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1、Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit.模塊2 列車牽引與制動(dòng)基礎(chǔ)020103掌握城市軌道交通列車牽引力的分類。 掌握城市軌道交通列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的基本組成和分類。 掌握城市軌道交通列車牽引力的概念和產(chǎn)生機(jī)理。學(xué)習(xí)目標(biāo)05040607 掌握城市軌道交通列車牽引力傳遞的原理 掌握城市軌道交通列車運(yùn)行阻力的產(chǎn)生和計(jì)算方法 了解直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)和交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 掌握城市軌道交通列車制動(dòng)力產(chǎn)生的基本原理和制動(dòng)力的計(jì)算方法學(xué)習(xí)目標(biāo) 本模塊主要介紹城市軌道交通列車牽引和制動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)。牽引和制動(dòng)是城市軌道交通列車安全運(yùn)
2、行的基本保障與核心部分。列車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)不僅能為城市軌道交通列車提供運(yùn)行需要的牽引動(dòng)力,同時(shí)也是列車安全的重要保障之一,在城市軌道交通列車制動(dòng)時(shí)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)也可以轉(zhuǎn)換為制動(dòng)系統(tǒng)而為列車提供一定的制動(dòng)力。列車制動(dòng)系統(tǒng)與牽引傳動(dòng)系統(tǒng)之間有一定的關(guān)聯(lián),同時(shí)兩者也是相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。一名合格的城市軌道交通列車司機(jī),不僅要掌握列車牽引的基礎(chǔ)知識(shí),還要掌握列車制動(dòng)力和制動(dòng)距離計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí),從而提高列車駕駛的技能和處理故障的能力。2.1 列車牽引力和牽引傳動(dòng)系統(tǒng)2.1.1城市軌道交通列車牽引力 城市軌道交通列車一般依靠車輪和鋼軌之間的相互作用運(yùn)行,而車輪和鋼軌之間相互作用的理論是軌道交通牽引的基本理論。城
3、市軌道交通列車的牽引力、牽引特性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等都與此理論有密切的聯(lián)系。城市軌道交通是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng),科學(xué)地使用好城市軌道交通列車,充分發(fā)揮它的效能,掌握其運(yùn)行規(guī)律,是提高列車運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行速度,最終能安全正點(diǎn)地完成運(yùn)輸任務(wù)的必要條件之一。1【列車牽引力的概念】 圖2-1所示為城市軌道交通列車牽引力產(chǎn)生示意圖。城市軌道交通列車的牽引力是由動(dòng)車的動(dòng)力裝置引起的,通過輪軸之間的相互作用而產(chǎn)生的與列車運(yùn)行方向相同的力,司機(jī)可以控制和調(diào)節(jié)其大小。 分析圖2-1可知,城市軌道交通列車牽引傳動(dòng)裝置中的主動(dòng)齒輪軸通過聯(lián)軸節(jié)與電動(dòng)機(jī)軸固定在一起,從動(dòng)齒輪軸固定在車軸上,而主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪是相互嚙合的。城
4、市軌道交通列車中的牽引電動(dòng)機(jī)輸出的力矩Md經(jīng)聯(lián)軸節(jié)傳遞到主動(dòng)齒輪上,在輪軌間黏著作用下,按平衡原理,在黏著范圍內(nèi),兩者大小相等,方向相反。軸箱裝置的作用可使車輛產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)。牽引力產(chǎn)生的條件可歸納為:動(dòng)輪與鋼軌間具有黏著作用,動(dòng)輪上有動(dòng)力傳動(dòng)裝置傳遞旋轉(zhuǎn)力矩而使車輛前進(jìn)。1【列車牽引力的概念】2【牽引力的分類】 城市軌道交通列車的牽引力來自動(dòng)車,根據(jù)動(dòng)力傳遞過程,牽引力有輪周牽引力和車鉤牽引力之分。(1) 輪周牽引力。如圖2-1所示,使城市軌道交通列車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或加速度的外力是動(dòng)力矩M引起的鋼軌對(duì)動(dòng)輪的縱向反作用力,這個(gè)力稱為牽引力,也稱為輪周牽引力。(2) 車鉤牽引力。車鉤牽引力就是動(dòng)車通過車
5、鉤牽引拖車的縱向作用力,其等于輪周牽引力減去動(dòng)車運(yùn)行阻力后的值。即 Fg=FkWaMm(2-1)2【牽引力的分類】 式中,F(xiàn)k為輪周牽引力;W為動(dòng)車車身阻力;a為動(dòng)車加速度,當(dāng)a=0時(shí),F(xiàn)g=FkW;Mm為動(dòng)車質(zhì)量。 城市軌道交通列車勻速運(yùn)行時(shí),車鉤牽引力等于列車的總阻力。由于車鉤牽引力的作用點(diǎn)在動(dòng)車車鉤上,動(dòng)車運(yùn)行時(shí),為克服其自身阻力和各種附加力,不可避免地要消耗一部分輪周牽引力,所以車鉤牽引力永遠(yuǎn)小于輪周牽引力。 在一般的計(jì)算中通常以輪周牽引力為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),以輪周牽引力來衡量和表示動(dòng)車牽引力的大小。3【黏著對(duì)牽引力的限制】 調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩,改變切向力Fk的值以得到不同的輪周牽引力的前提條
6、件是不破壞黏著。也就是說,動(dòng)車所能實(shí)現(xiàn)的最大牽引力受黏著的限制,即在任何時(shí)候、任何速度下,動(dòng)車真正能夠?qū)崿F(xiàn)的牽引力不能超過輪軌間的黏著力。 由黏著條件決定的最大黏著力,即動(dòng)輪不空轉(zhuǎn)所能實(shí)現(xiàn)的最大牽引力,稱為黏著牽引力,用F表示。 F(Mmg)(2-2) 式中,為黏著系數(shù);Mm為全部動(dòng)輪的黏著質(zhì)量;g為重力加速度(取9.81 m/s2)。 當(dāng)各動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩歸算到輪緣的作用力之和超出式(2-2)的限制時(shí),黏著條件相對(duì)較差的動(dòng)輪就會(huì)產(chǎn)生空轉(zhuǎn),動(dòng)車的牽引力立即下降。動(dòng)車牽引力最大值在任何時(shí)候都不得超過動(dòng)輪與鋼軌間黏著力的最大值的總和,這一原理稱為黏著定律。4【動(dòng)輪空轉(zhuǎn)的產(chǎn)生和危害】 當(dāng)動(dòng)輪的牽引力大于
7、輪軌間的最大黏著力時(shí),輪軌接觸點(diǎn)的作用將不再平衡,車輪開始沿鋼軌向后滑動(dòng),在強(qiáng)大力矩作用下,車輪飛快轉(zhuǎn)動(dòng),而輪軌間的縱向水平作用力變成了滑動(dòng)摩擦力,其值比最大靜摩擦力小得多,因而列車運(yùn)行速度并不高,這種狀態(tài)稱為空轉(zhuǎn)??辙D(zhuǎn)的危害性是很大的:當(dāng)空轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí),輪對(duì)轉(zhuǎn)速迅速上升,如果任其發(fā)展,往往可能在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)超出車輛構(gòu)造速度,不僅使動(dòng)車牽引力下降,還會(huì)使鋼軌和車輪產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。若列車在起動(dòng)時(shí)發(fā)生空轉(zhuǎn),列車沒有起動(dòng),而司機(jī)又沒有及時(shí)采取措施減小驅(qū)動(dòng)力矩,輕則不能充分發(fā)揮動(dòng)車的牽引能力,造成列車晚點(diǎn);重則可能造成鋼軌和動(dòng)輪嚴(yán)重磨損的事故發(fā)生,從而降低列車的使用壽命。因此,必須對(duì)空轉(zhuǎn)加以防范。5【牽引特性
