第二章 电力牵引原理

1、第二章第二章 电力机车牵引原理电力机车牵引原理 2.1 2.1 电力机车基本工况电力机车基本工况 2.2 2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力 2.3 2.3 电力机车牵引特性要求电力机车牵引特性要求 2.1 电力机车基本工况电力机车基本工况 电力机车将接触网的电能转化为牵引力驱动机车及列车电力机车将接触网的电能转化为牵引力驱动机车及列车运行。运行。电力机车基本工况电力机车基本工况：牵引牵引、惰行惰行、制动制动。（三工况使机车牵引列车（三工况使机车牵引列车正常运行，实现铁路运输的目标。正常运行，实现铁路运输的目标。） 一、牵引工况一、牵引工况1、牵引工况、牵引工况 牵引电动

2、机牵引电动机通电通电将将电能转变为机械能电能转变为机械能，驱动驱动机车及列车机车及列车运行。运行。2、列车受外力、列车受外力 牵引力牵引力F、阻力阻力W。2.1 电力机车基本工况电力机车基本工况3 3、运动方程式、运动方程式 （1-11-1）式中，式中， M M为列车的归算质量，为列车的归算质量，V V是列车的运行速度。是列车的运行速度。注注：、若、若F FW W，则，则dV/dtdV/dt0 0，列车作，列车作加速加速运行（运行（起动起动时）；时）； 、若、若F FW W，则，则dV/dtdV/dt0 0，列车作，列车作减速减速运行（运行（上坡上坡时）；时）； 、若、若F=WF=W，则，则d

3、V/dtdV/dt=0=0，列车作，列车作匀速匀速运行运行或或是是停止停止状态。状态。二、惰行工况二、惰行工况1 1、惰行工况、惰行工况 指牵引电动机指牵引电动机不通电不通电，机车及列车靠，机车及列车靠惯性运行惯性运行。 dtdVMWF2.1 电力机车基本工况电力机车基本工况2 2、列车受外力、列车受外力 仅仅只只阻力阻力W W。3 3、运动方程式、运动方程式 （1-21-2） 注注：、若、若W W0 0，dV/dtdV/dt0 0，惰行减速惰行减速，W W阻止列车运行。阻止列车运行。（通（通常情况）常情况） 、若、若W W0 0，dV/dtdV/dt0 0，惰行加速惰行加速，W W加速列车运

4、行。加速列车运行。（下（下大坡道惰行）大坡道惰行） 、若、若W=0W=0，dV/dtdV/dt=0=0，列车作，列车作匀速匀速。（下坡道惰行）（下坡道惰行） （后两者实质是列车下坡道上有下滑分力）（后两者实质是列车下坡道上有下滑分力） dtdVMW 2.1 电力机车基本工况电力机车基本工况三、制动工况三、制动工况1 1、制动工况、制动工况 指给机车或列车指给机车或列车加制动力加制动力，使其作，使其作减速减速运行。运行。2 2、列车受外力、列车受外力 阻力阻力W W、制动力制动力B B（制动状态）。（制动状态）。3 3、运动方程式、运动方程式 （1-31-3） 注注：、若、若W WB B0 0，

5、dV/dtdV/dt0 0，减速减速运行运行。（通常情况）。（通常情况） 、若、若W WB B0 0，dV/dtdV/dt0 0，加速加速运行。（下大坡道）运行。（下大坡道） 、若、若W WB=0B=0，dV/dtdV/dt=0=0，匀速匀速运行。（下坡道）运行。（下坡道） （后两者是列车下坡道上有下滑分力。但（后两者是列车下坡道上有下滑分力。但第第种情况是不允许的种情况是不允许的，因为，因为下坡道给列车制动力后仍向下加速将造成非常危险的事故。）下坡道给列车制动力后仍向下加速将造成非常危险的事故。）dtdVMBW2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力牵引基础牵引基础v 轨道交

