列车牵引运动学基础.ppt

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1、第四章 列车牵引运动学基础,作用于列车上的力 作用于列车上的力有多种，只研究对列车运行影响大的力，即与列车运行方向平行的力。1.机车牵引力F产生F的条件：机车的动力 M 轮轨摩擦力Q 特点：F的方向与列车运行方向一致 可控制,序 作用于列车上的各种力,2.列车运行阻力 W主要阻力：摩擦阻力、坡道阻力、曲线阻力、空气阻力、风阻力等。特点：不可控 方向与列车运行方向相反3.列车制动力 B 由列车制动装置通过轮轨相互作用产生,制动装置产生内力，轮轨相互作用产生外力。特点：可控 方向与列车运行方向相反,序 作用于列车上的各种力,4.列车在不同工作状态下的合力形式 C=FW 0 加速 a.牵引工况：C=

2、0 即 FW 匀速 C=FW 0 减速 b.惰行工况：C=W 减速 c.制动工况：C=(W+B)减速,序 作用于列车上的各种力,一、牵引力的形成二、机车牵引力取值,第一节 机车牵引力,(一)关于机车牵引性能的几个概念 1、轮周牵引力与车钩牵引力(1)轮周牵引力：钢轨作用于机车动轮踏面的力。考察某一动轴：,一、牵引力的形成,由力矩平衡条件：M=F R M 动轮扭矩 R 动轮半径对整个机车：F=mFm 机车动轴数 注：F是可控制的力,一、牵引力的形成,(2)车钩牵引力FF=F-W机W机 机车阻力 注：实际中，F由测得的F与W机 相加获得;牵规规定：机车牵引力均按轮周牵引力计算.(3)F的性质F与M

3、成正比F受轮轨粘着力(相当于轮轨最大静摩擦力)的限制即 FF=Q,一、牵引力的形成,2、机车粘着牵引力 受轮轨间粘着力限制的牵引力 F=P g j(KN)P 机车粘着重量 t；g 重力加速度(9.81m/s2)；j 计算粘着系数。注：若FF 则动轮空转，无牵引力.j 的确定：a.一般通过试验确定F，然后反算j;b.小半径曲线j 下降，应加以修正;,一、牵引力的形成,c.不同类型的机车j 不同,一、牵引力的形成,3、机车轮周功率与机车理想牵引力曲线(1)机车轮周功率 V Km/h F N 1Hp=750 Nm/S；1Kw=1.36Hp,一、牵引力的形成,(2)理想牵引力曲线 要求：在牵引工况下，

4、机车恒功率输出。即N=F V 曲线受F 与Vg的限制，Vg为机车构造速度(3)机车实际的牵引力特性曲线,一、牵引力的形成,4、机车计算速度Vj与计算牵引力Fj根据N=F.V得出：F与V成反比 Vj 由最佳牵引重量决定的速度，即机车牵引列车通过区间限制坡道时，所遵照的最低规定速度。Fj 牵引重量G由Vj为条件得出，对应G和Vj的牵引力F，即为计算牵引力Fj5、机车计算起动牵引力Fq列车启动时，所要求的牵引力。一般，起动牵引力Fq由速度为2.5Km/h的列车阻力决定，即Fq按V 2.5Km/h确定。,一、牵引力的形成,(一)电传动内燃机车的取值 1、电传动内燃机车取持续速度Vc与持续牵引力Fc作为

5、Vj与Fj。Vc为牵引电机长时间工作不会过热的机车最低速度。2、起动牵引力Fq在粘着牵引力与起动电流所决定的牵引力中取小者。如:DF11:在V=038.5Km/h范围，取F253KN 在V 38.5Km/h时，按n1000转/分钟曲线取值 DF4:在 V=016.5Km/h，按粘着曲线取F，其中在V=02.5Km/h，取V=2.5Km/h 时的F；在V16.5Km/h，按满手柄位曲线取值,二、机车牵引力取值,3、牵引力的修正(1)在高海拔、高温、长大隧道条件下，F需修正：P 海拔修正系数 h 温度修正系数s 隧道修正系数(2)多机牵引与补机的F修正重联操纵 取全值 多机牵引：分别操纵 第二台后