8、和牽引特性曲線】(1) 牽引特性。當(dāng)列車在某一特定的功率下運(yùn)行時(shí),隨著運(yùn)行速度的變化,其輪周牽引力也做相應(yīng)的變化,這種牽引力隨速度變化而變化的規(guī)律稱為列車牽引特性。(2) 牽引特性曲線。列車牽引力可以通過計(jì)算和實(shí)測(cè)得出,將列車輪周牽引力與速度的關(guān)系繪在一張圖上,即構(gòu)成牽引力的變化規(guī)律曲線。牽引特性曲線不僅可以用來查取各速度的牽引力,還可以用來判定和比較不同類型動(dòng)車的牽引性能。動(dòng)車的牽引特性曲線根據(jù)生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)不同,有的以單電動(dòng)機(jī)特性曲線方式給出,有的以牽引單元的特性曲線方式給出。 從城市軌道交通運(yùn)輸要求和特點(diǎn)來看,為了提高線路通過能力,列車應(yīng)能在保證行車安全的前提下以盡可能高的速度運(yùn)行 (不
9、超過最高運(yùn)行速度);而在起動(dòng)或低速時(shí),又能很快加速。因此,動(dòng)車在以其最低持續(xù)速度與最大速度之間的任何一種速度運(yùn)行時(shí),都要求它的功率是恒定不變或是接近恒定的,只有這樣,才能充分地發(fā)揮動(dòng)車牽引力。2.1.2 城市軌道交通列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 城市軌道交通列車的牽引力是由城市軌道交通列車的牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的,因此要掌握城市軌道交通列車牽引力的知識(shí),就必須先掌握列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)。目前城市軌道交通列車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)基本都是電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng),其基本的工作過程是:電能經(jīng)過列車牽引供電系統(tǒng)傳輸和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換,提供給列車的牽引電動(dòng)機(jī),電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,從而驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。 城市軌道交通列車牽引供電的電源是城市電網(wǎng)
10、,城市電網(wǎng)提供的電能經(jīng)過牽引變電所的降壓、整流變成DC 1 500 V(或DC 750 V),再通過饋電線傳遞給接觸網(wǎng),然后通過受流裝置,由鋼軌和回流線流回牽引變電所形成回流。2.1.2 城市軌道交通列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 城市軌道交通列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是牽引功率大、傳動(dòng)效率高、能源利用率高、綠色環(huán)保、產(chǎn)生的污染很少、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。 城市軌道交通列車的牽引電動(dòng)機(jī)為列車提供動(dòng)力,牽引電動(dòng)機(jī)按工作原理可分為直流電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)、交流同步牽引電動(dòng)機(jī)三種。由于交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比不需要換向器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,維護(hù)量少,重量小,并能獲得較大的單位重量功率,具有良好的牽引性能,同時(shí)
11、三相交流牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻、調(diào)壓特性如果設(shè)計(jì)合理,可以實(shí)現(xiàn)大范圍的平滑調(diào)速,還具有防空轉(zhuǎn)的性能,使黏著利用率提高;三相交流牽引電動(dòng)機(jī)對(duì)瞬時(shí)過電壓和過電流很不敏感,在啟動(dòng)時(shí)能在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的起動(dòng)力矩。因此,交流異步電動(dòng)機(jī)有取代直流電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)。1. 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的工況 城市軌道交通列車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)有兩個(gè)工況:牽引工況和制動(dòng)工況。(1) 在牽引工況下,列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)為列車提供牽引動(dòng)力,將供電接觸網(wǎng)上的電能轉(zhuǎn)換為列車在軌道上運(yùn)行的機(jī)械能。(2) 制動(dòng)工況可以分為再生制動(dòng)工況和電阻制動(dòng)工況。再生制動(dòng)就是將列車的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能反饋到接觸網(wǎng)再供給其他列車或車站設(shè)備使用,這種方式能最大限度地降低
12、電能的損耗。列車制動(dòng)過程中牽引傳動(dòng)系統(tǒng)反饋的電能超過了接觸網(wǎng)上的限值(達(dá)到DC 1 800 V)時(shí),列車電制動(dòng)產(chǎn)生的電能將會(huì)消耗在制動(dòng)電阻上,通過制動(dòng)電阻發(fā)熱而消耗到大氣中去,這種通過制動(dòng)電阻消耗電能的電制動(dòng)工況稱為電阻制動(dòng)工況。2 直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由接觸網(wǎng)側(cè)高壓電路和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路組成,主要包括受流器、斷路器、接觸器、直流牽引電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、輪對(duì)及接地回流裝置等,其中直流牽引電動(dòng)機(jī)是核心部件。 直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)按電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理不同可分為變阻調(diào)壓控制和斬波調(diào)壓控制兩種類型。變阻調(diào)壓控制通過調(diào)節(jié)串入電動(dòng)機(jī)回路的電阻,改變直流牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓來達(dá)到調(diào)速目的,有凸輪調(diào)阻和斬
