第6章机车车辆牵引理论

1、第二篇 动车组相关理论第第6章章 轨道交通车辆牵引理论轨道交通车辆牵引理论第第7章章 轨道交通车辆动力性能分析轨道交通车辆动力性能分析第第8章章 轨道交通车辆结构强度设计轨道交通车辆结构强度设计第第9章章 轨道交通车辆总体设计轨道交通车辆总体设计第六章 轨道交通车辆牵引理论第第1节节 机车牵引力的产生机车牵引力的产生第第2节节 列车制动力的产生列车制动力的产生第第3节节 列车运动阻力列车运动阻力第1节 机车牵引力的产生机车牵引力的产生一、机车牵引力的产生原理一、机车牵引力的产生原理二、粘着定律二、粘着定律一、机车牵引力的产生原理机车牵引力的产生原理 设牵引电动机产生的扭矩通过齿轮传动，最后使轮

2、对获得扭矩设牵引电动机产生的扭矩通过齿轮传动，最后使轮对获得扭矩M。如果机车被。如果机车被悬空，轮对离开钢轨，则该扭矩悬空，轮对离开钢轨，则该扭矩M作为内力矩，只能使轮对进行旋转运动，而不能作为内力矩，只能使轮对进行旋转运动，而不能使机车进行前进或后退的平移运动。使机车进行前进或后退的平移运动。 当机车置于钢轨上，轮对与钢轨成为有压力的当机车置于钢轨上，轮对与钢轨成为有压力的接触时，就产生轮对作用于钢轨的力接触时，就产生轮对作用于钢轨的力F，力，力F与转矩与转矩M成正比。由力成正比。由力F所引起的钢轨所引起的钢轨作用于轮对的反作用力作用于轮对的反作用力Fk。，就是使机车发生平移运动的外力。，就

3、是使机车发生平移运动的外力。 将所有各动轮受到的钢轨反作用力加到一起，就得到的这种由钢轨沿机车运行将所有各动轮受到的钢轨反作用力加到一起，就得到的这种由钢轨沿机车运行方向加于动轮轮周上的总切向外力称为轮周牵引力。方向加于动轮轮周上的总切向外力称为轮周牵引力。二、粘着定律1、基本概念、基本概念2、粘着定律、粘着定律1、基本概念1. 粘着：动轮与钢轨接触处，由于正压力而出粘着：动轮与钢轨接触处，由于正压力而出现的保持轮轨接触处相对静止、而不相对滑动的现的保持轮轨接触处相对静止、而不相对滑动的现象称为现象称为“粘着粘着”。2. 蠕滑：蠕滑： 在动轮正压力的作用下，轮轨接触处在动轮正压力的作用下，轮轨

4、接触处产生弹性形，形成椭圆形的接触面。从微观上看，产生弹性形，形成椭圆形的接触面。从微观上看，两接触面是粗糙不平的。由于切向力的作用，动两接触面是粗糙不平的。由于切向力的作用，动轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面产轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面产生新弹性变形，接触面间出现微量滑动，即所谓生新弹性变形，接触面间出现微量滑动，即所谓“蠕滑蠕滑”。 3. “蠕滑率蠕滑率”：由于由于蠕滑蠕滑的存在，动轮的滚动的存在，动轮的滚动圆周速度将比其前进速度高，用圆周速度将比其前进速度高，用蠕滑蠕滑率表示率表示蠕滑蠕滑的大小。的大小。2、粘着定律蠕滑系数又称为粘着系数，它是轴重、接触椭圆的长短轴

