵引特性曲线 低速区特性平坦或随速度升高而下降 这样的特性与动车组的粘着特性随速度的变化趋势是相适应的 牵引力数值与内燃机车 电力机车的牵引力相比小很多 由于中高速动车组大都采用轻量化技术 与普通旅客列车比列车重量小 所以仍然具有较高的起动加速能力 或功率重量比 高速区特性为恒功率曲线 牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降 这一点与普通内燃 电力机车的恒功牵引特性曲线是相似的 但恒功范围略小 一般在2 3左右 且向高速区移动 对于最高运行速度300 km h的动车组 恒功范围起始点多在100 km h以上 因采用动力分散牵引模式 在正常轨面状态下 起动时及低速范围的牵引力低于粘着限制曲线较多 因此 在动车组的牵引特性曲线图中粘着特性曲线通常是不画出来的 在动车组的牵引特性曲线上通常不标注最低持续速度 因为在全功率下 即便在20 以上甚至接近30 的坡道上 列车的均衡速度仍然在恒功区以内 牵引电机的散热能力在允许范围 换句话说 在正线运行时 坡道12 不会出现全功率 低速持续运行的工况 二 CRH2的牵引特性曲线 CRH2的牵引特性曲线 级位 CRH5的牵引特性曲线 CRH1的牵引特性曲线 F 176 0 36V0 V 125 km hF 16250 VV 125 km h 动车组运行于平直道和12 20 30 直坡道上的牵引力与基本运行阻力的相对关系曲线 由图可以看出 列车运行于12 无隧道的直坡道上的均衡速度在200 km h以上 1 牵引力曲线牵引力为EMU所要求的全功率对应得最大牵引力 牵引力在从0 125 km h的速度范围内 以速度0km h的牵引力为基点按一定斜率下降 在速度125 km h以上范围内 牵引力与速度呈双曲线下降 恒功率 的趋势 2 牵引力与速度的关系一般来说 所需牵引力按照下列公式计算 N 加速度以下式计算 m s2 在EMU加速时 不仅对车体加速 也需要施加力量来克服车轮 车轴 制动盘片 驱动用电动机 齿轮装置等旋转部分的惯性力矩 以使车轮旋转 加速 从计算的角度 用旋转部分的等效重量计算 换算的系数定义为惯性系数 惯性系数的值因EMU的 车 有驱动电动机 齿轮装置 与T车的比例 动拖比 不同而不同 一般由照动车组的技术规格所规定 车辆的等价重量按照G 1 来计算 2 运行阻力 曲线中的虚线表示无隧道 直线 平坡及最大坡度12 下对应的运行阻力 按照实际计算 在208 km h附近 牵引力曲线与运行阻力 12 曲线相交 这一点是坡度12 对应的EMU的均衡速度点 对于平直道 在250 km h点 牵引力超出运行阻力 表明还有继续加速的余量 用剩余加速度来表示 即250 km h时剩余加速度0 059 m s2 200 km h时剩余加速度0 124 m s2 起动时的加速度要求有0 406 m s2 3 单点划线表示电动机电压 破折线表示电动机电流 电动机电压在速度175 km h前 设定为V f 电压 频率 达到一定值时加速 电压 频率与速度略呈比例 速度175 km h以上时电动机电压为一定值 电动机电流在速度125 km h前 与牵引力呈比例下降 从125 175km h是基本上与速度成反比例减少 即 电动机电压与电动机电流之积保持一定值 表示在这种状态下进入推移的稳定能量加速区域 此外 在175 km h以上时 如前所述 电动机电压一定 所以如果暂定功率因数暂无变化 由于是稳定能量 电流会按照一定值推移 但是 在图中 电动机电流是随着速度的上升而下降的 4 运行速度营业运行速度200km h最高试验速度250km h 第三节动车组的粘着 我们已经知道 粘着系数和轮轨接触几何尺寸 接触区域状态 动轮直径 运行速度等有关 动车组高速运行时 轮轨间的接触条件恶化 粘着系数降低 另一方面 动车组动轮直径比内燃 电力机车的小 所以 动车组的粘着系数比机车的粘着系数小 ICE和TGV高速动车组由于采用动力集中或相对集中的牵引方式 列车轴重大 故粘着系数高于动力分散的日本新干线高速动车组 0 100 300系 值得说明的是 动车组速度在250 200 km h之间 且轨面状态不好时 粘着系数大约为0 077 0 083之间 粘着允许的制动减速度为0 76 0 81m s2 因此 200 km hEMU的平均制动减速度都处于边缘 因此 采取增粘措施 采用踏面清扫器 和防滑措施 采用防滑控制 是制动系统必须的 这样 动车组的最大制动减速度在轨面状态较好时或轨面湿润时 都在一定程度上得到保障 第四节动车组的阻力特性 不同列车速度下空气阻力所占的比例 高速动车组的速度都在200 km h以上 空气阻力占主导地位 所以动车组往往从头尾部以及整个列车的流线型 包括车顶和车下设备 来减低空气阻力 