13、波調(diào)阻之分。斬波調(diào)壓控制通過控制接在接觸網(wǎng)與牽引電動(dòng)機(jī)之間的斬波器的導(dǎo)通與關(guān)斷來改變牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓而實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的,斬波調(diào)壓控制裝置代替了起動(dòng)、制動(dòng)電阻,在起動(dòng)過程中減少了電能的消耗,在再生制動(dòng)的過程中能回收一部分電能,并且起動(dòng)、制動(dòng)過程是完全無級(jí)平滑調(diào)節(jié)的,提高了平穩(wěn)性。2 直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 圖2-2所示為直流牽引電動(dòng)機(jī)的模型,導(dǎo)體受力方向由左手定則確定,位于N極下的導(dǎo)體ab受力方向?yàn)閺挠蚁蜃螅挥赟極上的導(dǎo)體cd受力方向?yàn)閺淖笙蛴?。?dǎo)體所受電磁力對(duì)軸產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩,這種由于電磁作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時(shí),線圈按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),當(dāng)電樞轉(zhuǎn)
14、動(dòng)到第二個(gè)位置時(shí),原位于S極上的導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下,其受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?;而原位于N極下的導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極上,其受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?,該轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向,線圈在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。這樣雖然導(dǎo)體中流通的電流為交變的,但N極下的導(dǎo)體受力方向和S極上的導(dǎo)體受力方向并未發(fā)生變化,電動(dòng)機(jī)在此方向不變的轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。 實(shí)際直流牽引電動(dòng)機(jī)的電樞根據(jù)具體應(yīng)用情況需要有多個(gè)線圈。線圈分布于電樞表面的不同位置上,并按照一定的規(guī)定連起來,構(gòu)成直流牽引電動(dòng)機(jī)的電樞繞組。N極、S極也是根據(jù)需要,交替放置多對(duì)。2 直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 直流牽引電動(dòng)機(jī)分為靜止部分和可旋轉(zhuǎn)部分。靜止部分稱為定子,可旋轉(zhuǎn)
15、部分稱為轉(zhuǎn)子,在定子和轉(zhuǎn)子之間存在著氣隙。定子的作用是:在電磁方面是產(chǎn)生磁場(chǎng)和構(gòu)成磁路,在機(jī)械方面是作為整個(gè)電動(dòng)機(jī)的支撐。定子由磁極、機(jī)座、換向極、電刷裝置、端蓋和軸承等組成。轉(zhuǎn)子又稱電樞,是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分,是用來產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分,它包括電樞鐵芯、換向器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸、電樞繞組、軸承和風(fēng)扇等。2 直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 直流牽引電動(dòng)機(jī)具有良好的牽引和制動(dòng)性能,調(diào)速方便;但防空轉(zhuǎn)性能較差,等功率下電動(dòng)機(jī)的體積和重量較大,換向困難,電位條件差,易產(chǎn)生環(huán)火,維護(hù)復(fù)雜,特別是在高電壓、大功率時(shí),電位條件更差。3. 交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是在保持
16、電源頻率恒定的條件下通過改變定子電壓的大小實(shí)現(xiàn)的。目前我國(guó)的城市軌道交通列車多采用閉環(huán)控制系統(tǒng),基本采用轉(zhuǎn)差電流控制,如上海地鐵2號(hào)線列車;也有采用矢量控制,如西安地鐵2號(hào)線DKZ27型列車、廣州地鐵1號(hào)線和北京地鐵1號(hào)線SMF04型列車等;還有采用直接轉(zhuǎn)矩控制,如深圳地鐵1號(hào)線列車。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟,交流牽引傳動(dòng)技術(shù)越來越受到重視,交流牽引電動(dòng)機(jī)有全面取代直流牽引電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì);大功率晶閘管技術(shù)的成熟與發(fā)展,特別是近年來全控電力電子器件的迅速發(fā)展,使得可調(diào)壓調(diào)頻的逆變裝置被普遍應(yīng)用,成功解決了交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題。交流牽引電動(dòng)機(jī)有同步和異步之分,目前城市軌道交通列車普遍采用的是交
17、流異步牽引電動(dòng)機(jī),因?yàn)榻涣魍綘恳妱?dòng)機(jī)需要集電環(huán)和電刷或者在轉(zhuǎn)子上安裝旋轉(zhuǎn)整流器,不能滿足頻繁起動(dòng)和停止的工作需要,也不能在輪徑不同或牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有差別時(shí),由一臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作。交流異步牽引電動(dòng)機(jī)在空間利用和重量上都優(yōu)于交流同步牽引電動(dòng)機(jī),因此被廣泛應(yīng)用。交流異步牽引電動(dòng)機(jī)采用VVVF控制,即直流電通過逆變器變?yōu)槿嘟涣麟姡秒妷汉皖l率的變化來控制異步牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化,獲得最佳的調(diào)速性能,并實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。3. 交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 城市軌道交通列車使用的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(見圖2-3),它主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,定子上加載三相交流電壓時(shí),間隙磁通量就
18、會(huì)發(fā)生變化,從而使轉(zhuǎn)子受到感應(yīng),產(chǎn)生扭矩。4. 直線電動(dòng)機(jī)牽引系統(tǒng) 直線電動(dòng)機(jī)可認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,即將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿軸向切開,按水平方向展開,從而使旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子演變?yōu)槌跫?jí),轉(zhuǎn)子演變?yōu)榇渭?jí),以直線運(yùn)動(dòng)取代旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于直線電動(dòng)機(jī)無旋轉(zhuǎn)部件,因此可大大降低城市軌道交通列車的高度,縮小隧道直徑,降低工程成本。此外,直線電動(dòng)機(jī)環(huán)保性能好,車輛運(yùn)行噪聲小。直線電動(dòng)機(jī)在城市軌道交通中應(yīng)用時(shí),初級(jí)既可設(shè)在車上,也可設(shè)在地面,分別稱為車載初級(jí)式和地面初級(jí)式。目前,城市軌道交通列車多采用車載初級(jí)式異步的方式,初級(jí)安裝在動(dòng)車的轉(zhuǎn)向架上,從受電軌受電,電源的變換和控制設(shè)備安裝在車上;次級(jí)沿線路敷在兩根
