4章 矿用电机车

1、第四章 矿用机车及车辆河北工程大学机电学院第一节 轨道结构及标准第二节 矿 用 车 辆第三节 矿 用 机 车第四节 机车运行理论及计算第一节 轨道结构及标准一、工矿用轨道结构及标准矿井轨道是由巷道底板和铺在巷道底板上的钢轨、轨枕、道床、连接零件两部分组成。钢轨直接支撑着列车车轮，承受列车的负荷并把负荷传给枕木，形成平滑而坚固的轨道，以减小列车运行阻力。钢轨的断面形状一般为工字形，钢轨由轨头、轨腰和轨底组成。轨头供车轮运行并承受车轮的压力。轨头粗大，有足够的强度，耐磨损。轨腰的作用是提高轨头，便于接轨；传递轨头承受车轮的压力于轨底、轨枕。轨底要有足够的面积，以便于把钢轨固定在枕木上。钢轨的型号是

2、以每米长度的重量(kg/m)来表示。矿用钢轨有11 kg/m、15 kg/m、18 kg/m、24 kg/m和38 kg/m几种型号。使用时应根据运铺设备类型、使用地点、提升方式、行车次数和行车速度选择轨型，按表4-1选用。 轨枕用于支承和固定钢轨，以使两根钢轨保持一定的距离，防止轨道纵向和横向移动，保持轨道的稳定性，并将钢轨的压力较均匀地传递给道床。轨枕有木质、钢筋混凝土和钢质的3种。道床由道砟层组成，承受钢轨传来的压力，并均匀地分布到巷道的底板上，同时防止轨道的纵、横向移动及缓和车轮对钢轨的冲击。二、露天矿用轨道结构及标准露天矿用钢轨的断面为工字形，与矿井用钢轨的断面相似。其类型也以每米重

3、量表示。我国大部分国铁为50kg/m，繁忙干线采用60 kg/m，露天矿用钢轨大部分为43 kg/m。第二节 矿 用 车 辆一、矿井用车辆矿用车辆有标准窄轨车辆、卡轨车辆、单轨吊挂车辆和无轨机动车辆。标准窄轨车辆就是通常说的矿车。这种矿车是目前我国煤矿使用的主要车辆。 1矿车的类型(1)固定车厢式矿车。需用翻车机卸车。(2)翻转车厢式矿车。车厢能侧向翻倾卸车。(3)底卸式矿车。车底开启卸车，在专设的卸载站、整列车在运行中逐个开启自卸。主要优点是进卸载站的行车方向不受限制，卸载时的车速易控制、卸载曲轨不受撞击。底卸式矿车装卸能力很高，能满足大型矿井的需要。(4)材料车。专为装运长材料用。(5)平

4、板车。专为转运大件设备用。(6)人车。它是有座位的专用乘人车，分斜井人车和平巷人车两种。(7)专用矿车。主要有炸药车、水车、卫生车及消防车等。2. 矿车的技术特征矿车的技术特征包括容量、矿车中货载质量、外形尺寸、轨距及轴距等。(1) 矿车容量以m3计，通常习惯以矿车中货载质量吨位来计算（煤的松散密度一般为0.9t/m3，矸石的松散密变为1.6 t/m3）。提高矿车吨位可以提高运输效率。对一定年产量的矿井来说，矿车吨位增大，可使矿车总数减少，故障机会也相应减少，维修量也减少。另外矿车数减少，装载时调动次数也减少，每列车相应长度也可缩短，需要的错车等道的时间也相应缩短。但是提高矿车吨位常涉及到巷道

5、、井筒及铁路等方面的问题，并且需要提高设备机械化水平，需要配备相应的轨枕及钢轨等。煤炭工业设计规范规定：矿车类型及其适用井型见表4-2.(2) 矿车外形尺寸矿车横向尺寸应与轨距相适应。当矿车容积相同而轨距不同时，一是使较小轨距的矿车宽度增大，同时加高车箱高度；二是使矿车宽度保持不变，只加高车箱高度。(3) 轨距目前采用的轨距有900、762(750)、600(610)及450(457)mm等。煤炭工业设计规范规定，今后新建矿井统一为600和900mm两种轨距。还提出：为使施工与生产轨距一致，今后井上、下窄轨运输，应逐步统一为600mm轨距。(4) 轴距矿车轴距约为矿车长度的1/3。矿车的容量愈

6、大，轴距愈大。同样容量的矿车，底卸式的轴距大于固定式的轨距。轴距的确定应经过纵向稳定性的计算。轴距还与轨道的曲率半径有关，轴距愈大，曲率半径愈大。曲率半径过小会使矿车在通过弯道时运行阻力急剧增加。按规定：井下轨道曲率半径为矿车轴距的710倍。(5) 车皮系数车皮系数为矿车质量与货载质量之比。车皮系数越小越好。(6) 容积利用系数容积利用系数为有效容积与外形尺寸所得的容积之比。容积利用系数越大越好。露天煤矿开采用电机车运输时，运输物科绝大部分为煤炭和矿石，且装卸地点较固定，为了加速车辆周转，一般均采用漏斗车或自翻车运输，可提高装卸效率。漏斗车按其结构可分为无盖和有顶两大类。漏斗车卸货是利用货物的