6、通工具都依赖车轮和钢轨之间的相互作用从而使车辆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，运行的。因此，车轮和钢轨之间的相互作用车轮和钢轨之间的相互作用的理论是轨道交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。点。v 牵引基础的牵引基础的主要内容主要内容是电力机车的牵引特性、调速和制动原是电力机车的牵引特性、调速和制动原理、牵引运行的特点、牵引的运动规律、牵引计算及所有对理、牵引运行的特点、牵引的运动规律、牵引计算及所有对牵引特性有影响的应用技术。牵引特性有影响的应用技术。 2.2 电力机车的牵

7、引力与制动力电力机车的牵引力与制动力 电力机车的牵引与制动实现列车的运行，而牵引必有牵电力机车的牵引与制动实现列车的运行，而牵引必有牵引力，制动必有制动力。引力，制动必有制动力。一、牵引力一、牵引力1、牵引力、牵引力 使列车使列车前进前进的的外力外力：钢轨对机车动轮的作用力、列车下：钢轨对机车动轮的作用力、列车下坡的重力分力（司机不可控）。坡的重力分力（司机不可控）。牵引力牵引力：钢轨对机车动轮的作用力（机车轮周牵引力），方向：钢轨对机车动轮的作用力（机车轮周牵引力），方向与运动方向相同。与运动方向相同。 2、原因分析、原因分析 一方面，牵引电动机通电一方面，牵引电动机通电转矩转矩机车动轮机车

8、动轮力偶力偶（轮中心（轮中心与轮缘之间）；另一方面，机车及动轮正压力与轮缘之间）；另一方面，机车及动轮正压力轮轨紧压轮轨紧压“粘着粘着”。 齿轮齿轮2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力 根据物理学原理，滚动运动可以看出是一个转动和一个平根据物理学原理，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动的合成。于是一方面轮对绕圆心O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。 电机转矩电机转矩M使轮对对钢轨产生作用力使轮对对钢轨产生作用力Fi ，钢轨对轮对反

9、作用力，钢轨对轮对反作用力fi，则转动和，则转动和平动平动C点相对静止的条件：点相对静止的条件： fiFi 把产生相对静止点把产生相对静止点C的现象称为的现象称为粘着粘着（adhesion）。）。 Fi的产生是由于的产生是由于fi平衡了平衡了Fi，因此，因此钢轨对轮轨的作用力钢轨对轮轨的作用力fi就是使车辆运行的就是使车辆运行的外力，即牵引力。外力，即牵引力。图图1-1 牵引力的产生牵引力的产生2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力粘着点产生轮缘偶力，即机车动轮给钢轨的作用力与钢轨对粘着点产生轮缘偶力，即机车动轮给钢轨的作用力与钢轨对机车动轮轮缘的反作用力。这就是机车的轮周牵

10、引力，它释机车动轮轮缘的反作用力。这就是机车的轮周牵引力，它释放为水平前进的力放为水平前进的力Fi。3、数学式、数学式 电力机车每对动轮圆周上所产生的电力机车每对动轮圆周上所产生的牵引力牵引力 （） （1-4） 式中，式中， 为传动效率，为传动效率， 为机车齿轮传动装置的传动比（为机车齿轮传动装置的传动比（1），），D为机车动轮圆周的直径（用米表示），转矩为机车动轮圆周的直径（用米表示），转矩MD（公斤（公斤米，即米，即m）。）。 电力机车电力机车N台牵引电动机（即台牵引电动机（即N根动轴），总牵引力为根动轴），总牵引力为 （1-5） DCCDMDF2CCDCCDMDNNFF22.2 电力机车

11、的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力二、制动力二、制动力制动力制动力：粘着制动粘着制动，由，由轮轨粘着轮轨粘着产生与运动方向相反的外力；产生与运动方向相反的外力；非粘着制动非粘着制动，则相反。，则相反。作用作用：使机车及列车：使机车及列车减速减速或让列车或让列车停停下来。下来。（司机据需要控制）（司机据需要控制）注注：制动力与牵引力的：制动力与牵引力的区别区别： 牵引力牵引力使机车使机车前行前行，制动力制动力使机车使机车停下停下来；来；牵引力牵引力仅产生于仅产生于动车轮轨间动车轮轨间，而气，而气制动制动力产生在力产生在全列车全列车具有制动装置的轮轨具有制动装置的轮轨之间；制动与牵引转矩方向