19、走行鋼軌之間的導(dǎo)體板上,建設(shè)費(fèi)用低。廣州地鐵4號(hào)線和北京地鐵機(jī)場(chǎng)線的列車均采用直線電動(dòng)機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng),采用一臺(tái)VVVF逆變器向兩臺(tái)三相八極的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)供電,采用IGBT器件和脈沖調(diào)制技術(shù)的牽引逆變器,實(shí)現(xiàn)牽引、再生制動(dòng)控制。2.2 列車運(yùn)行阻力2.2.1 列車運(yùn)行阻力的定義和分類城市軌道交通列車的運(yùn)行過程,就是牽引力不斷克服運(yùn)行阻力的過程1. 列車運(yùn)行阻力的定義 列車運(yùn)行中產(chǎn)生的一種與其運(yùn)行方向相反、阻止其運(yùn)行并且大小不能由司機(jī)控制的外力稱為列車運(yùn)行阻力。2. 列車運(yùn)行阻力的分類(1) 按阻力作用部位分類。按阻力作用部位分類,列車運(yùn)行阻力可分為動(dòng)車阻力和車輛(拖車)阻力。動(dòng)車阻力。由于動(dòng)車
20、惰行工況下存在牽引齒輪及電樞軸的機(jī)械阻力,所以惰行工況下的動(dòng)車阻力大于車輛(拖車)阻力。車輛(拖車)阻力。車輛(拖車)阻力是指車身移動(dòng)阻力。2. 列車運(yùn)行阻力的分類(2) 按阻力形成的原因分類。按阻力形成的原因分類,列車運(yùn)行阻力可分為基本阻力和附加阻力。基本阻力。基本阻力是列車在任何運(yùn)行情況下都存在的阻力。由于列車在空曠、平直道上運(yùn)行時(shí)一般只有基本阻力,基本阻力即為空曠、平直線路上的阻力。附加阻力。附加阻力是列車在個(gè)別情況下運(yùn)行時(shí)才遇到的阻力。列車在坡道上運(yùn)行時(shí)有坡道附加阻力,在曲線上運(yùn)行時(shí)有曲線附加阻力,在隧道中運(yùn)行時(shí)有隧道附加阻力。 綜上所述,列車在平直道上運(yùn)行時(shí),軸頸與軸承間的摩擦、車輪
21、與鋼軌間的作用及周圍空氣影響等引起的始終存在的阻力,稱為基本阻力。除基本阻力外產(chǎn)生的額外阻力,如坡道阻力、曲線阻力、隧道阻力、起動(dòng)阻力、大風(fēng)阻力、低溫阻力等,稱為附加阻力。2.2.2 列車運(yùn)行阻力分析與計(jì)算1. 基本阻力計(jì)算 城市軌道交通列車運(yùn)行時(shí)的基本阻力是在城市軌道交通列車運(yùn)行時(shí)始終存在的阻力;并且絕大多數(shù)的城市軌道交通列車運(yùn)行阻力與列車的重量成正比,在實(shí)際中經(jīng)常用單位車重的阻力來計(jì)算,稱為單位阻力;相應(yīng)的,基本阻力與車重之比稱為單位基本阻力,用0表示,單位為N/t。 由于影響基本阻力的因素較為復(fù)雜,在實(shí)際運(yùn)用中很難用理論公式來計(jì)算,通常按照大量試驗(yàn)綜合得出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。1. 基本阻
22、力計(jì)算 下面是我國(guó)軌道交通科研部門經(jīng)過大量的測(cè)試和試驗(yàn)給出的國(guó)內(nèi)外部分軌道交通車輛的單位基本阻力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。21、22型客車(vmax=120 km/h)單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=16.28+0.073 6v+0.001 521v2(2-3)式中,v為速度。25B、25G型客車(vmax=140 km/h)單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=17.85+0.098 1v+0.001 422v2(2-4)準(zhǔn)高速單層客車(vmax=160 km/h)單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=15.79+0.039 2v+0.001 853v2(2-5)準(zhǔn)高速雙層客車(vmax=160 km/h)單位基本阻力
23、的計(jì)算公式為:0=12.16+0.034 3v+0.001 540v2(2-6)日本新干線O系電動(dòng)車組單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=11.77+0.152 1v+0.001 436v2(2-7)日本新干線100系電動(dòng)車組單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=12.50+0.016 0v+0.001 449v2(2-8)日本新干線200系電動(dòng)車組單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=11.54+0.151 1v+0.000 883v2(2-9)法國(guó)TGV電動(dòng)車組(2輛動(dòng)車、8輛拖車)單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=7.132+0.078 5v+0.001 450v2(2-10)德國(guó)ICE電動(dòng)車組(2輛動(dòng)車、14輛
24、拖車)單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=11.381+0.052 0v+0.001 177v2(2-11)意大利ETR500電動(dòng)車組單位基本阻力的計(jì)算公式為:0=5.984+0.100 1v+0.001 109v2(2-12)1. 基本阻力計(jì)算2. 附加阻力計(jì)算 附加阻力只在一些特殊情況下存在,當(dāng)然如果整條線路均在地下,隧道阻力也可按基本阻力進(jìn)行計(jì)算。在此,我們著重對(duì)坡道阻力和曲線阻力的計(jì)算問題進(jìn)行討論。在附加阻力的計(jì)算中,附加阻力與車重之比稱為單位附加阻力。習(xí)慣上用i表示單位坡道阻力,用r表示單位曲線阻力,它們的單位均為N/t。(1) 坡道阻力分析與計(jì)算。坡道阻力實(shí)際上就是城市軌道交通列車在坡道
25、上運(yùn)行時(shí)沿坡道方向的力(Wi),如圖2-4所示。當(dāng)列車上坡時(shí),坡道阻力與列車運(yùn)行方向相反,阻力是正值;反之,坡道阻力是負(fù)值。顯然坡道阻力的大小與坡道的陡峭程度有關(guān)。標(biāo)示坡道陡峭程度的參數(shù)是坡度,用字母i表示。它是指坡道終點(diǎn)對(duì)起點(diǎn)的高度差與兩點(diǎn)之間的距離之比,其值以千分?jǐn)?shù)計(jì),即 i=BCAB1 000(2-13)2. 附加阻力計(jì)算式中,BC為標(biāo)高差;AB為坡道長(zhǎng)度。圖2-4坡道阻力示意2. 附加阻力計(jì)算若是上坡道,則標(biāo)高差為正值;若是下坡道,則標(biāo)高差為負(fù)值,坡度同樣為負(fù)值。由圖2-4可得:式中,m為電動(dòng)車組質(zhì)量。單位坡道阻力為:即列車的單位坡道阻力在數(shù)值上等于該坡道的坡度與重力加速度的乘積。(2
26、) 曲線阻力分析與計(jì)算。列車進(jìn)入曲線運(yùn)行時(shí),車輪輪緣壓向外軌頭產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力,車輪在軌面產(chǎn)生橫向滑動(dòng),以及車輛心盤和旁承因轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦力等。這些增加的摩擦損失造成的阻力稱為曲線阻力。曲線阻力與曲線半徑、列車運(yùn)行速度、曲線的外軌超高等許多因素有關(guān),難以用理論方法推導(dǎo),一般按大量試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算。2. 附加阻力計(jì)算單位曲線阻力是曲線半徑的函數(shù),其公式為:式中,A為用試驗(yàn)方法確定的常數(shù),其值各國(guó)有差異,為450800,我國(guó)采用700;R為曲線半徑。(3) 加算坡道單位阻力分析與計(jì)算。當(dāng)坡道與曲線同時(shí)出現(xiàn)時(shí),列車在該區(qū)段的單位附加阻力為單位坡道阻力和單位曲線阻力之和。為方便起見,常將