6、取0.98 补机：尾部机车取0.95,二、机车牵引力取值,(二)电力机车牵引力取值(1)Vj分别按粘着制、小时制、持续制取值 Fj按Vj所确定的F取值(2)Fg按V0或V=2.5Km/h 取值(3)不同速度下F的取值,二、机车牵引力取值,一、列车运行阻力二、机车车辆单位基本阻力计算三、附加阻力四、列车总阻力和列车单位阻力,第二节 列车运行阻力,(一)阻力类型 1、基本阻力 列车在平直道上运行时所受到的阻力(KN)W0 W0+W0 W0 列车基本阻力 W0 机车基本阻力 W0 车辆基本阻力,一、列车运行阻力,3、附加阻力 除基本阻力以外的阻力 Wf(KN)坡道附加阻力：Wi 曲线附加阻力：Wr

7、隧道附加阻力：Ws起动附加阻力：Wq3、全阻力 W(KN)W=W+W=W0+WfW 机车阻力W 车辆阻力,一、列车运行阻力,一、列车运行阻力,4、单位阻力(N/KN)机车单位阻力(N/KN)车辆单位阻力(N/KN)列车单位阻力(N/KN)P 机车计算质量 t；G 机车牵引质量 t。,一、列车运行阻力,5、单位基本阻力 机车单位基本阻力(N/KN)车辆单位基本阻力(N/KN)列车单位基本阻力(N/KN),一、列车运行阻力,(二)基本阻力分析 1)轴承阻力 2)滚动阻力 1、基本阻力构成:3)滑动阻力 4)冲击与振动阻力 5)空气阻力,一、列车运行阻力,2、基本阻力分析(1)轴承阻力 轴颈部的摩擦

8、阻力 fi 轴摩擦阻力 Qi 轴荷重 r 轴颈半径 R 车轮半径 轴承摩擦系数,一、列车运行阻力,注：fi主要与有关 与Q成正比 与V有关(2)滚动阻力 轮轨间滚动摩擦力 滚动阻力的主因 弹性波(3)滑动阻力 轮轨间滑动摩擦力 滑动原因：锥形踏面 同一轮对直径不同 蛇形运动,一、列车运行阻力,(4)冲击振动 接头、轨道不平顺，车轮踏面擦伤；(5)空气阻力 正面、侧面 注：上述5种阻力随速度变化，其主要权重亦发生变化。低速时，轴颈间与轮轨间的滑动阻力占主要地位；高速时，轮轨间滑动与空气阻力为主要阻力。,(一)货车单位基本阻力公式 1、重车,二、机车车辆单位基本阻力计算,二、机车车辆单位基本阻力计

9、算,2、空车：,3、混编车：,:某种货车(滚承重车、滑承重车、空车)的单位 基本阻力。(N/KN)；：该种车的总重Gi与牵引总重Gi之比。,(二)客车单位基本阻力公式,二、机车车辆单位基本阻力计算,(三)机车单位基本阻力公式1、电力机车,二、机车车辆单位基本阻力计算,2、内燃机车,二、机车车辆单位基本阻力计算,二、机车车辆单位基本阻力计算,3、蒸汽机车注：公式不适用于调车作业;当V10Km/h，按10Km/h计算阻力;货物重量50的标记载重时，按空车计算阻力;不适用于高速列车及无缝线路。,(一)坡道附加阻力 如图：1、坡度千分数i2、根据比例关系 有 由,三、附加阻力,有取列车坡道单位附加阻力