12、相反，力偶和钢轨之间；制动与牵引转矩方向相反，力偶和钢轨对车轮的反作对车轮的反作用力用力也也相反相反。（制动力阻止列车前进）（制动力阻止列车前进）产生方法产生方法： 粘着制动粘着制动：传统传统制动制动闸瓦闸瓦抱紧车轮抱紧车轮摩擦，则列车动能摩擦，则列车动能热能，达到减速或停止，新型的热能，达到减速或停止，新型的轮盘轮盘制动同理）；制动同理）；电气制电气制动动，如电阻制动、再生制动；，如电阻制动、再生制动； 非粘着制动非粘着制动：如涡流、磁轨等制动。：如涡流、磁轨等制动。 2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力三、列车运行阻力三、列车运行阻力 分为基本阻力和附加阻力。分为基本阻

13、力和附加阻力。v 基本阻力基本阻力 列车在运行时，任何时候都存在的阻力。包括：列车在运行时，任何时候都存在的阻力。包括： 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、滑动摩擦；轮轨间的滚动摩擦、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。注意注意：影响因素极为复杂，通常按照由大量：影响因素极为复杂，通常按照由大量试验试验综合得出的综合得出的经经验公式验公式进行计算。如动车组进行计算。如动车组CRH2CRH2的单位基本阻力公式：的单位基本阻力公式： W W0 0=8.63+0.072v+0.00112v=8.6

14、3+0.072v+0.00112v2 2 (1-6)(1-6)2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力v 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。包括：列车运行时，在某一条件下才产生的阻力。包括： 坡道坡道阻力；阻力； 弯道弯道（曲线）附加阻力，如：列车横向滑动，轮缘与钢（曲线）附加阻力，如：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位移引起的阻力；摩擦，转向架与车体的相对位移引起的阻力； 隧道隧道空气附加阻力，如隧道内正面空气压力与尾部负压空气附加阻力，

15、如隧道内正面空气压力与尾部负压的压力差所形成的的压力差所形成的 压力阻力；隧道内车体表面紊流与车体压力阻力；隧道内车体表面紊流与车体表面的摩擦阻力；表面的摩擦阻力； 其他附加阻力，如风速风向、气温降低引起滑油粘度增其他附加阻力，如风速风向、气温降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大大、摩擦力增大。2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力四、粘着概念四、粘着概念1 1、滑动、滑动 物体由静止到滑动要经历物体由静止到滑动要经历弹性位移弹性位移和和滑动滑动两个阶段：两个阶段：v 外力作用外力作用接触面接触面弹性变形弹性变形（表面静止，实际有位移），外（表面静止，实际有位移），外力力弹性位移

16、弹性位移，外力消失，外力消失弹性位移消失，这时物体平弹性位移消失，这时物体平衡外力的弹性变形力与分子作用力叫衡外力的弹性变形力与分子作用力叫“非全静摩擦力非全静摩擦力”；v 当外力增至超最大非全静摩擦力当外力增至超最大非全静摩擦力静摩擦被破坏静摩擦被破坏滑动滑动，弹弹性位移变为硬性位移性位移变为硬性位移。2 2、粘着、粘着 对电力机车动轮与钢轨，对电力机车动轮与钢轨，弹性位移阶段叫粘着弹性位移阶段叫粘着，非全静非全静摩擦力叫粘着力摩擦力叫粘着力。 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。2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力 动轮在钢轨上动轮在钢轨