7、重力作用从卸货门自流卸出。卸货门有集中或单独的开闭机构，其开关方式可分为风控风动、电控风动和手动3种。车内设有与水平呈一定角度的漏斗板，其倾角随所承运的货物品种而不同。卸货门设在车底部或侧部。自翻车是一种无盖的货车，是工矿企业的专用车。在卸货地点操纵作用阀，即可利用列车管充人储风筒的压缩空气进入倾翻风缸或由车上油泵供给的高压油进入倾翻油缸顶起车体成45角，同时倾翻侧的侧壁自动开启，货物沿着倾斜的地板卸至轨道一侧。这种卸货方式效率极高，适宜于装卸频繁的矿山运输。二、露天矿用车辆倾翻装置由倾翻管路系统、倾翻风缸、门扇抑制装置等3部分组成。倾翻管路系统出管路、贮风筒和各种阀类组成，它是车辆倾翻的操纵

8、系统。系统和门扇抑制装置，控制车体的倾翻和侧门的开闭动作。倾翻风缸安装在下部底架的两侧。工作时，只有在下部底架同一侧的两个风缸同时起作用。压缩空气首先充入储风筒，然后经过各阀门，进入倾翻风缸，使内外活塞上升顶起车体，以达到车体同一侧倾翻的目的。门扇抑制装置由折页、抑制肘、底架支承、抑制弹簧等组成，它控制侧门的开闭动作，并决定车辆的倾翻性能。抑制肘是通过圆销与车体底架横梁上的支座相连接的；抑制弹簧是通过丝杆系于抑制肘和车体底架中梁上的。在正常位置，折页的下端头支撑在抑制肘的滚子上，处于直立状态，因此侧门随之也成直立状态，货物不能流出。这时，抑制肘内端支于底架支承上，不会发生转动，侧门通过折页被抑

9、制肘牢固地支撑着。第三节 矿 用 机 车机车是轨道车辆运输的一种牵引设备，按使用的动力分，有电机车和内燃机车。牵引电机(或内燃机)驱动车轮转动，借助车轮和轨面间的摩擦力，使机车在轨道上运行。 一、井矿用电机车的类型目前我国煤矿的运输机车都是使用直流串激电动机的电机车。按供给电源的方式分：有架线式和蓄电池式2种。机车运输随行驶的坡度有限制，运输轨道坡度一般为3，局部坡度不能超过30。架线式电机车的供电方式。交流电在变流所整流后，正极接在架空线上，负极接在轨道上。架空线是沿运行轨道上空架设的裸导线，机车上的受电弓与架空线接触，将电流引入车内，经车上的控制器和牵引电动机，再经轨道流回。因此架线式电机

10、车的轨道，必须按电流回路的要求接通。架线式电机车的外形如图4-6 蓄电池式电机车由车上携带的蓄电池供电，运输线路不受限制，但需要充电设施，蓄电池放电到规定使时需更换。如图4-7所示的蓄电池电机车，只一端有驾驶室。向另一端运行时，蓄电池箱阻碍司机视线，司机只好探身室外观望，容易发生事故。采用双驾驶室能解决这一不安全因素，现在已有双驾驶室蓄电池式电机车。 架线式电机车运行时，受电弓与架空线间难免发生火花，煤矿安全规程规定，只能在低瓦斯矿井进风(全风压通风)的主要运输巷道内使用，巷道支护必须使用不燃性材料；在高瓦斯矿井进风(全风压通风)的主要运输巷道内，如使用架线式电机车，必须遵守下列规定： (1)

11、沿煤层或穿过煤层的巷道必须砌碹或锚喷支护； (2)有瓦斯涌出的掘进巷道的回风流，不得进入有架线的巷道中； (3)采用碳素滑板或其他能减小火花的集电器； (4)架线电机车必须装设便携式甲烷检测报警仪。 二、井工矿用电机车机械结构及电气设备（一）井工矿用电机车机械结构机械设备包括车架、轮对、轴承和轴箱、弹簧托架、制动装置、加砂装置、齿轮传动装置及联接缓冲装置等。(一) 车架车架是电机车的主体结构，是由钢板焊接而成，前后板厚20mm，侧板厚22或24mm，中间隔板厚16mm。电机车上所有设备都安装在车架上，车架又用弹簧托架和铁棒支承在轴承上。(二) 轮对轮对是由两个压装在轴上的车轮和一根车轴所组成。

12、车轮是由轮心2和轮圈3热压装配成的。轮心是用铸铁或铸钢制成，轮圈是用钢轧制而成。这种结构的优点是轮圈磨损后可以更换，而不致使整个车轮报废。矿用电机车采用双主动轴。(三) 轴承和轴箱车轴通过轴承和轴箱承受车架及其上全部设备的重力。轴箱安装在车轴两端的轴颈上。矿用电机车的轴箱：箱内装有一对滚柱轴承4，箱壳两侧的滑槽9与车架相配，在不平的轨道上运行时，轮轴能在车架中上下移动。轴箱之上部有弹簧托架，此弹簧托架可起缓冲作用。在箱壳上部有安装弹簧托架铁棒的座孔8。(四) 弹簧托架弹簧托架的作用是缓和运行中对机车的冲击和震动。矿用电机车的均衡托架：前轴（右轴）上的弹簧托架是单独作用，后轴（左轴）上的弹簧托架