27、單位曲線阻力看成相當(dāng)?shù)膯挝黄碌雷枇?,并與實(shí)際的單位坡道阻力相加,稱為加算坡道單位阻力,即2. 附加阻力計(jì)算式中,ik為加算坡道的坡度()。(4) 列車運(yùn)行阻力計(jì)算。有了單位阻力和加算坡道單位阻力,可按式(2-19)計(jì)算列車運(yùn)行阻力,即2. 附加阻力計(jì)算式中,W0為基本阻力;Wj為電動(dòng)車組加算阻力;m為電動(dòng)車組質(zhì)量。列車單位運(yùn)行阻力的計(jì)算公式為:2.2.3 減小列車運(yùn)行阻力的措施 針對(duì)城市軌道交通列車運(yùn)行阻力的產(chǎn)生原因,采取有效措施,盡可能地減小運(yùn)行阻力,相應(yīng)地提高運(yùn)行速度、乘客裝載量及其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),具有十分重要的意義??刹扇∪缦麓胧p小列車運(yùn)行阻力:(1) 按季節(jié)變化選用適當(dāng)牌號(hào)的潤(rùn)滑油,
28、以保證軸承潤(rùn)滑良好。(2) 維護(hù)好車輛轉(zhuǎn)向架,保證正常的技術(shù)狀態(tài)。(3) 提高載客率,增加車輛重量,減少單位基本阻力。(4) 保證所有制動(dòng)裝置處于良好的技術(shù)狀態(tài),避免出現(xiàn)自然制動(dòng)和緩解不良現(xiàn)象。(5) 采用動(dòng)力制動(dòng),以減小制動(dòng)損失。(6) 車輛滾動(dòng)軸承化,列車外形流線化Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit.LOREM IPSUM 2.3 列車制動(dòng)力2.3.1列車制動(dòng)力基礎(chǔ)知識(shí)1【 制動(dòng)系統(tǒng)在城市軌道交通列車運(yùn)行中的重要意義】 人為地使運(yùn)動(dòng)物體減速或阻止其加速叫作制動(dòng),對(duì)于城市軌道交通列車來說,為了使運(yùn)行著的列車能迅速地
29、減速或停車,必須對(duì)它施行制動(dòng);為了防止列車在下坡道上運(yùn)行時(shí)由于重力作用導(dǎo)致速度增加,也需要對(duì)它施行制動(dòng);同時(shí)為避免停放的車輛因重力作用或風(fēng)力吹動(dòng)而溜走,也要對(duì)它施行制動(dòng)(稱為停放制動(dòng))。因此,制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)保證列車安全和正點(diǎn)運(yùn)行具有極其重要的意義。2.3.1列車制動(dòng)力基礎(chǔ)知識(shí)2【列車制動(dòng)力的定義】 列車制動(dòng)力是由制動(dòng)裝置產(chǎn)生的與列車的運(yùn)行方向相反、阻礙列車運(yùn)動(dòng)并且司機(jī)可以根據(jù)需要或由自動(dòng)駕駛裝置控制和調(diào)節(jié)的外力。制動(dòng)力和列車運(yùn)行阻力雖然都阻止列車的運(yùn)動(dòng),但是制動(dòng)力是人為的和可控的。所以,在列車制動(dòng)減速過程中,盡管運(yùn)行阻力也在起作用,但起主要作用的是列車制動(dòng)力。2.3.1列車制動(dòng)力基礎(chǔ)知識(shí)3【 制動(dòng)
30、功率與制動(dòng)能力】 從能量的觀點(diǎn)看,制動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是將列車所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)移出去,制動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移動(dòng)能的能力稱為制動(dòng)功率。在一定的制動(dòng)距離條件下,列車的制動(dòng)功率是其速度的三次函數(shù)。列車的最高運(yùn)行速度雖然與其牽引功率有關(guān),但也受其制動(dòng)能力的限制。列車的制動(dòng)能力是指制動(dòng)系統(tǒng)能使其在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)安全停車的能力。按照城市軌道交通列車的運(yùn)行規(guī)程,列車在非常情況下的制動(dòng)距離(緊急制動(dòng)距離)不得超過某一規(guī)定值。例如,地鐵規(guī)定的緊急制動(dòng)距離一般為180 m。這個(gè)距離要比啟動(dòng)加速距離短得多,因此列車的制動(dòng)功率要比驅(qū)動(dòng)功率大510倍。2.3.1列車制動(dòng)力基礎(chǔ)知識(shí)4【 制動(dòng)的類型】 根據(jù)不同的分類方式,制動(dòng)可分為黏著制動(dòng)
31、和非黏著制動(dòng)、摩擦制動(dòng)和非摩擦制動(dòng)。踏面(閘瓦)制動(dòng)、盤形制動(dòng)、電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)和液力制動(dòng)都需要通過輪軌黏著來產(chǎn)生制動(dòng)力,故習(xí)慣上把它們歸為一類,稱為黏著制動(dòng)。 軌道電磁制動(dòng)(包括摩擦式和渦流式)和翼板制動(dòng)都不需要通過輪軌黏著來產(chǎn)生制動(dòng)力,故習(xí)慣上把它們歸為一類,稱為非黏著制動(dòng)。 在各種制動(dòng)中,踏面(閘瓦)制動(dòng)、盤形制動(dòng)、軌道電磁制動(dòng)等都通過摩擦來產(chǎn)生制動(dòng)力,所以有時(shí)也把它們統(tǒng)稱為摩擦制動(dòng);把其他不通過摩擦來產(chǎn)生制動(dòng)力的統(tǒng)稱為非摩擦制動(dòng),如軌道渦流制動(dòng)。2.3.1 列車制動(dòng)力基礎(chǔ)知識(shí)5【 制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備的條件 】 城市軌道交通的站距較短,因此列車的調(diào)速及停車都比較頻繁。為了提高運(yùn)行速度,尤其
32、是對(duì)高架有軌交通列車和地鐵列車,必須使其起動(dòng)快,制動(dòng)距離短。同時(shí),城市軌道交通列車的乘客上下波動(dòng)較大,對(duì)列車載重有較大的影響。針對(duì)這些特點(diǎn),城市軌道交通列車的制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備以下條件:(1) 操縱靈活,制動(dòng)減速快,作用靈敏可靠,列車前后車輛制動(dòng)、緩解作用一致。(2) 具有足夠的制動(dòng)能力時(shí),其制動(dòng)力不會(huì)衰減。保證列車能在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車、在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行。(3) 具有動(dòng)力制動(dòng)與摩擦制動(dòng)的聯(lián)合制動(dòng)能力。在正常制動(dòng)過程中,優(yōu)先使用動(dòng)力制動(dòng),以減少對(duì)城市環(huán)境的污染和降低運(yùn)行成本。(4) 具有荷載校正能力,能根據(jù)乘客荷載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)力,使車輛制動(dòng)率保持恒定,以保證乘客乘坐的舒適性。(5) 具有
33、緊急制動(dòng)性能,遇有緊急情況時(shí),能使列車在規(guī)定距離內(nèi)安全停車。緊急制動(dòng)除可由司機(jī)操縱外,必要時(shí)還可由行車有關(guān)人員利用緊急按鈕(緊急閥)進(jìn)行操縱。此外,列車在運(yùn)行中發(fā)生列車分離、制動(dòng)系統(tǒng)故障等危急行車安全的事故時(shí),應(yīng)能自動(dòng)產(chǎn)生緊急制動(dòng)作用。2.3.2 列車制動(dòng)力形成的機(jī)理分析 目前,城市軌道交通中除了橡膠車輪列車和磁懸浮列車等特殊交通系統(tǒng)外,絕大部分列車采用的是鋼軌鋼輪的走行方式。因此,首先要來研究鋼軌與鋼輪之間的相互關(guān)系,以及它們?cè)谶\(yùn)行中的各種工況。 輪對(duì)由一根車軸與兩個(gè)車輪組成,其在鋼軌上運(yùn)行時(shí),一般承受垂直荷載、縱向荷載和橫向荷載。垂直荷載來自車輛對(duì)輪對(duì)的正壓力,縱向荷載主要來自牽引及制動(dòng),
