第1章 动车牵引力 《列车牵引与操纵》教学课件

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上篇：

列车牵引计算主讲教师：臂老师

第一章动车牵引力一、教学重点：1．基本概念：“粘着”和“蠕滑”、摩擦力与粘着定律；动车牵引力的几个概念。2．牵引力产生必须满足的二个条件；动车牵引力的产生、计算和传递。3.粘着限制、粘着系数、粘着牵引力及其计算公式。4．动轮空转：空转的危害，车轮空转在什么情况下才能发生？5.改善的方法及提高粘着牵引力的措施。6．动车牵引特性。第一节动车牵引力的基本概念一、城市轨道交通车辆的运用特点1．列车动力配置与编组形式不同

铁路:：动力集中编组一般为12—20辆，编组辆数比较灵活；地铁：动力分散的，编组一般为4-8辆，在运用过程中，列车编组基本固定。动力分散型与动力集中型两者不同的特性以及编组辆数的不同，决定了两种轨道交通在列车启动加速性能、爬坡性能、调速制动性能等控制性能上的差异。因此，在理解相关概念时要注意上述两者的区别。2.区间长度短、线路纵断面变化大区间长度短：

市区站间距约为0.8-1.8km

市郊线路站间距约为1-3km

线路平面与纵断面：

20‰左右的大上坡及大下坡较普通铁路多，造成线路附加阻力较大；曲线半径较小，一般在l000m以下，甚至团难地段有300m以下的曲线半径。因此，城市轨道交通的线路条件，决定地铁列车在运行中存在启动频繁、启动加速快和制动减速快，目标速度低的特点。3．城轨列车紧急制动距离短、操纵要求更加严格普通铁路：普速列车一般条件下的紧急制动距离规定为800m；地铁列车：一般条件下的紧急制动距离是180m；它的制动方式主要是电制动与闸瓦制动相结合形式，对停站要求更严格，要停得准，停得稳。实际的停站误差在米级甚至20cm以下。因此，城市轨道交通对于列车的操纵方式要求更加严格。城市轨道交通电力牵引系统荟萃了电力电子、计算机检测与控制、电机与电器制造等多学科的先进技术，正朝着智能化、模块化、轻量化、节能型、免维修方向发展。特别是地铁列车，普遍具有自动保护(ATP)、自动驾驶(ATO)、自动监控（ATS）等功能，其安全性、舒适性以及正点率都有较高要求，这些特点都对城市轨道交通车辆运用提出了更高的标准二、动轮与钢轨间的粘着（一）粘着

例如：法国TGV列车……

在正压力Q¡的作用下，车轮和钢轨的接触部分紧压在一起。切向力Fi使车轮上的0＇点具有向左运动的趋势，并通过0＇点作用在钢轨上。ƒi＇表示车轮作用在钢轨上的力，其值ƒi＇=Fi。由于轮轨接触处存在着摩擦，车轮上0＇向左运动的趋势将引起向右的静摩擦力ƒi，即钢轨对车轮的反作用力，其值ƒi=ƒ

i＇，ƒ

i

称为轮周牵引力。因此，车轮上的0＇点受到两个相反方向的力ƒi和Fi

的作用，而且

ƒi=Fi

(1-1)

图1-1动轮对受力分析

由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相对静止的现象称为“粘着”。粘着状态下的静摩擦力ƒi

又称为粘着力。粘着系数是由轮轨间的物理状态确定的。加大每轴的正压力，即轴重，可以提高每轴牵引力，但轴重受到钢轨、路基、桥梁等限制。动力分散型的城市轨道交通车辆，动轴数较多，很容易达到整列车所需的牵引力，因而轴重较小，这对保护轮轨的正常作用是有利的。

（二）蠕滑

在动轮正压力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，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Fi的作用，动轮在钢轨上滚动时，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“蠕滑”。蠕滑是滚动体的正常滑动。动轮在滚动过程中必然会产生蠕滑现象。

图1-2牵引工况轮轨接触处的弹性变形三、牵引力的分类（一）按照动车变能部分的能力划分根据动车变能的顺序，得到的二个牵引力概念：1．牵引电动机牵引力——按牵引电动机容量所能得到的牵引力。2．粘着牵引力——根据动车动轮与钢轨间的粘着能力而确定的最大牵引力。以上二种牵引力，分别属于牵引电机，轮轨间的粘着条件的二个变能部分，这二个变能部分都有一定的变能能力，二者能力相匹配，对于一台动车来说比较理想，