13、的一端固定在车架上，另一端用均衡梁1连接，均衡梁1的中点用铰轴安在车架上。均衡梁的作用：当有一个车轮上的负荷增加时（例如轨道局部突起），能通过均衡梁的作用把负荷分配到另一个车轮上去一部分，以避免一个车轮过载，一个车轮欠载。 (五) 制动装置制动装置是为了在运行中迅速减速和停车之用。制动装置有机械的和电气的两种，电气制动装置不能使电机车完全停住，因此每台电机车都装有机械制动装置。机械制动装置按操作方式分有手动的和气动的两种。电机车机械制动装置：四个车轮的内侧各装一个闸瓦9（或10），闸瓦铰接在制动杆7或8上。每侧的两个制动杆的下端用正反扣调整螺丝11相连，此调整解丝用来调整闸瓦与车轮轮面的间隙。

14、两个制动杆用连杆12连接，连杆12的顶端铰接在车架上，作为固定支点。拉杆6的左右移动使闸瓦进行制动或松闸。拉杆6的动作是由手轮1经螺杆2和螺母4组成的螺旋副传递的。螺杆装在车架的孔内，手轮和螺杆只能转动不能移动。螺母4固定在均衡杆5的中间，螺母不能转动只能移动。均衡杆5的作用是将螺旋副的推力平均地传给两个拉杆6。(六) 加砂装置加砂装置的作用：向机车车轮前的钢轨上撒砂，以增大粘着系数。加砂装置包括有四个砂箱，这四个砂箱由司机室中上下两个手柄操纵，一个手柄操纵两个砂箱。两个手柄均靠弹簧复位。如图4-8所示，当拉动一个手柄时，手柄臂将拉杆1向左拉，于是摇臂2将拉杆3向上提，锥体4向上，与砂箱底之间

15、拉开一条缝，砂子由此缝流出，经出砂导管5落在轨面上。砂箱中装有颗粒不大于1mm的干砂。 (七) 齿轮传动装置在小型矿用电机车上，一般是用一台牵引电动机通过传动齿轮同时带动两个轴的传动方式。在中型矿用电机车上，用两台牵引电动机分别带动两个轴。传动装置为一级齿轮减速。牵引电动机的一侧用抱轴承1安在车轴上，另一侧用机壳上的挂耳2通过弹簧吊挂在车架上。这种安装方式既能缓和运行中对电动机的冲击和震动，又能保证传动齿轮处于正常啮合状态。在14t及20t电机车上，由于采用高旋转速度、尺寸较小、功率较大的牵引电动机，所以采用二级齿轮减速。齿轮在减速箱内工作，既能提高其传动效率，又能增加其寿命。电动机的一端用凸

16、缘与减速箱联接，另一端用机壳上的挂耳通过弹簧挂在车架上。(八) 联接缓冲装置矿用电机车的前后两端都有联接和缓冲装置。为了能牵引具有不同联接高度的矿车，联接装置一般是做成多层出口的。缓冲装置有刚性和弹性两种。蓄电池式电机车用弹性缓冲装置，以减轻对蓄电池的冲击。架线式电机车用刚性缓冲装置。（二）牵引电动机及其控制1. 直流串激电动机的特性直流串激电动机的优点：1) 串激电动机起动时，能以不大的电流获得较大的起动转矩，因而在要求相同的起动转矩条件下，可以采用较小功率的电动机。2) 串激电动机的转矩和旋转速度随着列车运行阻力及行驶条件而自动地进行调节。当电机车上坡行行驶或负荷较大时，需要较大的牵引力，

17、随着牵引力的增大，电动机的转数会自动地降低。这样，一方面保证了运行安全，另一方面不致从电网吸取过大的功率。在同样的牵引力变化下，串激电动机的电流变化或功率变化较小，因而可以合理地利用牵引变流所的设备和减小馈电电缆及架空线的截面积。 这种特点是由于串激电动机具有软的牵引特性所决定的。3) 两台串激电动机并联工作时，负荷分配比较均匀。4) 当架空电网的电压变动时，只影响串激电动机的转数，而不影响其转矩。由于两台电动机特性有差异或前后车轮直径不相等，两台电动机的转数不等，会引起各电动机负荷电流不相同，但由于其牵引特性较软，因而负荷电流差异很小，约在510范围之内。这样，可以避免个别电动机在运转中因负

18、荷不均匀而产生严重过负荷现象。 这样，就使得当架空电网的电压降很大时，电机车也能起动。此外，串激电动机构造简单、体积和质量都较小也是重要的优点。串激电动机的缺点：如调速性能差等。由于工作条件的要求，架线式电机车的牵引电动机为全封闭型，蓄电池式电机车的牵引电动机为隔爆型。由于功率不大，都采用自冷式。牵引电动机的特性是指运行速度v、轮缘牵引力F以及效率与电枢电流之间的关系，即速度特性vf1(I)，牵引力特性Ff2(I)及效率特性f3(I)。这些特性均用曲线表示。利用这些曲线（效率特性不常用），通常是根据已知牵引力来查电枢电流及速度。牵引电动机的功率有长时功率和小时功率之分。长时功率是指在电机绝缘材

