列车牵引理论.ppt

* 电力牵引传动基础——北京交通大学 电气工程学院 * 第二讲 列车牵引理论 轮轨相互作用理论 牵引力、制动力的形成与限制 列车运行阻力 列车运动方程 列车牵引特性 列车牵引特性与电机特性之间的关系 几个概念：粘着、空转、计算粘着系数、轴重转移、基本阻力、附加阻力、单位阻力、加算坡道、单位合力 第二讲 列车牵引理论 1. 轮轨相互作用理论 1.1 轮对的结构 轮-轨的相互作用，是列车牵引的基础和特点 Wheel 车轮 Axle 车轴 Brake disk 制动盘 1.2 轮对的受力分析 重力Pi（轴重，包括轮对自身重量） 轨道的支撑力Si 电机的驱动转矩Mi 可等效为一对力偶FiA、FiB，分别作用于轴心O和轮轨接触点C FiA的反作用力fi，是钢轨给轮对的 当fi与FiA平衡时，力FiB由于没有外力与之平衡，就使得轮对以C点为中心发生向前的滚动 在轮轨接触点C处，当fi与FiA相等时，轮轨处于相对静止状态 1.3 粘着(adhesion)的概念 FiA及FiB 的大小为： Fi A= Mi / Ri 与之对应，轮周牵引力大小为 fi = Mi / Ri 当fi = FiA时，轮轨接触点C保持相对静止，轮轨之间没有相对滑动，动轮对作纯滚动运动——“粘着”状态 粘着：轮轨接触点保持相对静止而不发生相对滑动的现象。 粘着的条件：轨道对轮对能够产生与FiA相等的“摩擦力” fi 1.4 粘着力的特点 在一定的轮轨接触条件下，轮周牵引力fi 随着电机驱动转矩Mi（也可以看做FiA ）的增加而增大 当Mi增大到一定值时， fi达到极限值 fimax，并且不再增大 此时，如果继续增大Mi，将会出现FiA fi的情况，轮轨在接触点处将出现相对滑动 轮轨发生相对滑动时，fi将急剧减小，导致滑动进一步加剧，动轮将进一步加速旋转——空转现象 粘着力的极限值fimax与轮对的轴重Pi成正比，即： fimax=μ Pi ，比例系数 μ 称为粘着系数，仅与轮轨接触面的状态相关 空转的危害及防护 因轮对的驱动转矩过大，导致轮轨间的粘着关系被破坏而出现相对滑动的现象，称为“空转”。 空转的危害 牵引力下降 轮轨擦伤 制动时情况更为严重 ——连滚带爬状态 空转的防护 采取空转检测保护措施 改进电机的特性 撒砂 提高驾驶技术 现代控制技术，粘着控制 1.5 粘着现象的理论解释 从1699年至今，人们对轮轨接触产生的牵引力机理进行了研究，目前公认的是荷兰的Kalker教授的蠕滑理论 粘着并不是由于摩擦产生的，粘着系数不等同于摩擦系数 轮周牵引力 fi 是由于轮轨间的蠕滑(creep)产生的 “蠕滑”是指两个接触体形成的接触表面中，对应质点间的相对变形产生的微量滑动的现象 蠕滑的宏观表现是，车轮滚动的线速度大于平移速度，蠕滑率σ可用它们的相对差值表示，即 蠕滑现象的描述 轮轨接触面是一个椭圆的区域 在力矩Mi作用下，车轮前部分压缩，后部拉伸；轨道前部拉伸，后部压缩；钢轨的前部拉伸，后部压缩 滚动区——接触面的前部，无相对滑动 滑动区——接触面的后部，有微小的相对滑动 两个弹性体接触面的变形及微小的滑移，促成了轨道向轮对传递切向力 粘着系数与蠕滑率的关系——粘着-蠕滑特性曲线 通过实验统计得到的曲线 切向力增大导致滑动区面积增大，滚动区面积减小，表现为蠕滑率增大 蠕滑率增大到某个值时，粘着系数达到最大值 μmax 当滚动区面积继续减小时，产生宏观的滑动——空转 σ(%) μ(%) μmax 空转会在过B点后的任意点产生（为什么？） 2. 机车牵引力、制动力的形成与限制 2.1 机车牵引力形成的内因和外因 轮对在驱动转矩Mi作用下，如果满足粘着条件，可从轮轨接触点获得轮周牵引力fi ： fi= Mi/Ri=μPi 产生牵引力的两个条件： 驱动转矩Mi ——内因 粘着条件 μ 、Pi ——外因 最大牵引力受最大粘着力限制 ： fimax=μmaxPi 机车牵引力： F=∑ fi 2.2 机车牵引力的限制条件 机车的牵引力不能超过所有轮对最大粘着力之和 Fmax≤ ∑ μimaxPi 机车粘着条件下的最大牵引力也可以表示为 Fμ≤ μj Pμ μj为机车可利用的等效粘着系数——计算粘着系数 Pμ为机车可以利用的总轴重——机车重量P 机车的驱动力大于Fμ时，粘着条件最差的动轮就会产生空转，机车的牵引力立即下降，会产生滑动、粘着、再滑动的振荡过程 2.3 影响 μmax和μj的因素 影响μmax的因素 影响μj的因素 每个轮对的粘着系数 全部轮对的粘着利用程度 轮轨材质 动轮直径及轴重 环境因素——摩擦系数 运行速度 线路垂向刚度 强迫硬性滑动 牵引电机特性差异 动轮直径及其差异 轴重转移 (SS系列