（二）按照机械功传递过程中不同作用点划分1．指示牵引力Fi——动轮转动一周所做的功等于牵引电机轴上的机械功的条件下，计算得到的牵引力，即：不计传动装置机械损失的情况下，所得到的牵引力。2．轮周牵引力F——在动轮转动一周所做的功等于牵引电机轴上的机械功减去动轮一周内传动装置的阻力功的条件下，所得到的牵引力。即作用在动轮周上的牵引力，显然轮周牵引力等于指示牵引力与传动装置效率的乘积。

F=Fiη

（kN）（1-4）3．车钩牵引力Fg——作用在动车车钩上的力等于轮周牵引力，减去动车运行阻力后的值。

Fg=F-W＇-aMj

(kN)(1-5)电客车等速（即a=0时）运行时，车钩牵引力等于电客车的总阻力。综上分析：由此得出结论

Fi＞F＞Fg

我国及一些国家，以轮周牵引力为计算标准，以轮周牵引力来衡量和表示动车牵引力的大小。第二节动车牵引力的产生、计算和传递一、动车牵引力的产生和计算1、牵引力的产生必须具备的条件：A、动轮与钢轨接触并存在粘着作用；B、动轮上有动力传动装置传来的旋转力矩。2、牵引力的定义动车的牵引力是由动力传动装置引起的,通过轮轨之间的相互作用而产生与列车运行方向相同，司机可以控制和调节的外力。3、牵引力的产生过程牵引电动机转轴输出转矩M，通过齿轮减速传给动轮，再通过轮轨间的相互作用，引起钢轨对动轮的切向反作用力，即牵引力。所以，它的实质是电能变为机械能、内力引起外力的过程。上述过程如同人走路一样……

图1-3牵引力的产生过程4、牵引力的计算

（1）计算主动齿轮给从动齿轮的推力P0

（2）计算P0对从动齿轮形成驱动力矩MK0。（3）计算轮周牵引力

（4）考虑到齿轮传动装置的机械效率η，轮周牵引力为

Fk=2·i·η·Md/Dk

（kN）式中：η—齿轮传动装置的机械效率

（5）一组动车上的轮周牵引力为：

F=m·Fk=2·m·i·η·Md/Dk

（kN）式中：m—动车组动轴数；

以广州地铁一、二号线为例：

牵引电机→联轴节→齿轮箱→轮对→轴箱→一系簧→构架→牵引拉杆→中心销座→中心销→车体电制动力与牵引力传递过程相同，力的方向相反。

二、纵向牵引力传递：

第三节粘着限制、动轮空转及改善方法一、粘着对牵引力的限制由粘着条件决定的最大粘着力，也就是动轮不空转所能实现的最大牵引力，称为粘着牵引力，用Fμ表示。

Fμ≤μ（Σmm·g）（KN）式中μ——粘着系数

Σmm——各动轮正压力之和，也称为粘着重量。

g

——重力加速度（取为9.81m/S2）。

二、粘着系数

当动车粘着重量确定后，粘着系数的变化就是决定粘着牵引力大小的因素。(一)动轮踏面与钢轨表面状态干燥清洁的动轮踏面与钢轨表面粘着系数高,冰、霜、雪等天气的冷疑作用或小雨使轨面轻微潮湿时轨面粘着系数低。大雨冲刷、雨后生成薄锈使粘着系数增大；油垢使粘着系数减小。（二）线路质量钢轨愈软或道碴的下沉量愈大，粘着系数愈小；钢轨不平或直线地段两侧轨顶不在同一水平，动轮所处位置的轨面状态不同，都会使粘着系数减小。（三）车辆运行速度和状态

车辆运行速度增高，加剧了动轮对钢轨的纵向和横向滑动及车辆振动，使粘着系数减小。特别是轮轨表面被水污染情况下，粘着系数随速度增加而急刷下降。（四）动车有关部件的状态（1）各动轴上牵引电动机的特性不完全相同，在同一运行速度下产生牵引力大的轮对将首先发生空转。（2）各个动轮的直径不同，直径小的动轮发出的牵引力大，容易首先发生空转。（3）各个动轮的动负荷不同，运行中动负荷轻的动轮将首先空转。由于以上原因，粘着系数具有随机性，变化范围大，影响因素多，所以很难准确计算。一般都是根据大量试验，将试验结果用统计方法，整理成经验公式用作计算的依据。这个计算依据就是计算粘着系数，同μj表示。三、地铁电客车轮轨间计算粘着系数的经验公式为1、当V=0～50km/h，R＞600m时。