19、科的允许温升条件下，电机长时运转时能够输出的最大功率，它主要取决于电机的散热能力。小时功率是指在允许温升条件下，电机连续运转一小时的最大功率，它是牵引电动机的额定功率，它主要取决于电机的绝缘材料和冷却性能的好坏。与功率相对应的，电流牵引力和转速也有长时制和小时制之分。2. 牵引电动机的起动矿用电机车工作条件困难，起动频繁，因而要求起动时能量消耗要小，起动要平稳，以避免机械冲击。1) 起动原理牵引电动机在静止时电枢绕组内没有反电势，而绕组本身电阻又很小，因此，如果在起动时把牵引电动机直接接至全电压电网，则在静止的电动机各绕组中通过的电流很大，会引起绕组很快发热甚至烧毁。此外，还会产生很大的转矩，

20、引起机械部分的损坏。为了限制起动时的电流冲击，并保持一定的电流数值，普遍采用在牵引电动机的电路中串联接入起动电阻和将两台牵引电动机串并联的方法进行起动。2) 起动方法(1) 串接电阻的起动方法 若已知允许的起动电流，并测出电动机绕组的电阻值，便可以确定起动电阻值。但是，随着电动机旋转速度的增加，若起动电阻固定不变，则电枢电流将减小，电机车的牵引力也随之而减小。为了保持牵引力不变，必须相应地减小起动电阻值。理想的起动应是使起动电阻的数值无级地减小，也就是说要保证每瞬间的起动电流固定不变。但实际上要使起动电阻无级地减小，其控制是比较困难和复杂的。为了解决这个问题，正在研究将可控硅脉冲技术用在电机车

21、上，以实现无级调速和平稳起动。为了简化控制，在ZK7型及ZK10型电机车上起动电阻都是做成四级的。也就是采用逐级减小起动电阻的方法来起动，起动电流在一定的范围内变动，大约为起动电流平均值的15。(2) 串并联起动方法 矿用电机车还采用了两台牵引电动机串并联起动的方法。开始起动时，第一步先将两台电动机串联，并加入起动电阻Rp。然后逐段切除电阻，直至Rp0。第二步是将两台电动机并联，并加入适当的电阻Rp。然后逐段切除，直至两台电动机不带电阻并联运行。这时电机车即达到全速运行。3. 牵引电动机的调速在运输中电机车需要多种速度，所以必须采取一定的措施，由司机来控制牵引电动机的旋转速度，以达到获得多种速

22、度的目的。改变电动机的端电压或磁场强度，就能改变电机车的速度。改变电动机的端电压(1) 串联电阻法 电路内串联接入一个电阻，改变此电阻的数值来调节电动机的端电压。但是这个方法很不经济，因为在电阻器中将消耗大量的电能，所以电阻器实际上只能做为起动之用，而不应该用来调速。(2) 串并联法改变两台牵引电动电动机的联接方式（串并联法）是一种经济的调速方法。但这种调速方法平滑性较差。因为矿用电机车对调速的要求不高，一般正常运行为并联（高速），过道岔及弯道时为串联（低速），两级速度基本上可以达到运输的要求。(3) 可控硅脉冲调速法 在牵引电动机的电路中串联可控硅元件，利用可控硅断续供电改变电动机端电压的平

23、均值，以达到调速的目的。2) 改变电动机的磁场强度单电机小型矿用电机车采用这种方法。(1) 改变激磁绕组的匝数 为了改变激磁绕组的匝数，需要把激磁绕组分为两组，当两组激磁绕组全部接入主电路时，磁场强度为最大，电动机旋转速度最低。当只有一组激磁绕组接入主电路时，由于激磁绕组的匝数减少一部分，因此使磁场削弱，电动机旋转速度增高。(2) 改变激磁绕组的接线 当激磁绕组成串联时为满磁场，电动机旋转速度最低。当激磁绕组成并联时为削弱磁场，电动机旋转速度增高。这种方法的优点是经济性和平滑性好。但调速范围有一定的限制。4. 电气制动矿用电机车的电气制动,大多数是采用动力制动，或称能耗制动。原理：根据牵引电动

24、机在一定的工作条件下可以转变为发电机运转的可逆性。当牵引电动机转变为发电机工作时，利用列车的动能转变为电能。这时，电流将变为相反的力向，产生的转矩也相应改变为相反的方向，使电动机轴上产生制动力。在进行电气制动的过程中，将所产生的电能直接消耗在电阻器上。动力制动的优点：不从电网吸取电能,线路比较简单,同时产生的机械冲击也不大。动力制动的缺点：在制动过程电动机中有电流通过，因此电机绕组的温升要增高，故牵引电动机的功率比不用动力制动者增加1520。采用动力制动不能达到完全停车，还需使用闸瓦制动。要实现动力制动必须解决两个问题：第一、制动前后串激磁场中的电流方向不应改变，否则会产生去磁作用而失去制动力

25、；第二、在制动时两台电动机均变成串激发电机，其负荷为同一个制动电阻器，相当于两台串激发电机并联运行，而串激发电机的并联运行是不稳定的。为了解决上述两个问题，必须采用两台电机的激磁绕组交叉联接线路成交叉桥式联接线路。目前ZK-7型和ZK-10型架线式电机车的电气制动线路都采用交叉桥式联接线路。第四节 机车运行理论及计算列车运行理论是研究作用于列车上的各种力与其运动状态的关系以及机车牵引力和制动力的产生等问题。一、列车运行基本方程式作用于列车上的各种力与其运行状态的关系，用列车运行基本方程式来表示。在讨论列车运行基本方程式时，为了简化起见，假定电机车与矿车之间、矿车与矿车之间的联接都是刚性的。因而

