第1章_电牵引原理

电力牵引与控制第1章电牵引原理1.1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动车的牵引特性、调速和制动原理、牵引运用的特点、动车牵引的运动规律、牵引计算及所有对牵引特性有影响的应用技术。1牵引力和制动力的形成牵引力是使列车产生前进运动的外力，其方向与运动方向相同；制动力是阻碍列车运动的外力，其方向与运动方向相反；阻力是列车运动中外界环境对车轮或车辆产生的阻碍其运动的力，其方向与运动方向相反；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；VMCRFiFifiC点为瞬时中心点C点相对静止——转动和平动；fi＝Fi’——C点相对静止；把产生相对静止点C的现象称为粘着（adhesion），而fi＝Fi’则是产生粘着的条件；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。粘着如果fi不能完全平衡Fi’，即Fi’fi，二者的差值Δf＝Fi’－fi将使轮对加速旋转，我们称这种粘着失去的现象为空转；在制动过程中，我们把粘着失去的现象称为滑行；现代对轮轨间相互作用传力机制的研究表明，粘着现象只反映轮对在钢轨上做滚动，作用力fi的产生是由于轮轨间的微量滑动所产生的，即所谓的蠕滑，因此将其称作为蠕滑力。2粘着系数为了描述由粘着产生牵引力的这个现象，我们定义了一个参量，粘着系数µ，用以表示在一定的轴重下，动轮对所能获得轮周牵引力的大小。即µ＝Fi/P，式中P是轮对的轴重，Fi为由粘着产生的牵引力或者说是由轮轨关系产生的蠕滑力。最大粘着系数umax瞬时粘着系数µ由于影响轮轨间关系的因素较多，因此粘着系数是一个多元变量的函数，尽管目前还不能用一个数学表达式来表示这个函数关系；μ＝（p,k,m,σ）其中：p表示轮对对钢轨的正压力即法向压力；k表示静摩擦系数；m表示轮轨间接触面的长轴与短轴的比值；σ表示轮轨材料弹性系数。滑动区粘着区轮轨接触面示意图影响粘着系数的设计因素：（1）轴重和轨径的影响（2）轮对和钢轨材值的影响（3）轮轨间的摩擦系数（4）机车走行部的动力学性能列车运行中主要影响粘着系数的被动因素环境因素主要指气候和钢轨表面污染的影响；运用因素驾驶人员的操作方法、速度、加速度、线路的特性等；粘着系数µ并不是轮轨间传力关系的表述，只是客观上轮轨间所能传递的牵引力大小的表征，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。3粘着与电牵引系统电牵引系统的根本目的是通过牵引电动机产生使列车前进的动力―牵引力，而牵引力的产生则取决于轮轨间的接触传力机制；电牵引系统与提高车辆的粘着系数umax无关，但与实际应用中的平均粘着系数up有关。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。粘着控制使动轮对在各种不同的条件下都能充分发挥其应用的牵引力，即充分利用粘着；能在工作点失去之后尽可能快地重新确定新的稳定运行工作点；严重空转的后果1.2．轮轨滚动接触理论轮轨滚动接触理论是研究列车运动时，轮轨相对运动状态和接触斑上作用力的关系，是轮轨关系研究的基础；从轮轨滚动接触理论我们可以了解轮轨之间是如何传力的；在一定的条件下轮轨之间能传递多大的力；轮轨之间粘着的产生及失去；轮轨之间滑动的界定、粘着与牵引力的关系等，为牵引控制系统的牵引力控制提供了理论依据和系统评价的衡量标准。1．轮轨接触理论的发展回顾轮轨接触式载运工具的摩擦传力（粘着）机制一直使用的是库仑定律和赫兹理论。在滚动接触研究中首次涉及蠕滑概念的是英国人卡特（CarterF.W.）应用弹性理论求解二维弹性体滚动接触问题，给出了接触斑中粘着区和滑动区的划分，指出车轮在钢轨上运动时，车轮不是作纯滚动，而是包含了微小的滑动Carter之后的20多年，Carter的理论没有充分地开拓20世纪50-60年代，物理界和铁路界研究开始结合剑桥大学的约翰逊（JohnsonK.L）教授是第一个将自旋概念引入滚动接触研究的学者；轮轨蠕滑理论研究方面做出最大贡献的是荷兰德尔夫特（Delft）理工大学的KalkerJ.J教授在粘着面内没有滑动；在滑动面积内有μZ的切向牵引力；在滑动面积内，牵引与滑动之间通常保持一个角度；1972年Kalker提出了简化理论，引入表面污染层的弹性参数，缩短了计算时间1979年Kalker针对机车车辆接触的特定条件发表了《Surveyofwheel-railcontacttheory》，把轮轨位移和牵引力之间的关系与运用于特定条件的基本构成关系联系起来DUVOROL计算程序，该计算程序能处理三维的滚动接触问题。目前世界各国公认Kalker的研究成果是蠕滑理论的权威之作，也是粘着控制的基本理论。2．蠕滑系统与轮轨相互作用力1．蠕滑现象轮对的圆周速度将必然比移动速度高这两种速度之差对名义速度之比，定义为蠕滑（假滑动）VP压缩应力抗拉应力抗拉应力压缩应力钢轨钢轨车轮车轮压缩力抗拉力2．轮轨接触面的传力现象VcVt2F2VcVt1F1VcVt3F3粘着3．蠕滑率与粘着系数轮对速度，机车运行速度粘着－蠕滑特性曲线%)(CCLVVVLVCV∆ABC∆极限粘着系数μ我们的结论：轮轨之间不是一种纯滚动，而是带有微量滑动的滚动。