5、比、泊松比、蠕滑系数又称为粘着系数，它是轴重、接触椭圆的长短轴比、泊松比、弹性模数、库伦摩擦系数的函数。弹性模数、库伦摩擦系数的函数。影响粘着系数的因素：影响粘着系数的因素：（1）机车本身）机车本身(包括结构因素、运行速度等包括结构因素、运行速度等)。（2）轨道。）轨道。轨面状态影响很大，不良的轨面状态轨面状态影响很大，不良的轨面状态(脏、油、湿、冰膜脏、油、湿、冰膜)能使蠕滑系数下降一半以上能使蠕滑系数下降一半以上 。（3） 外界条件外界条件(包括气候、污染及撒砂等包括气候、污染及撒砂等)。 由于回旋蠕滑率在一般情况下不大，纵向蠕滑力系数与横向蠕得力由于回旋蠕滑率在一般情况下不大，纵向蠕滑力

6、系数与横向蠕得力系数在数值上的差异也不是很显著，为了简化起见，不考虑回旋蠕滑，系数在数值上的差异也不是很显著，为了简化起见，不考虑回旋蠕滑，并近似地取纵向蠕滑系数等于横向蠕滑系数。下面蠕滑力系数公式适并近似地取纵向蠕滑系数等于横向蠕滑系数。下面蠕滑力系数公式适用于小位移范围的：用于小位移范围的：当轮轨间出现最大粘着力后，若继当轮轨间出现最大粘着力后，若继续加大驱动转矩，切向力续加大驱动转矩，切向力Fi将大于最将大于最大粘着力，轮轨间出现相对滑动，粘大粘着力，轮轨间出现相对滑动，粘着状态被破坏。轮轨间出现相对滑动着状态被破坏。轮轨间出现相对滑动的现象，称为的现象，称为“空转空转”。（1）空转发生

7、时，牵引力急剧下降，容易造成坡停和运缓；）空转发生时，牵引力急剧下降，容易造成坡停和运缓；（2）空转发生时，轮轨剧烈摩擦，甚至造成轮箍松弛；）空转发生时，轮轨剧烈摩擦，甚至造成轮箍松弛；（3）牵引电机高速旋转，造成电机损坏甚至电机）牵引电机高速旋转，造成电机损坏甚至电机“扫膛扫膛”。（1）在机车设计时，尽量选）在机车设计时，尽量选择合理的结构参数，使轴载荷择合理的结构参数，使轴载荷转移降至最小以提高粘着重转移降至最小以提高粘着重量的利用率。量的利用率。()（2）合理而有控制地撒砂。）合理而有控制地撒砂。持别在直线轨道上，轨面条件持别在直线轨道上，轨面条件恶劣时，撤砂可大大提高粘着恶劣时，撤砂可

8、大大提高粘着系数。系数。（3）采用增粘闸瓦，可提高）采用增粘闸瓦，可提高制动时的粘着系数，防止车轮制动时的粘着系数，防止车轮滑行。滑行。（4）采用性能良好的防空转）采用性能良好的防空转装置。装置。 砂箱砂箱装置由砂由砂箱、砂箱盖、支架、箱、砂箱盖、支架、排石器等组成。每排石器等组成。每台转向架构架前后台转向架构架前后四角处设置了四角处设置了4个个砂箱，每个砂箱容砂箱，每个砂箱容积为积为0.1m3，每台，每台机车总砂箱容积为机车总砂箱容积为0.8m3。轴重转移的危害轴重转移的危害 (1)机车轴重转移（机车轴重转移（locomotive axle load transfer）：机车在牵引工况时）：

9、机车在牵引工况时机车产机车产生牵引力时，各轴的轴重会发生变化，有的增载，有的减载，这种现象称为牵引生牵引力时，各轴的轴重会发生变化，有的增载，有的减载，这种现象称为牵引力作用下的轴重转移力作用下的轴重转移,轴重转移又称轴重再分配。轴重转移又称轴重再分配。(2)产生原因：牵引力是发生轴重转移的根本原因。轴重转移的数值随牵引力的增产生原因：牵引力是发生轴重转移的根本原因。轴重转移的数值随牵引力的增大而增大。轴重的转移，某些情况下可以达到原轴重的大而增大。轴重的转移，某些情况下可以达到原轴重的20或更高。或更高。在机车运用在机车运用中产生牵引力时，由于车钩距轨面有一定的高度，与轮周牵引力不在同一高度