34、橫向荷載來自車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)。牽引時(shí),牽引電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將牽引動(dòng)力傳遞給動(dòng)車的動(dòng)力輪對(duì)(動(dòng)輪對(duì)),通過車輪和鋼軌的相互作用產(chǎn)生使車輛運(yùn)動(dòng)的反作用力。根據(jù)物理學(xué)中有關(guān)機(jī)械摩擦的理論,輪軌間的切向作用力就是靜摩擦力。而最大靜摩擦力就是鋼軌對(duì)車輪的反作用力的法向分力與靜摩擦系數(shù)的乘積。穩(wěn)態(tài)前進(jìn)的非動(dòng)力輪對(duì)的車輪在不制動(dòng)時(shí),其縱向切向力平衡軸承阻力和蛇行時(shí)的慣性力。因此,無論是動(dòng)輪對(duì)還是從動(dòng)輪對(duì)都存在著縱向切向力,它導(dǎo)致了輪軌之間的縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但實(shí)際上,事情并非那么簡(jiǎn)單,動(dòng)輪與鋼軌間切向作用力的最大值與物理學(xué)上的最大靜摩擦力相比要小一些,情況也更復(fù)雜一些。在分析軌道車輛的輪軌關(guān)系時(shí),通常必須引入兩
35、個(gè)十分重要的概念,即黏著和蠕滑。1. 黏著 圖2-5所示為某城市軌道交通列車的動(dòng)車以速度v在直線線路上運(yùn)行時(shí),它的一個(gè)動(dòng)輪對(duì)的受力情況(圖中忽略了其內(nèi)部的各種摩擦阻力,為了更清楚地表示該圖中的各種關(guān)系,我們把實(shí)際上相互接觸的車輪與鋼軌稍稍分開畫出)。1. 黏著 在圖2-5中,Pi為作用在鋼軌上的正壓力,又稱為輪對(duì)的軸重;Mi為牽引電動(dòng)機(jī)作用在動(dòng)輪對(duì)上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,可以用一對(duì)力(Fi和Fi)形成的力偶代替。力Fi和Fi分別作用在輪軸中心的O點(diǎn)和輪軌接觸處的O點(diǎn),其大小為:式中,Ri為動(dòng)輪半徑。在正壓力Pi的作用下,車輪與鋼軌的接觸部分緊緊壓在一起。1. 黏著 Fi使車輪上的O點(diǎn)具有向左運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),
36、并通過O點(diǎn)作用在鋼軌上。fi 表示車輪作用在鋼軌上的力,fi =Fi 。由于輪軌接觸處存在著摩擦力,車輪上O點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)將引起向右的靜摩擦力fi,即鋼軌對(duì)車輪的反作用力,fi =fi 。因此,車輪上的O點(diǎn)受到兩個(gè)相反方向的力Fi和fi的作用,而且fi=Fi。所以,O點(diǎn)保持相對(duì)靜止,輪軌之間沒有相對(duì)滑動(dòng),在力Fi 的作用下,輪對(duì)做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。 由于正壓力而保持車輪與鋼軌接觸處相對(duì)靜止的現(xiàn)象稱為黏著,黏著狀態(tài)下的靜摩擦力fi稱為黏著力。1. 黏著 輪軌間的黏著與靜力學(xué)中靜摩擦的物理性質(zhì)十分相似。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mi產(chǎn)生的切向力Fi增大時(shí),黏著力fi也隨之增大,并保持與Fi相等。當(dāng)切向力Fi增大到某個(gè)數(shù)
37、值時(shí),黏著力fi達(dá)到最大值。此后,切向力Fi如果再增大,fi反而迅速減小。試驗(yàn)證明,黏著力fi的最大值fmax與動(dòng)輪對(duì)的正壓力Pi成正比,其比例常數(shù)稱為黏著系數(shù),用表示,即 式(2-22)表明,在軸重一定的條件下,輪軌間的最大黏著力由輪軌間系數(shù)的大小決定。當(dāng)輪軌間出現(xiàn)最大黏著力時(shí),若繼續(xù)加大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,一旦切向力Fi大于最大黏著力,車輪上的O點(diǎn)將向左移動(dòng),輪軌間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng),黏著狀態(tài)被破壞。這時(shí),車輪與鋼軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由純滾動(dòng)變?yōu)榧扔袧L動(dòng)也有滑動(dòng)。此時(shí),鋼軌對(duì)車輪的反作用力由靜摩擦力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力,其值迅速減小,并使車輪的轉(zhuǎn)速上升,造成空轉(zhuǎn)。當(dāng)車輪出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí),輪軌間只能依靠滑動(dòng)摩擦力傳遞切向力,因
38、而傳遞切向力的能力大大減小,并且會(huì)造成車輪踏面和軌面的擦傷。因此,牽引運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡量防止出現(xiàn)車輪的空轉(zhuǎn)。1. 黏著 黏著系數(shù)是由輪軌間的物理狀態(tài)確定的。加大每個(gè)輪對(duì)作用在鋼軌上的壓力,即增加軸重,可以提高每個(gè)動(dòng)輪對(duì)的黏著力和牽引力。但是,軸重也受到鋼軌、路基和橋梁等各種條件的限制,不可能無限制的增加。城市軌道交通列車由于采用動(dòng)車組形式,動(dòng)輪對(duì)數(shù)量比一般鐵路列車多,動(dòng)力和黏著力比較分散,牽引力總量又很容易達(dá)到,與鐵路列車的動(dòng)輪對(duì)和牽引力都集中在機(jī)車頭的情況相比,城市軌道交通列車?yán)灭ぶ鴹l件就相對(duì)好得多,因而對(duì)保護(hù)輪軌間的正常作用是很有利的。2. 蠕 滑 傳統(tǒng)理論認(rèn)為,車輪相對(duì)鋼軌滾動(dòng)時(shí),接觸面處于一
39、種干摩擦的黏著狀態(tài),除非制動(dòng)力或牽引力大于黏著力時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)入滑動(dòng)摩擦狀態(tài)。但是現(xiàn)代研究表明,由于車輪和鋼軌都是彈性體,滾動(dòng)時(shí)輪軌接觸處會(huì)產(chǎn)生彈性變形,這種新的彈性變形會(huì)使接觸面發(fā)生微量滑動(dòng),稱為蠕滑。對(duì)蠕滑進(jìn)行研究和分析可以進(jìn)一步深化對(duì)黏著的認(rèn)識(shí)。 在車輪上正壓力的作用下,輪軌接觸處產(chǎn)生彈性變形,形成橢圓形的接觸面。從微觀上仔細(xì)觀察,兩個(gè)接觸面是粗糙不平的。由于切向力的作用,車輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí),車輪和鋼軌的粗糙接觸面間產(chǎn)生新的彈性變形,接觸面間出現(xiàn)微量滑動(dòng),即蠕滑。2. 蠕 滑 蠕滑的產(chǎn)生主要是由于在車輪接觸面的前部產(chǎn)生壓縮,后部產(chǎn)生拉伸;而在鋼軌接觸面的前部產(chǎn)生拉伸,后部產(chǎn)生壓縮。隨著車輪的滾
