第二章电力牵引原理.

第二章电力机车牵引原理§2.1电力机车基本工况§2.2电力机车的牵引力与制动力§2.3电力机车牵引特性要求§2.1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运行。电力机车基本工况：牵引、惰行、制动。（三工况使机车牵引列车正常运行，实现铁路运输的目标。）一、牵引工况1、牵引工况牵引电动机通电将电能转变为机械能，驱动机车及列车运行。2、列车受外力牵引力F、阻力W。§2.1电力机车基本工况3、运动方程式（1-1）式中，M为列车的归算质量，V是列车的运行速度。注：Ⅰ、若F＞W，则dV/dt＞0，列车作加速运行（起动时）；Ⅱ、若F＜W，则dV/dt＜0，列车作减速运行（上坡时）；Ⅲ、若F=W，则dV/dt=0，列车作匀速运行或是停止状态。二、惰行工况1、惰行工况指牵引电动机不通电，机车及列车靠惯性运行。dtdVMWF§2.1电力机车基本工况2、列车受外力仅只阻力W。3、运动方程式（1-2）注：Ⅰ、若W＞0，dV/dt＜0，惰行减速，W阻止列车运行。（通常情况）Ⅱ、若W＜0，dV/dt＞0，惰行加速，W加速列车运行。（下大坡道惰行）Ⅲ、若W=0，dV/dt=0，列车作匀速。（下坡道惰行）（后两者实质是列车下坡道上有下滑分力）dtdVMW§2.1电力机车基本工况三、制动工况1、制动工况指给机车或列车加制动力，使其作减速运行。2、列车受外力阻力W、制动力B（制动状态）。3、运动方程式（1-3）注：Ⅰ、若W＋B＞0，dV/dt＜0，减速运行。（通常情况）Ⅱ、若W＋B＜0，dV/dt＞0，加速运行。（下大坡道）Ⅲ、若W＋B=0，dV/dt=0，匀速运行。（下坡道）（后两者是列车下坡道上有下滑分力。但第Ⅱ种情况是不允许的，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。）dtdVMBW§2.2电力机车的牵引力与制动力牵引基础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，车轮和钢轨之间的相互作用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点。牵引基础的主要内容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、牵引计算及所有对牵引特性有影响的应用技术。§2.2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，而牵引必有牵引力，制动必有制动力。一、牵引力1、牵引力使列车前进的外力：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）。牵引力：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。2、原因分析∵一方面，牵引电动机通电→转矩→机车动轮→力偶（轮中心与轮缘之间）；另一方面，机车及动轮正压力→轮轨紧压→“粘着”。齿轮§2.2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M使轮对对钢轨产生作用力Fi′，钢轨对轮对反作用力fi，则转动和平动C点相对静止的条件：fi＝Fi′把产生相对静止点C的现象称为粘着（adhesion）。Fi的产生是由于fi平衡了Fi＇，因此钢轨对轮轨的作用力fi就是使车辆运行的外力，即牵引力。图1-1牵引力的产生§2.2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Fi。3、数学式电力机车每对动轮圆周上所产生的牵引力（㎏）（1-4）式中，为传动效率，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MD（公斤·米，即㎏·m）。电力机车N台牵引电动机（即N根动轴），总牵引力为（1-5）DCCDMDF2CCDCCDMDNNFF2§2.2电力机车的牵引力与制动力二、制动力制动力：粘着制动，由轮轨粘着产生与运动方向相反的外力；非粘着制动，则相反。作用：使机车及列车减速或让列车停下来。（司机据需要控制）注：制动力与牵引力的区别：牵引力使机车前行，制动力使机车停下来；牵引力仅产生于动车轮轨间，而气制动力产生在全列车具有制动装置的轮轨之间；制动与牵引转矩方向相反，力偶和钢轨对车轮的反作用力也相反。（制动力阻止列车前进）产生方法：粘着制动：传统制动闸瓦→抱紧车轮→摩擦，则列车动能→热能，达到减速或停止，新型的轮盘制动同理）；电气制动，如电阻制动、再生制动；非粘着制动：如涡流、磁轨等制动。§2.2电力机车的牵引力与制动力三、列车运行阻力分为基本阻力和附加阻力。基本阻力列车在运行时，任何时候都存在的阻力。包括：①轴颈与轴承之间的摩擦产生的阻力；②轮轨间的滚动摩擦、滑动摩擦；③冲击和振动造成的运行的阻力、④空气阻力。注意：影响因素极为复杂，通常按照由大量试验综合得出的经验公式进行计算。如动车组CRH2的单位基本阻力公式：W0=8.63+0.072v+0.00112v2(1-6)§2.2电力机车的牵引力与制动力附加阻力列车运行时，在某一条件下才产生的阻力。包括：①坡道阻力；②弯道（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摩擦，转向架与车体的相对位移引起的阻力；③隧道空气附加阻力，如隧道内正面空气压力与尾部负压的压力差所形成的压力阻力；隧道内车体表面紊流与车体表面的摩擦阻力；④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。