10、，中产生牵引力时，由于车钩距轨面有一定的高度，与轮周牵引力不在同一高度，后部列车作用于车钩的拉力与轮周牵引力形成一个力偶，使前转向架减载，后转后部列车作用于车钩的拉力与轮周牵引力形成一个力偶，使前转向架减载，后转向架增载。向架增载。 东风型内燃机车的牵引电动机系东风型内燃机车的牵引电动机系采用轴悬式一端经两个抱轴瓦支承于采用轴悬式一端经两个抱轴瓦支承于车轴上；另一端通过弹簧吊架悬技于车轴上；另一端通过弹簧吊架悬技于构架上。构架上。 由此可知，减载最大的由此可知，减载最大的是第四轴，其次是第一及第是第四轴，其次是第一及第二轴。故机车前进时如发生二轴。故机车前进时如发生空转则最大可能首先是第空转则

11、最大可能首先是第四轴，其次是第一、第二轴。四轴，其次是第一、第二轴。所以决定东风型机车粘着重所以决定东风型机车粘着重量利用率的是第四轴。量利用率的是第四轴。轴重转移的危害 它影响机车黏着重量的利用，限制机车黏着牵引力的发挥。轴它影响机车黏着重量的利用，限制机车黏着牵引力的发挥。轴重转移是在牵引力作用下引起的，随牵引力增大而增大。当机车牵引重转移是在牵引力作用下引起的，随牵引力增大而增大。当机车牵引列车起动或爬坡时，发挥的牵引力最大，此时轴重转移也最严重。随列车起动或爬坡时，发挥的牵引力最大，此时轴重转移也最严重。随着机车功率的不断增大，机车重量与功率的比值越来越小，黏着重量着机车功率的不断增大

12、，机车重量与功率的比值越来越小，黏着重量的利用问题就更显突出。的利用问题就更显突出。 对个别驱动的机车轴重减少最大的轮对，将首先发生空转。这样，对个别驱动的机车轴重减少最大的轮对，将首先发生空转。这样，机车粘着牵引力的最大值，必然受到达个轮对空转的限制。机车粘着牵引力的最大值，必然受到达个轮对空转的限制。 空转发生后，牵引力立即下降，机车走行部、传动机构的正常空转发生后，牵引力立即下降，机车走行部、传动机构的正常工作受到影响；牵引电机也可能损坏；轮对和钢轨增加了额外的非正工作受到影响；牵引电机也可能损坏；轮对和钢轨增加了额外的非正常磨耗。常磨耗。 另外，另外， 个别轮对的轴重增加，个别轮对的轴

13、重增加， 使机车远行中的动作用力增加，使机车远行中的动作用力增加，并将对钢轨造成破坏。并将对钢轨造成破坏。 为了减少轴重转移，在结构上采取如下措施。为了减少轴重转移，在结构上采取如下措施。1. 牵引电动机的顺置，即一个转向架各轴的牵引电动机布置方向相同。牵引电动机的顺置，即一个转向架各轴的牵引电动机布置方向相同。 转向架布置转向架布置4个刚度较大的旁承，个刚度较大的旁承， 对于速度较低的机车，每个转向架对于速度较低的机车，每个转向架布置布置4个刚度较大的旁承，此时，转向架内的力矩变化会通过个刚度较大的旁承，此时，转向架内的力矩变化会通过4个刚度个刚度较大的旁承或刚四性旁承传至车体，不再引起转向