26、在运动的任何瞬间列车中各部分的速度或加速度都是相同的，把整个列车当做平移运动的刚体看待与实际情况虽有差异，但其结果对应用影响不大。列车运行有三种状态：牵引状态： 列车在牵引电动机产生的牵引力作用下加速起动或匀速运行；惯性状态：牵引电动机断电后列车靠惯性运行，一般这种状态为减速运行；制动状态：列车在制动闸瓦或牵引电动机产生的制动力矩作用下减速运行或停车。首先讨论牵引状态的列车运行基本方程式。既然假定整个列车为一平移运动的刚体，那么只要将在牵引状态下作用在列车运行方向上的全部力找出来，根据力的平衡原理就可写出列车运行基本方程式。列车在牵引状态（加速运行）时作用在列车上有三个力：沿着运行方向的牵引电

27、动机产生的牵引力F；逆着运行方向的列车运行的静阻力W；逆着运行方向的列车加速运行时的惯性阻力Wa。根据力的平衡原理，列车在牵引状态下的力平衡方程式为 (4-1)(一) 惯性阻力列车在平移运动的同时，还有电动机的电枢、齿轮以及轮对等部件的旋转运动。为了考虑旋转运动对惯性阻力的影响，用惯性系数来增大平移运动的惯性阻力。因此，惯性阻力Wa可用下式表示： (4-2)式中 m 电机车和矿车组的全部质量，它等于 P 电机车质量，t； Q 矿车组质量，t； 惯性系数，对矿用电机车为0.050.1，平均取0.075； a 列车加速度，对矿用电机车，一般取用0.030.05m/s2。将m值及值代入式(4-2)，

28、得 (4-3)(二) 静阻力列车运行的静阻力包括基本阻力、坡道阻力、弯道阻力、道岔阻力及空气流阻力等。对于矿用电机车，由于运行速度低，后三者都不予考虑，只考虑基本阻力和坡道阻力。1基本阻力基本阻力是指轮对的轴颈与轴承间的摩擦阻力、车轮在轨道上的滚动摩擦阻力、轮缘与轨道间的滑动摩擦阻力以及列车在轨道上运行时的冲击震动所引起的附加阻力等。一般，基本阻力是经过试验来确定的。试验方法是对同类矿车在各种运行状态下，测定它的阻力系数。阻力系数就是基本阻力与矿车总重之比。它取决于很多因素，除了轮轴尺寸、轴承类型外，还与矿车的载重、列车运行状态有关。阻力系数是无因次的参数。有了阻力系数以后，基本阻力可按下式计

29、算 (4-4)式中 W0 基本阻力，kN； g 重力加速度，取9.8m/s2； 列车运行阻力系数。2坡道阻力坡道阻力是列车在坡道上运行时，由于列车重力沿坡道倾斜方向的分力而引起的阻力。很明显，只是沿坡道上行时此分力才成为阻力，而沿坡道下行时，此外力则变成列车运行的主动力了。设为坡道的倾角，则坡道阻力为 (4-5)在计算时，如列车为上坡运行，上式右端取“+”号，如为下坡，则取“”号。一般情况下，电机车运行轨道的倾角都很小，因此， 而 式中 i 轨道坡度，。将上面两式代入(4-5)式，即得 (4-6)列车运行的静阻力应为基本阻力和坡道阻力之和，即 或 (4-7)将式(4-3)和式(4-6)代入式(

30、4-1)，便得到牵引电动机所必须产生的牵引力为 (4-8)上式就是列车在牵引状态的运行基本方程式。利用这个方程式可求出在一定条件下电机车所必须给出的牵引力，或者根据电机车的牵引力求出列车中的矿车数。其次，研究列车惯性状态的运行方程式。在惯性状态下，电机车牵引电动机断电，牵引力等于零，列车依靠断电前所具有的动能或惯性继续运行。在一般条件下，列车将产生一定的减速度：在这种情况下，列车除了受有静阻力W以外，还受到由于减速度所产生的惯性阻力Wa。Wa与列车运行方向相同，正是它使列车继续运行。惯性状态时列车力的平衡方程式为 (4-9) 或 (4-10)即减速度b为 (4-11)公式(4-11)中，上坡滑

31、行时i取“+”号，下坡时取“”号。当列车运行阻力系数为一定时，惯性状态的减速度取决于轨道坡度的大小和上下坡。上坡时减速度b始终保持正值，直至停车为止。下坡时，如i，则b为正值即仍为减速运行，直至停车；如i，则b变为负值，此时不再是减速而是加速运行了。可见，惯性状态是很不可靠的，操作时应予以特别注意。最后，讨论制动状态的运行方程式。在制动状态下，牵引电动机断电，牵引力等于零，并利用机械或电气制动装置施加个制动力B。这个制动力与列车运行方向相反，在力的平衡方程式中应为负值，与基本阻力的性质和方向一致。在制动力和静阻力作用下，列车必定产生减速度。因而，此时惯性阻力Wa却与运行方向一致，即为正值。制动