40、動(dòng),車輪上原來被壓縮的金屬陸續(xù)放松,并被拉伸;而鋼軌上原來被拉伸的金屬陸續(xù)被壓縮,因而在接觸面的后部出現(xiàn)滑動(dòng)。 如圖2-6所示,切向力在接觸面上形成兩個(gè)性質(zhì)不同的狀態(tài)和區(qū)域:接觸面的前部,輪軌間沒有相對(duì)滑動(dòng),稱為滾動(dòng)區(qū),用陰影線表示;接觸面的后部,輪軌間有相對(duì)滑動(dòng),稱為滑動(dòng)區(qū)。這兩個(gè)區(qū)域的大小隨切向力的變化而變化。當(dāng)切向力增大時(shí),滑動(dòng)區(qū)面積增大,滾動(dòng)區(qū)面積減??;當(dāng)切向力超過某一極限值時(shí),滾動(dòng)區(qū)面積為零,只剩下滑動(dòng)區(qū),整個(gè)接觸面間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng),輪軌間的黏著被破壞,車輪在鋼軌上開始明顯打滑,即出現(xiàn)空轉(zhuǎn)。 蠕滑是滾動(dòng)體的正?;瑒?dòng)。車輪在滾動(dòng)過程中必然會(huì)產(chǎn)生蠕滑現(xiàn)象。伴隨著蠕滑產(chǎn)生靜摩擦力,輪軌之間才
41、能傳遞切向力。由于蠕滑的存在,牽引時(shí)車輪的滾動(dòng)圓周速度將比其輪心前進(jìn)速度大。這兩種速度之間的差值稱為蠕滑速度,并以一個(gè)無量綱比值蠕滑率來表示蠕滑的大小,即2. 蠕 滑式中,為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;Ri為車輪的半徑;v為車輪輪心前進(jìn)速度。 輪軌間由于摩擦產(chǎn)生的切向力反過來作用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),隨著切向力的增大,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈性應(yīng)力也增大。當(dāng)切向力達(dá)到極限時(shí),由于蠕滑的積累波及整個(gè)接觸面,發(fā)展成為真滑動(dòng);積累的能量使車輪本身加速,這時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的彈性應(yīng)力被解除。由于車輪的慣性和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈性,在輪軌間出現(xiàn)滑動(dòng)黏著再滑動(dòng)再黏著的反復(fù)振蕩過程,一直持續(xù)到重新在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中建立起穩(wěn)定的彈性應(yīng)力為止。3. 制動(dòng)力的形
42、成 與牽引運(yùn)行類似,制動(dòng)力的形成也是通過輪軌間的黏著產(chǎn)生的。為了降低列車運(yùn)行速度或者為了停車,必須用外力將列車動(dòng)能移走。這個(gè)移走列車動(dòng)能的過程稱為制動(dòng)。一般城市軌道交通列車的制動(dòng)方式有三類,即摩擦制動(dòng)(包括閘瓦制動(dòng)和盤式制動(dòng))、動(dòng)力制動(dòng)(包括再生制動(dòng)和電阻制動(dòng))和電磁制動(dòng)(包括磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng))。其中,摩擦制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)都是通過輪軌黏著產(chǎn)生制動(dòng)力的。下面以閘瓦制動(dòng)為例,說明通過輪軌黏著產(chǎn)生制動(dòng)力的過程。 圖2-7所示為一個(gè)輪對(duì)利用閘瓦制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力的示意圖3. 制動(dòng)力的形成 假設(shè)一個(gè)輪對(duì)上有兩塊閘瓦,在忽略其他各種摩擦阻力的情況下,輪對(duì)在平直道上滾動(dòng)惰行。若每塊閘瓦以壓力壓向車輪踏面,閘瓦和
43、踏面間引起與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的滑動(dòng)摩擦力2Kk(k為車輪踏面與閘瓦間的滑動(dòng)摩擦系數(shù))。對(duì)于列車來說,該摩擦力是內(nèi)力,不能使列車減速,可是它通過輪軌間的黏著引起與列車運(yùn)動(dòng)方向相反的外力,以此來實(shí)現(xiàn)列車的減速或停車。 滑動(dòng)摩擦力2Kk對(duì)車輪的作用效果相當(dāng)于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mb,即3. 制動(dòng)力的形成 用類似牽引力形成的分析方法,轉(zhuǎn)矩Mb可以用軸心和輪軌接觸處的力偶(Bi,Bi)代替。力偶的力臂為車輪半徑Ri,作用力Bi=Bi=MbRi=2Kk。輪軌接觸處因輪對(duì)的正壓力Pi而存在黏著,切向力Bi將引起鋼軌對(duì)車輪的靜摩擦反作用力B,B=Bi=2Kk。B作用在車輪踏面的O點(diǎn)處,作用方向與列車運(yùn)行方向相反,是阻止列
44、車運(yùn)行的外力,稱為制動(dòng)力。制動(dòng)力B也是輪軌間的黏著力,因而也受到黏著條件的限制,即式中,Pi為動(dòng)車或拖車輪對(duì)的軸重;i為制動(dòng)時(shí)輪對(duì)間的黏著系數(shù)。整個(gè)列車的總閘瓦制動(dòng)力為所有輪對(duì)閘瓦制動(dòng)力之和。3. 制動(dòng)力的形成 制動(dòng)力的大小可以采用增加或減小閘瓦的壓力來調(diào)節(jié),但不得大于黏著條件所允許的最大值。否則,車輪被閘瓦“抱死”,車輪與鋼軌間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),車輪的制動(dòng)力變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力,數(shù)值立即減小,產(chǎn)生滑行?;惺桥c牽引時(shí)的空轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的一種黏著狀態(tài)被破壞的現(xiàn)象。滑行時(shí),制動(dòng)力大大下降,制動(dòng)距離增加,還會(huì)造成車輪踏面與鋼軌的擦傷,因此必須盡量避免。 動(dòng)力制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力的過程與摩擦制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)力的過程基本類似,
45、只是動(dòng)力制動(dòng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是由電動(dòng)機(jī)(這時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài))產(chǎn)生的,而不是由閘瓦產(chǎn)生的。但它們都是通過輪軌黏著產(chǎn)生的。因此,牽引力、摩擦制動(dòng)力和動(dòng)力制動(dòng)力都是黏著力,它們與黏著關(guān)系密切。充分利用好黏著條件,不僅是牽引必須注意的,對(duì)于制動(dòng)來說也是同樣重要的?;泻涂辙D(zhuǎn)都是必須避免的。3. 制動(dòng)力的形成 唯一不受黏著條件限制的制動(dòng)是電磁制動(dòng)。電磁制動(dòng)有兩種形式,即磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng)。磁軌制動(dòng)是將帶有磨耗板的電磁鐵落在鋼軌上,接通勵(lì)磁電流,使電磁鐵緊緊吸附在鋼軌上,并通過磨耗板與軌面產(chǎn)生制動(dòng)力。渦流制動(dòng)的電磁鐵沒有磨耗板,它將電磁鐵落在距軌面710 mm處,電磁鐵與鋼軌間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起電渦流作用形成
46、制動(dòng)力。磁軌制動(dòng)在歐洲的輕軌車輛或有軌電車上經(jīng)常能看見,主要用于緊急制動(dòng);磁軌制動(dòng)應(yīng)用最多的是高速列車和磁懸浮列車。4. 黏著控制的必要性和黏著控制系統(tǒng) 現(xiàn)代城市軌道交通列車上多裝有防空轉(zhuǎn)檢測(cè)保護(hù)裝置,使動(dòng)車在空轉(zhuǎn)剛剛發(fā)生時(shí)就能檢測(cè)出來,并能自動(dòng)采取措施,消除空轉(zhuǎn),以保證列車正常運(yùn)行。(1) 黏著控制的必要性。城市軌道交通列車在設(shè)計(jì)時(shí)雖然充分考慮了輪軌之間的黏著作用,但是沒有黏著控制系統(tǒng)的動(dòng)車只能靠其自然特性運(yùn)行,難以運(yùn)用到黏著極限,即使短時(shí)達(dá)到較大的牽引力也難以維持,因?yàn)檩唽?duì)空轉(zhuǎn)隨時(shí)可能發(fā)生,因此只能遠(yuǎn)離黏著極限使用。同樣,在列車制動(dòng)時(shí),若無防滑行保護(hù)裝置,一旦制動(dòng)力大于輪軌黏著極限就會(huì)出現(xiàn)