14、架内部的轴重转移；较大的旁承或刚四性旁承传至车体，不再引起转向架内部的轴重转移；而车体上由于转向架中心距较大，转向架传来的力矩所产生的转向架而车体上由于转向架中心距较大，转向架传来的力矩所产生的转向架间的轴重转移就小得多了。货运机车弹性旁承的刚度较大，就是这个间的轴重转移就小得多了。货运机车弹性旁承的刚度较大，就是这个原理。原理。2. 低位牵引：降低转向架牵引力向车体传递点距轨面的高度。低位牵引：降低转向架牵引力向车体传递点距轨面的高度。3. 在制造和维修方面，要注意保持动轮等直径、各牵引电动机相同的特在制造和维修方面，要注意保持动轮等直径、各牵引电动机相同的特性，以便使各轮对发出相同的牵引力

15、。性，以便使各轮对发出相同的牵引力。4. 此外，在电力机车采用前、后转向架电动机分别供电，使轴重减载的此外，在电力机车采用前、后转向架电动机分别供电，使轴重减载的前转向架电动机减小电流，而增载的后转向架电动机增大电流。这有前转向架电动机减小电流，而增载的后转向架电动机增大电流。这有可能获得较大的粘着重量利用率（防空转控制器）可能获得较大的粘着重量利用率（防空转控制器）第2节 列车制动力的产生列车制动力的产生一、列车制动力的形成一、列车制动力的形成二、制动力的限制二、制动力的限制三、三、 抱死滑行抱死滑行一、列车制动力的形成列车制动力的形成二、制动力的限制二、制动力的限制三、 抱死滑行抱死滑行1

16、、 原因与危害原因与危害2、 预防措施预防措施1. 原因：制动力的大小可以采用加减闸瓦压原因：制动力的大小可以采用加减闸瓦压力予以调节力予以调节.但不得大于粘着条件所允许的但不得大于粘着条件所允许的最大值。否则轮轨产生相对滑动，车轮的最大值。否则轮轨产生相对滑动，车轮的制动力变为滑动摩擦力，数值立即减小，制动力变为滑动摩擦力，数值立即减小，车轮被闸瓦车轮被闸瓦.抱死抱死”，轮子在钢轨上继续，轮子在钢轨上继续滑行，这种现象称为滑行，这种现象称为.滑行滑行2. 危害：危害：抱死滑行抱死滑行时制动力大为降低，时制动力大为降低，车轮与钢轨的接触面会被擦伤，因此，应车轮与钢轨的接触面会被擦伤，因此，应尽

17、最避免。尽最避免。1、 原因与危害原因与危害防止滑行的措施：防止滑行的措施：1、在大型货车制动机上设置有空、在大型货车制动机上设置有空、重车调整装置。重车调整装置。2、在盘形制动车辆上设踏面清扫器、在盘形制动车辆上设踏面清扫器3、设电子防滑器。、设电子防滑器。2、 预防措施（1）JTQS-1型踏面清扫器产品简介： JTQS-1型踏面清扫器用于机车和车辆的踏面清扫作业，以提高粘着系数，它与盘形制动器配套使用。其突出优点是能自动调整闸瓦托摆角，以适应轮踏面形状。JTQS-1型踏面清扫器结构小巧、作用灵活、安装方便，非常适合于高速机车、动车和低速重载牵引机车使用。主要技术参数：活塞面积 178cm2

18、 工作压力 450kPa 最大闸瓦托摆角 3.5最大活塞行程 115mm闸瓦材料 铸铁/重量 15kg （2）空重车调整装置 KZW型货车空重车自动调整装置可取代手动空重车转换机构，根据型货车空重车自动调整装置可取代手动空重车转换机构，根据车辆载重在一定范围、无级的调整制动缸压力，明显缩小从空车位之重车车辆载重在一定范围、无级的调整制动缸压力，明显缩小从空车位之重车位的不同载重状态下的制动率的变化，从而有效的改善车辆的制动性能。位的不同载重状态下的制动率的变化，从而有效的改善车辆的制动性能。可减少混编列车在列车制动时车辆之间的纵向冲击力，减少擦轮事故的发可减少混编列车在列车制动时车辆之间的纵向