32、状态的力平衡方程式应为(4-12) 所以 (4-13)式中Wa应代以减速时的惯性阻力。设b表示制动时的减速度，则 (4-14)将(4-7)及(4-14)式代入(4-13)式，即可得到制动状态列车运行方程式，即 (4-15)式中i之符号；当上坡制动时取正号，下坡制动时取负号。利用公式(4-15)可以求出在一定条件下制动装置必须产生的制动力；或者给定制动力，求出减速度及制动距离。二、电机车的牵引力如图4-14所示，主动轮对受到牵引电动机传来的转矩M。转矩M对整个电机车来说属于内力，它不能使电机车运动。可以设想将电机车放在接触面绝对光滑的面上，那么主动轮对将如一个飞轮一样，按顺时针方向旋转起来。3)

33、 由于M的作用，轮对将有绕中心c作顺时针方向旋转的趋势；而轮缘上的同轨面接触的那一点o，相对于轨面来说，有向左滑动的趋势，因此在轮缘上的o点受到轨面所给与的切向摩擦反力F0，其方向是向右的；4) 由于摩擦反力F0的作用，使轮缘上的同钢轨接触的那一点o不会在轨面上向左滑动。在理想情况下，整个轮对将以o点为瞬时中心向前滚动，即轮对作纯滚动运动。而轮对中心c点则作向前的平移运动。此时，列车的一部分运行阻力将通过电机车的联接器、车架及轴箱作用在轮对的中心c点，这就是图中的Wc，它包括静阻力和惯性阻力。主动轮对还受到下面几个力的作用：1) 电机车分配在一个主动轮对上的那部分重力P0g，它是通过中心c作用

34、在轮对上的；2) 轨面对轮对的法向反力N0，它是作用在o点，与P0g在 一条直线上； 根据平衡条件得到式中 R 主动轮对轮缘半径。解上面的方程组，得到 (4-16) (4-17)由上述分析可以看出，主动轮对得到一个转矩M以后，轨面对接触点产生了一个摩擦反力F0，它的方向与列车运行方向相同。正是这个摩擦反力F0克服了列车的运行阻力Wc而使列车向前作平移运动。对于电机车来说，F0是牵引列车向前运动的外力，称为牵引力或轮缘牵引力。F0与Wc大小相等、方向相反，但作用在两条平行线上，形成一对力偶。该力偶矩与转矩M大小相等而方向相反，使转矩M得以平衡，而轮缘上的O点不致于沿轨面滑动。这样，就使轮与轨面互

35、相接触的那一点好象粘着在一起一样，所以F0又称为粘着力。由式(4-17)可知，当列车运行阻力Wc增加时，必然引起转矩M的增加，也就是说牵引电动机必须给出更大的转矩。同时，轮缘牵引力F0也必须同时增大，以平衡列车运行阻力使列车向前运动。但是，无论是电动机的输出转矩，还是粘着力都不能无限制地增大。电动机输出的牵引力（由转矩转换成的轮缘牵引力）受到电动机的温升条件限制。至于粘着力，它本质上是摩擦力，受到摩擦条件或者叫做粘着条件的限制。单个轮对能够产生的最大轮缘牵引力为 (4-18)式中 P0 粘着质量，即电机车分配在该主动轮对上的一部分质量，t； g 重力加速度，取9.8m/s2； 粘着系数。为了使

36、主动轮对的轮缘上同轨面的接触点在轨面不发生相对滑动，该主动轮对产生的轮缘牵引力F0，应满足 (4-19)这就是单个轮对的粘着条件。以上是就一个主动轮对而言。对于整台电机车，能够产生的最大轮缘牵引 (4-20)式中 Pn 电机车的粘着质量，t，如电机车的全部轮对均为主动的，则其粘着质量等于电机车的总质量，即；Pn2P0P。整台电机车的粘着条件是 (4-21)式中 F 电机车为克服列车运行阻力所必须提供的牵引力，由式（4-8）根据不同运行状态求出。为了使列车能按预定的状态运行，必须遵守式（4-21）所表示的电机车粘着条件。这个公式中关键的参数是粘着系数。粘着力实际上是摩擦力，在理想状态，也就是在车

37、轮沿轨道作纯滚动的情况下，粘着系数应为静摩擦系数。因为电机车的每个主动车轮不可能同时都作纯滚动运动。通常是有的是纯滚动，有的则有某种程度的相对滑动。因此，就整台电机车而言，粘着系数值介于静摩擦系数值与滑动摩擦系数值之间。此外，电机车的粘着系数值还取决于其它许多因素，如轮缘的材料、钢轨是否、轨面状况、运行速度等。对于煤矿井下运输，电机车的粘着系数按表4-6选取。三、制动力在列车中只是在电机车上装备有制动装置，矿车上没有制动装置。因此，列车制动时所需的制动力全部由电机车给出。下面分析手动机械闸制动时电机车产生的制动力。用一个制动轮对来说明制动力的产生。P0g为制动轮对所分配的电机车重力；为轨面对轮