47、滑行,將導(dǎo)致輪對(duì)擦傷和制動(dòng)距離增加。因此,在現(xiàn)代車輛的控制中,一般都設(shè)有黏著控制系統(tǒng)防空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)系統(tǒng)。(2) 黏著控制系統(tǒng)。目前,國(guó)內(nèi)外常見的黏著控制系統(tǒng)主要是校正型和蠕滑率控制型兩大類。城市軌道交通的動(dòng)車要求具有良好的防空轉(zhuǎn)和防滑行性能,大多采用校正型黏著控制系統(tǒng)。4. 黏著控制的必要性和黏著控制系統(tǒng) 當(dāng)城市軌道交通列車產(chǎn)生空轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生如下信號(hào):空轉(zhuǎn)輪對(duì)轉(zhuǎn)速不正常地大幅度上升;空轉(zhuǎn)牽引電動(dòng)機(jī)電流不正常地大幅度下降;串聯(lián)電路中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的端電壓迅速上升,而另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的端電壓迅速下降;輪對(duì)空轉(zhuǎn)前有某種一定頻率的扭振。 黏著控制系統(tǒng)通過檢測(cè)裝置測(cè)得上述空轉(zhuǎn)信號(hào)。當(dāng)動(dòng)車牽引力超過黏著值,空轉(zhuǎn)
48、或空轉(zhuǎn)趨勢(shì)達(dá)到一定程度時(shí),黏著控制系統(tǒng)快速并深度削減動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使空轉(zhuǎn)得到強(qiáng)烈的抑制;進(jìn)入黏著恢復(fù)區(qū)后,迅速恢復(fù)牽引力;當(dāng)回升到空轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)矩的一定比例時(shí),再以緩慢速率增長(zhǎng),以便尋找一個(gè)黏著極限點(diǎn)。采用這種短時(shí)超越黏著的最大值,又不讓空轉(zhuǎn)發(fā)展的簡(jiǎn)單辦法,可使輪軌經(jīng)常處于高黏著區(qū),而每次校正削減造成的牽引力損失都減到最小。5. 影響?zhàn)ぶ禂?shù)的因素 由于黏著系數(shù)與制動(dòng)有相當(dāng)重要的關(guān)系,所以長(zhǎng)期以來,影響?zhàn)ぶ禂?shù)的主要因素就成為世界上眾多科技專家研究的方向。對(duì)軌道黏著系數(shù)的研究主要依靠試驗(yàn)。不同軌道的黏著系數(shù)不同,需要經(jīng)過大量試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析才能得到。專家們的試驗(yàn)分析表明,黏著系數(shù)是一個(gè)由多
49、因素決定的變數(shù),當(dāng)動(dòng)車黏著重量確定后,黏著系數(shù)就是決定牽引力大小的因素。影響?zhàn)ぶ禂?shù)的主要因素有以下幾項(xiàng):(1) 動(dòng)輪踏面與鋼軌表面狀態(tài)。干燥清潔的動(dòng)輪踏面與鋼軌表面黏著系數(shù)高,冰、霜、雪等天氣的冷凝作用或小雨使軌面輕微潮濕時(shí)軌面黏著系數(shù)低,大雨沖刷、雨后生成薄銹使黏著系數(shù)增大,油垢使黏著系數(shù)減小。(2) 線路質(zhì)量。鋼軌越軟,黏著系數(shù)越??;鋼軌不平或直線地段兩側(cè)軌頂不在同一水平面,動(dòng)輪所處位置的軌面狀態(tài)不同,都會(huì)使黏著系數(shù)減小。5. 影響?zhàn)ぶ禂?shù)的因素(3) 列車運(yùn)行速度和狀態(tài)。列車運(yùn)行速度提高,加劇了動(dòng)輪對(duì)鋼軌的縱向和橫向滑動(dòng)及車輛振動(dòng),使黏著系數(shù)減小。特別是在輪軌表面被水污染的情況下,黏著
50、系數(shù)隨速度的增加而急劇下降。列車運(yùn)行中由各種因素導(dǎo)致軸重轉(zhuǎn)移,也影響著黏著系數(shù),如列車過彎道時(shí),車輪一側(cè)增載,另一側(cè)減載,造成黏著系數(shù)大幅降低。曲線半徑越小,黏著系數(shù)越小。(4) 動(dòng)車有關(guān)部件的狀態(tài)。各動(dòng)軸上牽引電動(dòng)機(jī)的特性不完全相同,在同一運(yùn)行速度下牽引力大的動(dòng)輪將首先發(fā)生空轉(zhuǎn);各個(gè)動(dòng)輪的直徑不同,直徑小的動(dòng)輪發(fā)出的牽引力大,容易首先發(fā)生空轉(zhuǎn);各個(gè)動(dòng)輪的動(dòng)負(fù)荷不同,運(yùn)行中動(dòng)負(fù)荷輕的動(dòng)輪將首先發(fā)生空轉(zhuǎn)??辙D(zhuǎn)必然導(dǎo)致動(dòng)車的黏著系數(shù)減小。6. 改善黏著的方法 改善黏著的方法主要有兩大類:一大類是修正輪軌表面的接觸條件,改善輪軌表面不清潔狀態(tài);另一大類是設(shè)法改善軌道車輛的懸掛系統(tǒng),以減輕輪軌對(duì)減載帶
51、來的不利影響。通常采用以下改善黏著的措施:從車輛上往鋼軌上撒沙;用機(jī)械或化學(xué)方法清洗鋼軌、打磨鋼軌;改進(jìn)閘瓦材料,如用增黏閘瓦材料;改善車輛懸掛,減小軸重轉(zhuǎn)移等。2.3.3 列車制動(dòng)力計(jì)算 以閘瓦制動(dòng)為例,如圖2-8所示,制動(dòng)時(shí),設(shè)每個(gè)輪對(duì)的閘瓦壓力為K,車輪與閘瓦的摩擦系數(shù)為。制動(dòng)前,列車以速度v運(yùn)行,輪對(duì)以角速度在軌面上滾動(dòng)。制動(dòng)時(shí),閘瓦作用于車輪踏面的壓力K引起閘瓦作用于輪對(duì)的摩擦力K,這個(gè)摩擦力對(duì)輪對(duì)中心形成一個(gè)力矩KR,它的方向與輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。2.3.3 列車制動(dòng)力計(jì)算 上述摩擦力矩起著兩方面的作用:一方面,阻止輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),使輪對(duì)獲得角減加速度,輪對(duì)轉(zhuǎn)速因而迅速減慢以至停止轉(zhuǎn)動(dòng);另
52、一方面,由于輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)被阻止,勢(shì)必引起輪軌間的相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì),從而使輪軌之間產(chǎn)生相互作用力,即由于閘瓦摩擦力矩的存在而在輪軌接觸點(diǎn)引起了車輪對(duì)鋼軌的縱向水平作用力和鋼軌對(duì)車輪的反作用力B。反作用力B對(duì)于輪對(duì)及本列車來說都是與列車運(yùn)行方向相反的外力,起著阻礙列車運(yùn)行的作用,使列車獲得減加速度a,這就是制動(dòng)力。根據(jù)圖2-8,將輪對(duì)作為分離體,建立力矩平衡方程可以得到制動(dòng)力大小,即式中,R為車輪半徑;l為輪對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2.3.3 列車制動(dòng)力計(jì)算 在式(2-26)中,l所占的比例很小,為了簡(jiǎn)化起見,通常忽略不計(jì)(假定l=0),留到計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)距離時(shí)再加考慮。這樣,轉(zhuǎn)動(dòng)力在數(shù)值上等于閘瓦摩擦力,即全列車的制動(dòng)力為: 從式(2-27)可以看到,制動(dòng)力B隨著車輪和閘瓦間摩擦力的增大而增大。但也不是無限制的增大,制動(dòng)力要
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