并尽量降低表面粗糙度和列车高度 基本阻力中各部分的比例 基本阻力的计算 N t 计算运行阻力的公式还有相近的公式 一般在动车组的技术规格中作规定 此处所列公式为200km hEMU的基础原型车的实测值 第五节动车组的牵引功率 动车组运行速度高 运行阻力随之增大 必须有足够的动力来克服增大阻力 1 功率配置动车组的功率主要与运行的目标速度 列车总重 最高速度时剩余加速度有关 参照 欧洲高速铁路联网高速列车技术条件 平直道最高速度运行时 应有剩余加速度0 05 m s s 加速过程平均加速度 0 40 km h0 48 m s s0 120km h0 32 m s s0 160km h0 17 m s s 考虑15 km h的逆风 列车 轮周 功率按平直道最高速度200 km h 考虑15 km h的逆风运行时 仍有剩余加速度0 05 m s s 牵引电机总功率 实际电机功率 300X16 4 800kW单位列车重量牵引功率 11 74 kw t 2 功率与列车最大运行速度的关系 功率与列车最大运行速度的关系 列车重量400t 3 高速动车组的功率重量比 4 地铁轻轨车辆的功率重量比四轴车12 kW t六轴铰接车11 kW t八轴铰接车10 kW t由此看出 200 km hEMU动车组的功率重量比与其他电动车组的功率重量比是一致的 第六节动车组的起动加速性能计算 一 起动加速过程加速度 1 起动加速度列车在定员载荷 平直道的起动加速度为0 402 m s2 起动平均加速度 0 40连续加速 S 165m a 0 38 m s20 80连续加速 S 713m a 0 365 m s20 120连续加速 S 1757m a 0 33 m s20 160连续加速 S 3651m a 0 30 m s20 200连续加速 S 7286m a 0 25 m s20 250连续加速 S 17 32km a 0 184 m s2 2 剩余加速200km h行驶时 0 1 m s2 实际计算结果 0 126 m s2 250km h行驶时 0 05 m s2 实际计算结果 0 0605 m s2 从平直道的运行阻力与牵引力的关系曲线也可以看出 在250 km h点 牵引力超出行驶阻力 显示出还有继续加速的余量 使用加速度来表示这一剩余加能力的话 就是在加速性能曲线中记录的剩余加速度所表示的加速度值 要求达到250 km h时0 059 m s2 200 km h时0 124 m s2 二 各手柄级位均衡速度 动车组在各牵引级位下的运行于无隧道的平直道上的均衡速度如表 三 起动加速过程 平直道上起动加速 假设起动时间为1秒 起动加速过程如表 四 不同动拖比编组的起动加速能力对比 在相同电机功率 相同牵引总重量等计算条件下 动车组的平均加速度如表所示 不同动拖比编组的起动加速图示 五 其他高速动车组的起动加速性能对比 第七节动车组的制动计算 一 动车组制动要求当动车组配置了11 7kW t的牵引功率 在牵引工况 当列车从0 200 km h加速时 加速运行距离为7 3km 当从0 250 km h加速时 加速运行距离为17 3 km 但制动工况就不同了 列车制动距离要比起动加速距离短得多 我国铁路技术政策规定 当最高速度为250 km h 要求制动距离 2 700 m 约为加速运行距离的1 6 制动平均减速度a 0 9 m s2 约为平均起动加速度的5倍 当最高速度为200 km h 要求制动距离 2 000 m 约为加速运行距离的1 4 制动平均减速度a 0 77 m s2 约为平均起动加速度的3倍当最高速度为250 km h 要求制动距离2 700 m 制动减速度0 9 m s2时 针对制动等级为EB 快速制动 列车编组方式为4M4T的列车进行制动距离的计算 其中 取制动单元为1M1T 制动方式为纯空气制动或电制动 空气制动 路面分DRY 干轨 和WET 湿轨 两种状态分别考虑 并假定制动初速度为200km h 铁路 技规 规定200km h速度等级列车制动距离为2000m 制动距离空走距离空走时间 2 3 s 初速度为200km h下的空走距离 各速度段制动所需制动距离 列车总制动距离 列车总制动距离计算结果 结论不论干轨和湿轨的制动距离均小于2000米 满足 技规 的规定 200km h初速制动距离 160km h初速制动距离 三 再生制动 空气制动性能曲线 四 停坡验算 装备停放制动装置的动车组 应具有在20 坡道上停放制动时不溜逸的能力20 坡道上的下滑力 408 5tx20 81 7kN最大停放制动力 408 5x1 12 457 52kN按制动缸剩余290kPa计算 制动力可达190kN以上 五 安全制度规定 动车组按LKJ方式行车时 列车最高运行速度165km h 167km h报警 170km