38、对的法向反力，显然，P0g = N0。当闸瓦施以正压力N1（作用在轮缘上的均布力，以集中力代之）时，轮缘即产生切向滑动摩擦力T0，其方向与车轮旋转方向相反，其大小为 (4-22)式中 制动闸瓦与轮缘间的滑动摩擦系数，它的数值取决于闸瓦衬垫的材料、运行速度及闸瓦的比压(闸瓦单位面积上所受的正压力)；对于生铁闸瓦，一般可取为0.180.20。在T0的作用下，车轮受到一个逆时针方向的转矩。在这一转矩作用下，车轮轮缘上同轨面的接触点o有沿轨面向前滑动的趋势。因而轨面对轮缘产生一个切向静摩擦力B0，它的方向与车轮旋转方向相同，根据转矩平衡条件，得出 (4-23)由此可见，B0就是电机车一个制动轮对所产生

39、的制动力。在B0和静阻力W1的作用下。轮对即列车减速运行，减速度为b，因而产生制动的惯性力Wal。B0及W1一起与Wal正好平衡。当T0增大时B0相应地增大，因而减速度也增加，使列车能较快地制动住。制动力B0受粘着条件的限制。一个制动轮对能够产生的最大制动力为 (4-24)整台电机车能够产生的最大制动力为 (4-25)式中 P0一个制动轮对的制动质量，t； Pz 整台电机车的制动质量，t；对于全部轮对均装有制动闸的电机车，此质量即为电机车总质量，即PzP； g 重力加速度，取9.8m/s2； 制动状态的粘着系数。在理想状况下，即在制动车轮保持纯滚动下，制动状态的粘着系数值应为静摩擦系数值。然而

40、，对于电机车的四个车轮来说，有的做纯滚动，有的做又滚动又滑动的运动。因此，制动状态的粘着系数值介于静摩擦系数值与滑动摩擦系数值之间。如果闸瓦的压力N1继续增加，以致使整个电机车的制动力超过式(4-25)的数值，即把车轮抱死时，则制动车轮轮缘O点将沿轨面向前滑动。这时，制动力约减少一半，制动减速度大大降低，因而制动距离却增大了。因此，闸瓦压力不能过大。合理的闸瓦压力应使制动力为 (4-26)如果闸瓦最大总压力为Nmax，总摩擦力为Tmax，对于整台电机车来说，式（4-22）可以变为 (4-27)而由式(4-23)，对整台电机车来说，得到 (4-28)把式(4-25)及(4-27)代入式(4-28

41、)，可求得 (4-29)或 (4-30)式中 闸压系数。考虑到对于生铁闸瓦，0.180.20，0.090.17，故0.50.94，为了保证车轮不被抱死，闸压系数值不应超过0.9。四、电机车运输计算1、原始数据电机车运输计算的原始数据是：设计生产率、加权平均运输距离和线路平均坡度等。(1) 设计生生率在一般情况下，设计生产率是根据班生产率并考虑别运输不均匀系数而确定的。矿用电机车的运输不均匀系数采用1.25。电机车的远输能力应不小于设计生产率，这样才能保证及时运出全部采出的有用矿物，以保证井下工作面的连续生产。假如在中间站不能贮存足够数量的有用矿物时，那么电机车运输能力应大大地超过设计生产率，才

42、能保证矿井的连续生产。(2) 加权平均运输距离电机车同时服务于两个以上的装车站，装车站班生产率分别为A1、A2、 An，各装车站至井底车场的运输距离分别为L1、L2、 Ln ，进行运输计算时按加权平均运输距离L计算。L可由下式确定 (4-31) (3) 线路平均坡度井下电机车运输线路的坡度往往是变化的。为了计算方便，从线路纵断面图中找出并计算出平均坡度。平均坡度ip用下式计算 (4-32)式中 i1、i2in 各段线路的坡度，； l1、l2ln 各段线路的长度，m； L0 运输线路长度，m； H2 线路终点的标高，m H1 线路起点的标高，m。2、选择电机车的粘着质量选择电机车的粘着质量是一个

43、技术经济问题，这个问题涉及到许多因素，其中最重要的因素是矿井年产量。年产量大，就要加大电机车的粘着质量和矿车中货载质量。这样可以减少列车的周转次数降低运输工作的紧张程度和简化运输工作组织。但可能因此增大巷道断面，即提高了巷道的掘进与支护费用。这时可以考虑用单轨巷道代替双轨巷道，就减小了巷道断面。新建矿井的电机车粘着质量按表4-8选取。现有矿井增产挖潜时，一般选用与现有电机车型号相同的电机车。3、列车组成的计算在确定电机车粘着质量及矿车型式之后，可以根据运输条件计算列车组成，就是确定车组应由多少辆矿车组成。列车组成的计算按三个条件来进行，这三个条件是：按电机车的粘着质量、按牵引电动机的允许温升、

44、按列车的制动条件。从这三个条件的计算结果中取其最小者。下面分别按上述三个条件，推导车组质量的计算公式。(1) 按电机车的粘着质量计算重车组质量按此条件计算时需要考虑到最困难的情况，即电机车牵引重车组沿上坡起动。虽然一般井下运输大巷中重列车是下坡运输，但在某些意外情况下（例如巷道或轨道发生故障时）重列车带要向上坡牵引。根据公式(4-8)，电机车牵引重车组沿平均坡度的直线轨道上坡起动时，所需给出的牵引力为 (4-33)式中 F 重列车上坡起动时电机车所需给出的牵引力，kN； P 电机车质量，t； Qz 重车组质量，t； z 重列车起动时的阻力系数，见表4-5； ip 运输线路的平均坡度，见公式(4

