第1章电牵引原理

1、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、牵引计算及所有对牵引特性有影响的应用技术应用技术

2、。 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； O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。于是一方面轮对绕圆心的合成。于是一方面轮对绕圆心O O

3、转动，一方面轮对按前进转动，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；方向平动，于是轮对向前运行，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黏黏着着（adhesionadhesion），而），而fifiFiFi则是则是产生粘着的条件；产生粘着的条件；FiFi的产生是由于的产生是由于fifi平衡了平衡了FiFi，因，因此此钢轨对轮轨的作用力钢轨对轮轨的作用力fifi就是使车辆就是使车辆运行的外力，即牵引

4、力。运行的外力，即牵引力。fifiFi黏黏 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，二者的差值差值fFi fi 将使轮对加速旋转，我们将使轮对加速旋转，我们称这种黏着失去的现象为空转称这种黏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

5、为蠕滑力。生的，即所谓的蠕滑，因此将其称作为蠕滑力。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最大粘着系数最大粘着系数 umax n瞬时粘着系数瞬时粘着系数 粘着系数粘着系数并不是轮轨间传力关系的表述，

6、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只是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的表征，任何引起牵引力变化的现象都可以表示为粘着系数以表示为粘着系数的变化，所以粘着系数的变化，所以粘着系数是电力牵引控制系统的一个重要参量是电力牵引控制系统的一个重要参量 。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列车前进的动力牵引力，而牵引力的产生则取牵引力，而牵引力的产生则取决于轮轨间的接触传力机制决于轮轨间的接触传力机制 ；n电牵引系统与提高车辆的粘着系数电

7、牵引系统与提高车辆的粘着系数umax无关，但无关，但与实际应用中的平均粘着系数与实际应用中的平均粘着系数up有关。电牵引系有关。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。车的平均牵引力。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，即充分利用粘着应用的牵引力，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稳定运行工作点 ；严重空转的后果严重空转的后果1.2轮轨滚动接触理论轮轨滚动接触理论轮轨滚动接

8、触理论是研究列车运动时，轮轨相对运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，是轮轨关系研动状态和接触斑上作用力的关系，是轮轨关系研究的基础究的基础；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为牵引控制系统的牵引力控制提供了理论依据和

9、系统评价的衡量标准衡量标准。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 这两种速度之差对这两种速度之差对名义速度之比，定义名义速度之比，定义为蠕滑（假滑动）为蠕滑（假滑动）CompressionCompressionEtirementEtirementContact我们的结论： 轮轨之间不是一种纯滚动，而是带有微量滑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，才使得轮动的滚动。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）。在一轨之间产生摩擦传力（产生牵引力）。在一定的轮轨条件下，轮轨间允许传递的

10、力有一定的轮轨条件下，轮轨间允许传递的力有一个最大值。如果驱动力超过这个最大值。就个最大值。如果驱动力超过这个最大值。就将使轮轨的微量滑动成为宏观上的滑动，从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的基础。因此在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，维持轮轨间的任何时刻，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础微量滑动是保持机车牵引力的重要基础。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

11、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

12、（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（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， 加速；加速；nFW， a0， 减速；减速；nFW，a0， 恒速恒速;2 列车运行阻力的分析列车运行阻力的分析 列车运

13、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 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，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

14、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 22vCvBAwo222n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；同轴列车横向滑动；轮缘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位移引起的阻力的相对位移引起的阻

15、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 压力阻力；隧道内车体表面紊流与车体表面的摩擦阻压力阻力；隧道内车体表面紊流与车体表面的摩擦阻力；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、摩擦力如风速风向、气温降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大增大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；

16、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；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电动机的最大电流；动机的最大电流；n粘着限制粘着限制最大可最大可用粘着系数；用粘着系数；n最大功率限制最大功率限制电电动机的最大功率；动机的最大功率；n构造速度限制构造速度限制机机车的最高速度车的最高速度 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

17、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VFoABCF1=f1(v)F2=f2(v)W=f(v)dvdWdvdFk0南京地铁南京地铁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北京地铁北京地铁DJ3机车机车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、经济牵引计算是针对轨道交通运输中的技术、经济问题而进行的科学计算问题而进行的科学计算 ；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坡能力、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，进行轨道车辆的车辆国产化程度的不断提高，进行轨道车