19、冲击力，减少擦轮事故的发生，减少车轮消耗及车辆维修工作量。生，减少车轮消耗及车辆维修工作量。 （3）电子防滑器）电子防滑器电子防滑器的主要部件：电子防滑器的主要部件：1. 速度传感器、2.防滑器主机、3. 防滑器充排电磁阀。电子防滑器的原理：电子防滑器的原理： 判断：判断：利用轴的转动速度可以在车速从2Km/h至400Km/h的范围内测出并进行分析。通过安装在轴端的速度传感器和测速齿轮测出的轴速与根据真正轴速计算出的速度判据进行比较判断出轮对是否进入滑行状态。 控制：控制： 防滑器充排电磁阀与制动管相连，安装在车下靠近制动缸的位置。防滑器充排电磁阀控制制动缸内压力增减以确保获得最佳的制动力并产

20、生最好的制动效果，以避免滑行的产生。 安全：安全：放风阀内部采用24V电压，双极驱动电路。每个正负极线都有自己的放大器，放大器由监控电路监视以保证安全性。主要的作用：主要的作用：1. 制动时能有效地防止轮对因滑行而造成的踏面擦伤；2. 制动时能根据轮轨间粘着的变化调节制动力，以充分利用轮轨间的粘着，得到较短的制动距离。第3节 列车运动阻力（1）定义与类型）定义与类型（2）基本阻力）基本阻力（3）附加阻力）附加阻力一、定义与类型 列车运行时，受到的与列车运行方向相反，而且是司机不能控制列车运行时，受到的与列车运行方向相反，而且是司机不能控制的阻止列车运行的外力，称为列车阻力，简称阻力，用的阻止列

21、车运行的外力，称为列车阻力，简称阻力，用W表示。由于表示。由于列车由机车和车辆组成，为了便于计算，将作用在列车上的阻力分为列车由机车和车辆组成，为了便于计算，将作用在列车上的阻力分为机车和车辆两部分，分别称为机车阻力和车辆阻力。机车和车辆两部分，分别称为机车阻力和车辆阻力。制动力的作用方向虽然也与机车、车辆的运行方向相反制动力的作用方向虽然也与机车、车辆的运行方向相反.但它是根据需要但它是根据需要由司机有意施加的，因而不能列为附加阻力。由司机有意施加的，因而不能列为附加阻力。 阻力分为基本阻力和附加阻力两大类。阻力分为基本阻力和附加阻力两大类。基本阻力是机车和车辆在运行中任何情况下都存在的阻力

22、。基本阻力是机车和车辆在运行中任何情况下都存在的阻力。附加阻力只发生在个别情况下。例如，在坡道上运行时的坡道附附加阻力只发生在个别情况下。例如，在坡道上运行时的坡道附加阻力，在曲线上运行时有曲线附加阻力，在隧道内运行时有空加阻力，在曲线上运行时有曲线附加阻力，在隧道内运行时有空气附加阻力等。气附加阻力等。二、二、基本阻力 引起基本阻力的因素很多，其中量主要的因素是机车车辆部件和机车车辆表面与空气的摩引起基本阻力的因素很多，其中量主要的因素是机车车辆部件和机车车辆表面与空气的摩擦以及车轮与钢轨间的相互摩擦和冲击。归纳起来可分为以下五类。擦以及车轮与钢轨间的相互摩擦和冲击。归纳起来可分为以下五类。