而正是这种微量滑动，才使得轮轨之间产生摩擦传力（产生牵引力）。在一定的轮轨条件下，轮轨间允许传递的力有一个最大值。如果驱动力超过这个最大值。就将使轮轨的微量滑动成为宏观上的滑动，从而从根本上取消了产生传力的基础。因此在任何时刻，各种运行条件下，维持轮轨间的微量滑动是保持机车牵引力的重要基础。1.3列车运动方程列车在运行中受到多种外力的影响。作用在列车上的总合力C是机车牵引力F、列车总阻力W和列车总制动力B的代数和，即C＝F－W－B∑Fi－∑Bi－∑Wj＝m×dv/dt＝m×a式中：F＝∑Fi表示各轮对牵引力之和；B＝∑Bi表示各轮对制动力之和W＝∑Wj表示各种阻力之和1列车运动的三种工况牵引工况F≠0，B＝0，W≠0，于是C＝F－W。若FW，列车可以加速运行，若FW，列车作减速运行；F＝W，列车保持原有速度恒速运行制动工况F＝0，B≠0，W≠0。于是C＝-B－W。在一般情况下W0，所以这时列车减速；惰行工况F＝0，B＝0时的工况称为惰行，即不对列车人为的施加作用力。这时C＝－W（1）列车靠惯性运行――惰行状态。F=0,B=0时，C=－W＝m*a，W0则a0，列车减速；W0则a0，列车加速；（2）列车施加制动力――制动状态。F＝0，B≠0时，C=－（W＋B）＝m*a，W＋B0，a0，减速；W＋B0，即W0且|W||B|，则a0，加速；W＋B＝0，则a＝0，衡速（3）列车施加牵引力――牵引状态；F≠0，B＝0，C=F－W＝m*aFW，a0，加速；FW，a0，减速；F＝W，a＝0，恒速;2列车运行阻力的分析列车运动的阻力可以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轴颈与轴承之间的摩擦产生的阻力轮轨间的滚动摩擦轨间的滑动摩擦冲击和振动造成的运行的阻力空气阻力由于影响基本阻力的因素极为复杂，在使用中通常按照由大量试验综合得出的经验公式进行计算；CRH2:ω=8.63+0.072v+0,00112v常规Davis的单位基本阻力公式：ω＝1.590+0.00921v+0.000262v上海地铁1号线的单位基本阻力公式：ω＝2.27+0.00156v222''vCvBAwo222附加阻力列车运行时，在某一条件下才产生的阻力。●坡道阻力；●曲线附加阻力：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●隧道空气附加阻力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；●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1.3电牵引特性机车运行中牵引力随机车速度变化的规律F＝f（v）称为机车牵引特性；牵引特性是计算列车牵引力和制动性能最重要的原始数据；用列车的牵引、制动功率确定牵引特性，用牵引特性计算列车的牵引、制动功率；牵引特性是列车最重要的特性；牵引特性曲线定义牵引工作区域的限制：最大电流限制――电动机的最大电流；粘着限制――最大可用粘着系数；最大功率限制――电动机的最大功率；构造速度限制――机车的最高速度最大电流限制粘着限制最大功率限制构造速度限制VF工作区域牵引特性曲线的稳定性分析牵引特性曲线的稳定性条件牵引特性曲线F＝f（v）的斜率小于阻力曲线W＝f（v）的斜率VFoABCF1=f1(v)F2=f2(v)W=f(v)dvdWdvdFk0南京地铁AW3MotoringCharacteristicforNanjingMetroat1500to1800VdcMotor:4LCA2138,WheelDiameter:805mm,GearRatio:6.94:1(±1%)010020030040001020304050607080Speed(km/h)TractiveEffort(kN)per6-cartrain00.511.52Acceleration(m/s/s)TractiveEffortTrainResistanceAccelerationCurveNo.2002111IssueA北京地铁DJ3机车1.4牵引计算牵引计算是针对轨道交通运输中的技术、经济问题而进行的科学计算；牵引计算主要计算列车在不同编组形式下的爬坡能力、起动性能等各种技术性能和能耗等；随着我国轨道交通建设事业的不断发展和轨道车辆国产化程度的不断提高，进行轨道车辆的牵引计算研究具有一定的必要性和紧迫性。牵引计算的研究内容作用在列车上的外力；研究列车运动和力的关系；研究与列车运动有关问题的解算：列车运行速度和时间的计算；动车能耗的计算；牵引重量的计算；列车制动的计算；牵引试验、制动试验等的有关理论问题；牵引计算的主要作用在运输管理方面，编制满足运输能力要求的列车运营图必须进行的牵引计算，牵引计算是编制列车运行图和运行时刻表的依据；合理的选定主变电所的容量和位置分布必须依靠大量的牵引计算。可以预算列车特性来为牵引电机和逆变器的选型提供参考；通过牵引计算来核算车辆的部分技术指标是否达到了线路的技术要求；为了合理地布置行车信号机的分布也要进行牵引计算；车辆运行曲线与电机特性控制方式牵引力F恒功恒力矩AB牵引加速区0速度VC惰性区制动力B恒功恒力矩距离S制动减速区DEFG自然特性恒速区速度V、牵引力FH自然特性