17、上滚动是弹性变形滚动是弹性变形。动轮圆周速度。动轮圆周速度约大于约大于位移位移速度速度“微滑动微滑动”传递牵引力。传递牵引力。 F Fi iF F粘粘maxmax，触面以滚动区域为主，触面以滚动区域为主滚动滚动粘着粘着状态。状态。 随随F Fi i滚动区域滚动区域滑动区域滑动区域；当；当F Fi iF F粘粘max max （即前述（即前述的的F Fi if fi i），触面以），触面以滑动区域为主滑动区域为主有有硬性位移硬性位移，除滚动还，除滚动还有滑动，出现有滑动，出现打滑打滑；当；当F Fi i完全打滑，出现完全打滑，出现空转空转。 因此，电力牵引因此，电力牵引正常正常运行，牵引运行，牵

18、引F Fi iF F粘粘maxmax 。3 3、粘着系数、粘着系数 一定轴重下，动轮获得轮周牵引力的大小，即一定轴重下，动轮获得轮周牵引力的大小，即 (1-7)(1-7) 其中其中P P是轮对的轴重，是轮对的轴重，F Fi i为由粘着产生的牵引力。为由粘着产生的牵引力。PFi2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力注意注意：任何引起：任何引起牵引力变化牵引力变化的现象都可以表示为粘着系数的现象都可以表示为粘着系数的的变化变化，所以粘着系数，所以粘着系数是电力牵引控制系统的一个是电力牵引控制系统的一个重要参量重要参量。 有最大粘着系数有最大粘着系数maxmax和瞬时粘着系数和瞬时

19、粘着系数。 电牵引系统通过控制手段可以提高应用粘着系数，提高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。列车的平均牵引力。4 4、影响粘着的因素、影响粘着的因素（1 1）设计因素，）设计因素，轮轨的轮轨的材料材料( (现用钢材影响已不大现用钢材影响已不大) )、轴重轴重和轨和轨径、机车走行部的径、机车走行部的动力学性能动力学性能；（2 2）环境因素，）环境因素，轮轨触面轮轨触面油污油污、天气（、天气（潮湿潮湿有雾有雾或薄冰或薄冰）粘粘着着；2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力（3 3）运行因素，）运行因素，司机司机操作方法操作方法、速度及加速度速度及加

20、速度（触点接触触点接触持续时间持续时间粘着粘着）、）、线路特性线路特性等（且单位时间通过钢轨等（且单位时间通过钢轨接缝次数接缝次数振动次数振动次数粘着粘着）。）。5 5、改善粘着的措施、改善粘着的措施（1 1）设计制造设计制造时，时，提高提高机车粘着重量利用机车粘着重量利用系数等系数等；（2 2）保持轨面清洁保持轨面清洁，用水流、气流、电弧等，用水流、气流、电弧等清洁轨面，并防清洁轨面，并防止机车行走部分的润滑油漏到轨面上；止机车行走部分的润滑油漏到轨面上；（3 3）撒沙提高粘着系数撒沙提高粘着系数（最常用方法之一）；（最常用方法之一）； 此外，司机正确驾驶，启动要平稳。此外，司机正确驾驶，启

21、动要平稳。2.2 电力机车的牵引力与制动力电力机车的牵引力与制动力严重空转的后果严重空转的后果2.3 电力机车牵引特性要求电力机车牵引特性要求 一、电力机车牵引特性一、电力机车牵引特性(F(Ff(Vf(V) 是表示电力机车工作能力的最是表示电力机车工作能力的最重要的特性之一重要的特性之一。电力机。电力机车的车的F F、V V由牵引电动机的转矩由牵引电动机的转矩M M、转速、转速n nD D决定。决定。 电力机车的走行速度电力机车的走行速度 （/h/h） （1-81-8） DCnDV100060式中，转速为转式中，转速为转/ /分。分。 利用式（利用式（1-51-5）、（）、（1-81-8），）