23、 1.轴颈与轴承之间的摩擦轴颈与轴承之间的摩擦 列车运行时，机车车辆所有轮对的轴颈与轴承之间都冷产生摩擦阻力，阻止轮对的转动。列车运行时，机车车辆所有轮对的轴颈与轴承之间都冷产生摩擦阻力，阻止轮对的转动。 2.车轮与轨面间的滚动摩擦车轮与轨面间的滚动摩擦 当车轮滚动时，轨面因挤压而变形当车轮滚动时，轨面因挤压而变形.引起附加阻力，即为滚动摩捺阻力。引起附加阻力，即为滚动摩捺阻力。 3.车轮与钢轨间的滑动摩擦车轮与钢轨间的滑动摩擦 车轮的圆锥形踏面、车轮直径的差异以及某些轮对组装不正确，都将使得车轮在滚动的同时车轮的圆锥形踏面、车轮直径的差异以及某些轮对组装不正确，都将使得车轮在滚动的同时存在纵

24、向和横向的滑动，产生滑动摩擦阻力。存在纵向和横向的滑动，产生滑动摩擦阻力。 4.冲击和振动冲击和振动 列车运行时，由于钢轨接缝、轨道不平直以及轮轨擦伤等原因，引起轮轨间的冲击和列车运行时，由于钢轨接缝、轨道不平直以及轮轨擦伤等原因，引起轮轨间的冲击和 5.空气阻力空气阻力 列车运行时，前后两端产生压差阻力，外部衷面产生摩擦阻力，突出部分产生扰动阻力。列车运行时，前后两端产生压差阻力，外部衷面产生摩擦阻力，突出部分产生扰动阻力。 上述引起列车基本阻力的五种因素，随着列车速度的高低而有不同的影响。低速时，轴颈上述引起列车基本阻力的五种因素，随着列车速度的高低而有不同的影响。低速时，轴颈与轴承间的摩

25、擦起主要作用，速度提高后，轮轨间滑动摩擦、冲击和振动以及空气阻力的影响与轴承间的摩擦起主要作用，速度提高后，轮轨间滑动摩擦、冲击和振动以及空气阻力的影响逐渐增大。高速时逐渐增大。高速时.列车基本阻力则以空气阻力为主。列车基本阻力则以空气阻力为主。三、附加阻力1.坡道附加阻力坡道附加阻力 列车在坡道上运行时，除了基本阻力以外还有坡道阻力的作用，称为坡道附加阻力。列车在坡道上运行时，除了基本阻力以外还有坡道阻力的作用，称为坡道附加阻力。2.曲线附加阻力曲线附加阻力 机车、车辆在曲线上的运行阻力大于同样条件下直线上的运行阻力，其增大部分叫做曲线附加机车、车辆在曲线上的运行阻力大于同样条件下直线上的运

26、行阻力，其增大部分叫做曲线附加阻力。阻力。 引起曲线附加阻力的因素很多，主要的有引起曲线附加阻力的因素很多，主要的有: 轮缘与钢轨产生额外摩擦。轮缘与钢轨产生额外摩擦。 在离在离(向向)心力的作用下，车轮向外心力的作用下，车轮向外(内内)侧移动侧移动.轮轨间产生额外横向滑动。轮轨间产生额外横向滑动。 由于同抽两车轮沿着不同直径的滚动圆浓动，增加了车轮与钢轨间的纵向滑动。由于同抽两车轮沿着不同直径的滚动圆浓动，增加了车轮与钢轨间的纵向滑动。 转向架围绕心盘转动时，上下心盘之间的摩擦，轴瓦与轴颈之间的摩擦加剧，都使阻力增加。转向架围绕心盘转动时，上下心盘之间的摩擦，轴瓦与轴颈之间的摩擦加剧，都使阻力增加。 3.隧道空气附加阻力隧道空气附加阻力 列车进人隧道时，对隧道内的空气产生列车进人隧道时，对隧道内的空气产生;中击作用中击作用.使列车头部受到突然增大的正面压力。进人遂使列车头部受到突然增大的正面压力。进人遂道后，列车驱使空气移动，造成列车头部的正压与尾端负压的压力差，产生压差阻力。同时道后，列车驱使空气移动，造成列车头部的正压与尾端负压的压力差，产生压差阻力。同时.列车列车的前进运动