2、动车在曲线半径R＜600m的线路上运行时，曲线上的计算粘着系数有所下降，可用下式计算：

μr=μj

(0.67+0.00055R)（式1-11）式中：

μr——曲线上的计算粘着系数；R——轨道半径（m）；V——运行速度（km/h）。3、按计算粘着系数μj计算的粘着牵引力，称为动车计算粘着牵引力，即：

Fμ=（Σmm·g）·μj

（kN）（式1-12）

例题11、南京地铁采用动力分散型电动车组，每列电客车采用6节车辆编组，编组形式：A-B-C-C-B-A，其中B、C为动车，车辆重量(载客后)平均为60t，试计算该列车速度为40km/h时的粘着牵引力？解：1、计算Pμ=60×4=240t2、计算粘着系数μj

3、计算粘着牵引力

Fμ=（Σmm·g）·μj（kN）

=240×9.81×0.269=633（KN）答：该列车速度为40km/h时的粘着牵引力是633KN.

三、动轮空转与改善粘着的方法

（一）空转的产生和危害1、空转的产生列车运行时，由于各种原因，使得轮轨间的粘着系数下降，粘着力减小。当动轮的牵引力大于轮轨间的最大粘着力时，轮轨接触点的作用则不再平衡，车轮开始沿钢轨向后滑动，在强大力矩作用下，车轮飞快转动，轮轨间的纵向水平作用力变成了滑动摩擦力，动轮便发生——“空转”。

2、空转的危害

动轮空转后，轮轨间变为滑动摩擦，因滑动摩擦系数比粘着系数小得多，所以动车牵引力将大幅度下降，甚至钢轨和车轮都将遭到剧烈磨损。如果司机不及时采取措施减小动轮力矩，严重时则会引发事故。（二）提高动车粘着牵引力的措施

1．加大动车功率，使一定时间内能将更多的电能或化学能转化为机械能；

2．提高轮轨间的黏着系数，将动车的机械能更有效地转化为牵引力。

3．在设计电客车时，应使其具有较高的粘着重量利用率：（1）采用机械特性硬的牵引电动机机械特性硬的牵引电动机，电机转速略有上升，就会使转矩大幅度下降，因而具有良好的防空转性能。例如：鼠笼式交流牵引电动机的动车不会产生持续空转。（2）机械走行部分采用低位牵引，以及采用合适的悬挂系统等措施。

4．司机要正确地驾驶车辆，特别是应起动平稳，有空转预兆时，要提前采取措施，使轮轨间保持较高的粘着系数。（三）粘着控制系统

国内外常见的粘着控制系统主要是校正型和蠕滑率控制型两大类，城市轨道交通车辆要求动车具有良好的防空转和防滑行性能，大多采用校正型的控制系统。当采用自动驾驶时，当动车牵引力一旦超过粘着值，空转或空转趋势达到一定程度时，司机不必采取任何措施，防空转控制系统会快速并深度削减动轮驱动转矩，使空转得到强烈的抑制；进入再粘着恢复区后，又迅速恢复牵引力；当回升到空转前转矩的一定百分比时，再以缓慢速率增长，以便寻找一个粘着极限点。采用这种短时超越粘着的最大值，又不让空转发展的简单办法，可使轮轨经常运用在高粘着区。第四节动车牵引特性1、动车牵引特性

当动车在某一定的功率下运行时，随着运行速度的变化，其轮周牵引力也作相应的变化，即关系式F=f(v),这种牵引力随速度变化而变化的规律，称为动车的牵引特性。2、轮周牵引力曲线

动车牵引力可以通过计算和实测得出，然后绘成曲线，动车轮周牵引力与速度的关系曲线，称为动车轮周牵引力曲线。

练习题一、填空题： 1、我国及一些国家，以

为计算标准，以轮周牵引力来衡量和表示动车牵引力的大小。2、轮轨之间的最大静摩擦力称为动车

。3、任何情况下，轮周牵引力不得

轮轨间的最大粘着能力，否则，车轮将发生

。4