22、，据传动方式，可求得电力机车的据传动方式，可求得电力机车的牵引特性牵引特性F Ff(Vf(V) )，如图，如图1-21-2所示。所示。VF123450图图1-2 1-2 电力牵引特性及限制曲线电力牵引特性及限制曲线 2.3 电力机车牵引特性要求电力机车牵引特性要求二、牵引特性的界限二、牵引特性的界限 欲安全运行，电力牵引的欲安全运行，电力牵引的牵引力牵引力和运行和运行速度速度须控制须控制在允在允许限度内许限度内（图（图1-21-2）： （1 1）粘着条件限制粘着条件限制 F F极限粘着力（曲线极限粘着力（曲线2 2）；）；（2 2）最大电流限制最大电流限制（曲线（曲线3 3） （有时此限制前已

23、被粘着条件所（有时此限制前已被粘着条件所限制）；限制）；（3 3）构造速度限制构造速度限制（曲线（曲线4 4） 机车构造决定的速度是最大安机车构造决定的速度是最大安全速度；全速度；（4 4）直流传动直流传动牵引，牵引，电机电机安全换相安全换相限制限制（曲线（曲线5 5）； 交流传动交流传动牵引，牵引，最大功率最大功率限制限制（类似曲线（类似曲线5 5 ）。）。2.3 电力机车牵引特性要求电力机车牵引特性要求三、稳定性的要求三、稳定性的要求1 1、机车牵引特性的机械稳定性、机车牵引特性的机械稳定性 指指正常运行正常运行中，中，偶因偶因使使速度微变速度微变，列车还回到，列车还回到稳定稳定运行（运行

24、（稳定运行不被破坏）。稳定运行不被破坏）。（1 1）阻力）阻力基本阻力基本阻力：列车：列车运行中永远存运行中永远存在在的阻力的阻力（轴摩擦、轮轨间的滚动（轴摩擦、轮轨间的滚动及滑动摩擦、冲击及振动、空气阻力及滑动摩擦、冲击及振动、空气阻力等）等），用，用W W0 0表示，如图表示，如图1-31-3所示所示的的W W0 0= =f(Vf(V) )。附加阻力附加阻力：只在：只在某些情况下某些情况下（坡（坡道、弯道、起动）道、弯道、起动）存在存在的阻力。的阻力。QF0W0VQ1F =f(V)2F =f(V)W0=f(V).V图图1-3 1-3 牵引特性机械特性分析牵引特性机械特性分析 2.3 电力机

25、车牵引特性要求电力机车牵引特性要求（2 2）机械稳定性条件）机械稳定性条件 对牵引特性对牵引特性F F2 2= =f(Vf(V) )，在工作点，在工作点Q Q有有V V，F FW W0 0，将减速回，将减速回到到Q Q点；当有点；当有V V，F FW W0 0，将加速回到，将加速回到Q Q点。点。（稳定）（稳定） 对牵引特性对牵引特性F F1 1= =f(Vf(V) )，则相反。，则相反。（不稳定）（不稳定） 牵引特性牵引特性机械稳定性条件机械稳定性条件 或或 （1-91-9） 即：即：牵引特性曲线斜率小于基本阻力曲线斜率牵引特性曲线斜率小于基本阻力曲线斜率。结论结论：因：因dWdW0 0/d

26、V/dV0 0，而交、直传动机车均，而交、直传动机车均dF/dVdF/dV0 0，则，则 交、直传动机车均机械稳定交、直传动机车均机械稳定（见后）。（见后）。2 2、牵引电动机的电气稳定性、牵引电动机的电气稳定性 指指正常运行正常运行中，中，偶因偶因使使电流微变电流微变，牵引电机还回到电平，牵引电机还回到电平衡（电平衡不被破坏）。衡（电平衡不被破坏）。A A、直流电动机、直流电动机：dVdWdVdF00)(00WFdVddVdWdVdF2.3 电力机车牵引特性要求电力机车牵引特性要求（1 1）电压方程式）电压方程式 直流电动机动态电压平衡方程式直流电动机动态电压平衡方程式 （1-101-10） 式中，式中，U UD D为端压，为端压，E ED D为反电势，为反电势，R