45、-32),一般取3； g 重力加速度，取9.8m/s2； a 起动时的加速度，一般取0.030.05 m/s2。根据电机车的粘着条件，即把公式(4-33)代入公式(4-21)方后得到所以 (4-34)式中 电机车撒砂起动时的粘着系数，见表4-6。(二) 按牵引电动机的温升条件计算重车组质量按电动机的温升条件，实质上是按照电动机的等值电流不超过长时电流的条件。直流串激电动机由于磁饱和的关系，正常工作时牵引力和电流是成正比的，即其比例关系是一条直线，只是在低负荷时才呈抛物线状。因此，可以按等值牵引力不超过长时牵引力的条件确定重车组质量。与等值电流的计算方法一样，等值牵引力也可以用均方根法来求得 (

46、4-35)式中 Fd 电机车的等值牵引力，kN； Fz 牵引重车组时电机车的牵引力，kN； Fk 牵引空车组时电机车的牵引力，kN； tz 重列车运行时间，min； tk 空列车运行时间，min； Ty 总的运行时间，Tytz + tk，min； 停车及调车时间，一般可取1822 min； a 调车系数。它是考虑调车时牵引电动机需要工作的系数，此系数值见表4-9。为了使计算进一步简化，假定列车是在理想的等阻坡度上运行。在等阻坡度上运行，重列车下坡时的运行阻力等于空列车上坡时的运行阻力。虽然这个假定与实际情况有出入，但是由于一般平均坡度与等阻坡度比较接近，所以计算还是比较准确的。因有这个假定，故

47、上式中重列车与空列车牵引力相等，即 (4-36)将式(4-36)代入式(4-35)，即得 (4-37)因 (4-38)令 (4-39)则式（4-37）为 (4-40)而 (4-41)式中 z 重列车运行阻力系数； td 等阻坡度，对于用滚动轴承的矿车，一般为2。将式(4-41)代入式(4-40)中即得 (4-42)为了使牵引电动机温升不超过允许温升，电机车的等值牵引力Fd应不大于长时牵引力Fch，即 (4-43)将式(4-43)代入式(4-42)中，即得按牵引电动机温升条件计算的重车组质量为 (4-44)列车运行时间为 (4-45)式中 L 加权平均运输距离，m； vp 列车平均运行速度，m/

48、s。列车平均运行速度为 (4-46)式中 vch 电机车的长时速度，m/s。(三) 按制动条件计算重车组质量煤矿安全规程规定：运送物料时列车的制动距离不得超过40m，而运送人员时不得超过20m。这个距离是根据电机车照明灯的有效照射距离来制定的。制动距离是指从司机开始拨动闸轮或电闸手把到机车完全停止的距离。在计算重车组质量时必须符合这一规定，并应按最不利的情况，即重列车下坡制动时的情况来计算。列车开始制动时的速度为长时速度vch，则制动时的减速度b为 (4-47)式中 lz 制动距离，运物料时为40m。由式(4-15)可以求得当重列车沿直线轨道下坡制动时电机车的制动力为 (4-48)式中 ip

49、平均坡度，； z 重列车运行阻力系数。将式(4-26)代入式(4-48)得由上式得出按制动条件计算重车组质量的公式为 (4-49)式中 Pz 电机车的制动质量，对于矿用电机车，它等于电机车的全部质量P，t； 制动时的粘着系数，如撒砂时可取为0.17。上面按三个不同条件推导出计算重车组质量的三个公式。在多数情况下，按制动条件求得的重车组质量小于按其它两个条件求得的。在这种情况下，为了不因减少车组质量而使每列车中矿车数过少，可以采用这样的办法：在重列车下坡时两台牵引电动机由并联改为串联运行，使牵引电动机电压降低一半，以降低运行速度；或者每隔一定时间切断电源，以改善制动条件。按上述三个条件分别求出重

50、车组质量之后，应取三者中之最小者来确定车组中矿车数。车组中矿车数z可由下式求得： (4-50)式中 Qz 重车组质量，t； G 矿车中货载质量，t； G0 矿车质量，t。应当指出，由以上方法确定的车组中矿车数，仅仅是从电机车牵引的技术可能性出发的，最有利的矿车数还要以实际条件和技术经济比较作为基础。因为在某些条件下，最大允许的本组中矿车数太多，反而会引起矿车总数不必要地增加和调车车场的加长等。四、列车组成的验算确定了重车组质量后，还要验算实际的电动机的温升和列车制动距离。原因：按温升条件计算重车组质量时，是按等阻坡度，并以加权平均运输距离为条件来计算的；按制动条件计算重车组质量时，是用电机车的长时速度计算的减速度。实际上，列车是在比等阻坡度大的平均坡度上运行；重空列车的运行速度和运行时间也不同。并且在比加权平均运输距离大的最长距离上运行。因此，需要按在平均坡度上，在最长运输距离上运行时，验算其等值电流是否超过长时电流。并且按实际运行速度和实际所得到的减速度验算其制动距离是否符合煤矿安全规程规定。(一) 验算实际电动机温升按在平均坡度ip上及最长运输距离Lmax来验算。首先计算出牵引重列车和空列车达到全速稳态时电机车的牵引力然后再算出每台牵引电动机的牵引力式中 nd 电机车