§2.2电力机车的牵引力与制动力四、粘着概念1、滑动物体由静止到滑动要经历弹性位移和滑动两个阶段：外力作用→接触面弹性变形（表面静止，实际有位移），外力↑→弹性位移↑，外力消失→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“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→滑动，弹性位移变为硬性位移。2、粘着对电力机车动轮与钢轨，弹性位移阶段叫粘着，非全静摩擦力叫粘着力。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动轮在钢轨上滚动是弹性变形。动轮圆周速度约大于位移速度→“微滑动”→传递牵引力。Fi＜F粘max，触面以滚动区域为主→滚动→粘着状态。随Fi↑→滚动区域↓→滑动区域↑；当Fi＞F粘max（即前述的Fi′＞fi），触面以滑动区域为主→有硬性位移，除滚动还有滑动，出现打滑；当Fi↑↑→完全打滑，出现空转。因此，电力牵引正常运行，牵引Fi＜F粘max。3、粘着系数一定轴重下，动轮获得轮周牵引力的大小，即(1-7)其中P是轮对的轴重，Fi为由粘着产生的牵引力。PFi§2.2电力机车的牵引力与制动力注意：①任何引起牵引力变化的现象都可以表示为粘着系数µ的变化，所以粘着系数µ是电力牵引控制系统的一个重要参量。②有最大粘着系数µmax和瞬时粘着系数µ。③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。4、影响粘着的因素（1）设计因素，轮轨的材料(现用钢材影响已不大)、轴重和轨径、机车走行部的动力学性能；（2）环境因素，轮轨触面油污、天气（潮湿有雾或薄冰）→粘着↓；§2.2电力机车的牵引力与制动力（3）运行因素，司机操作方法、速度及加速度（↑→触点接触持续时间↓→粘着↓）、线路特性等（且单位时间通过钢轨接缝次数↑→振动次数↑→粘着↓）。5、改善粘着的措施（1）设计制造时，提高机车粘着重量利用系数等；（2）保持轨面清洁，用水流、气流、电弧等→清洁轨面，并防止机车行走部分的润滑油漏到轨面上；（3）撒沙提高粘着系数（最常用方法之一）；此外，司机正确驾驶，启动要平稳。§2.2电力机车的牵引力与制动力严重空转的后果§2.3电力机车牵引特性要求一、电力机车牵引特性(F＝f(V))是表示电力机车工作能力的最重要的特性之一。电力机车的F、V由牵引电动机的转矩M、转速nD决定。电力机车的走行速度（㎞/h）（1-8）DCnDV100060式中，转速为转/分。利用式（1-5）、（1-8），据传动方式，可求得电力机车的牵引特性F＝f(V)，如图1-2所示。VF123450图1-2电力牵引特性及限制曲线§2.3电力机车牵引特性要求二、牵引特性的界限欲安全运行，电力牵引的牵引力和运行速度须控制在允许限度内（图1-2）：（1）粘着条件限制F＜极限粘着力（曲线2）；（2）最大电流限制（曲线3）（有时此限制前已被粘着条件所限制）；（3）构造速度限制（曲线4）机车构造决定的速度是最大安全速度；（4）直流传动牵引，电机安全换相限制（曲线5）；交流传动牵引，最大功率限制（类似曲线5）。§2.3电力机车牵引特性要求三、稳定性的要求1、机车牵引特性的机械稳定性指正常运行中，偶因使速度微变，列车还回到稳定运行（稳定运行不被破坏）。（1）阻力基本阻力：列车运行中永远存在的阻力（轴摩擦、轮轨间的滚动及滑动摩擦、冲击及振动、空气阻力等），用W0表示，如图1-3所示的W0=f(V)。附加阻力：只在某些情况下（坡道、弯道、起动）存在的阻力。QF0W0VQ1F=f(V)2F=f(V)W0=f(V).V图1-3牵引特性机械特性分析§2.3电力机车牵引特性要求（2）机械稳定性条件对牵引特性F2=f(V)，在工作点Q有△V，F＜W0，将减速回到Q点；当有﹣△V，F＞W0，将加速回到Q点。（稳定）对牵引特性F1=f(V)，则相反。（不稳定）牵引特性机械稳定性条件或（1-9）即：牵引特性曲线斜率小于基本阻力曲线斜率。结论：因dW0/dV＞0，而交、直传动机车均dF/dV＜0，则交、直传动机车均机械稳定（见后）。2、牵引电动机的电气稳定性指正常运行中，偶因使电流微变，牵引电机还回到电平衡（电平衡不被破坏）。A、直流电动机：dVdWdVdF00)(00WFdVddVdWdVdF§2.3电力机车牵引特性要求（1）电压方程式直流电动机动态电压平衡方程式（1-10）式中，UD为端压，ED为反电势，∑R为电路总电阻，L为电路电感。直流电动机反电势（1-11）式中，CE为结构决定的常数，ΦD为主极磁通，nD为电枢转数。可见，ED取决于ΦD和nD，励磁的不同其ED～I曲线也不同。dtdILRIEUDDDDDDEDnCE§2.3电力机车牵引特性要求（2）电气稳定性条件将（1-11）→（1-10）有（1-12）设dtdILRInCUDDDDEDRInCUDDDE端压UD（常数）、U的曲线见图1-4。工作点A的UD=U，电气上平衡。对曲线1：若ID→△ID，有UD＜U，则L（dID/dt）为负，使ID↓→回到A点；反之，ID→﹣△ID，UD＞U，则L（dID/dt）为正，使ID↑→回到A点。可见电气上是稳定的。图1-4电动机电气稳定性分析§2.3电力机车牵引特性要求对曲线2：则相反，电气上是不稳定的。综上，直流电动机电气稳定必要条件（1-13）在电压UD=常数的条件下，稳定条件是（1-14）结论：直流电机电气上是稳定的。B、交流电机：电气上是稳定的（分析从略）DDDDEDDdIRInCddIdU)(0)(DDDDEdIRInCd