10、 wi 注：坡度千分数即为单位坡道阻力 坡道阻力分正负。上坡为正；下坡为负,三、附加阻力,(二)曲线附加阻力 A 试验常数，其值在450800之间。我国取为600；R 曲线半径；因Lr 曲线长度；Lr所对的圆心角。,三、附加阻力,注：以上公式只限于列车长度Lc Lr的情况若Lc Lr，则有,三、附加阻力,将上式代入公式：,或：,(三)隧道空气附加阻力 ws=0.00013 Ls(N/KN)有限制坡道时：(四)加算附加阻力当三种阻力并存时，利用单位相同的特点。有：ij iwrws(N/KN),三、附加阻力,列车总阻力W=W+W=W0+Wf=(Pw0)+G w0+(P+G)ij g 10-3(KN

11、)列车单位阻力,四、列车总阻力和列车单位阻力,一、列车制动力的产生及限制 二、闸瓦摩擦系数 三、闸瓦压力的计算 四、列车制动力计算 五、电阻制动,第三节 列车制动力,(一)列车制动力的产生过程,一、列车制动力的产生及限制,压缩空气 列车主管 车辆(机车)空气制动机 基础制动装置 车轮踏面 轮轨摩擦力,特点：BL=Kk(KN)Kk 闸瓦摩擦力；BL轴制动力；见右图,一、列车制动力的产生及限制,(二)制动力的限制BLmax=(Kk)maxQ(KN)Q 轴荷重；粘着系数。注：BLQ时，车轮产生滑动。此时，制动力下降，制动距离增长；见右图 车辆在空车状态下，易发生“抱死”现象。,一、列车制动力的产生及

12、限制,(三)避免“滑行”的措施方法：对闸瓦压力Kk进行限制。令 为轴制动率，即每轴闸瓦压力与轴荷重之比。因 KkQ 则=K/Q(/k)的取值应满足两个条件：保证足够的制动力；不出现滑行。据实验,取0.70.8，即闸瓦压力是轴荷重的0.70.8倍。实际中，为防止滑行，载重50t以上车辆都设有空重车调整装置。,一、列车制动力的产生及限制,(一)制动力与闸瓦摩擦系数的关系基本关系：当K为常数时，BL与k成正比。要求：k 要大些；k要比较稳定。(二)影响k的因素 1、闸瓦的材质 高磷含P1 k高，但易脆裂 a.铸铁闸瓦:中磷含P0.70.1 k居中，多采用 低磷含P 0.3 k较低 b.合成闸瓦：k高

13、，但散热不好，正在试验中，是发展方向。,二、闸瓦摩擦系数,2、闸瓦压力K 关系：Kk，闸瓦压力增加1倍，k下降27。3、制动初速V0：V0 k(三)k的计算公式,二、闸瓦摩擦系数,三、闸瓦压力的计算,(一)闸瓦压力的产生过程 压缩空气 制动缸勾贝 基础制动装置 闸瓦 踏面 见公式与下页图34及下页公式的参数说明。式中：dz：制动缸直径，mm pz：制动缸空气压强，kpa z：基础制动装置的传动效率 z：制动倍率，下图中,基础制动装置示意图,三、闸瓦压力的计算,：一辆车制动缸数：一辆车闸瓦数(或闸片数)：制动盘摩擦半径，mm：车轮半径，mm 注：K仅与z和PZ 有关。,三、闸瓦压力的计算,(二)

14、基础制动装置传动效率=KS/KL KS 实际闸瓦压力；KL 理论闸瓦压力。牵规规定：机车、客车 0.85 货车 0.9,三、闸瓦压力的计算,(三)、制动缸空气压强 PZ 关系 Pz=f(r)r 减压量 1、列车主管的有效减压范围 最小减压量 rmin=50KPa；最大减压量 列车管定压力500KPa rmax=140KPa；列车管定压力600KPa rmax=170KPa。,三、闸瓦压力的计算,2、常用制动时制动缸的空气压强PZ 机车(kpa)客车：重车(kpa)空车(kpa)货车:重车(kpa)空车(kpa),三、闸瓦压力的计算,(一)列车制动力：B=Kk(KN)一般，列车制动力按单位制动力

15、计算：(二)列车制动力的实算法 B=Kk=(Kk1+Kk2+Kkn)(KN)单位制动力：b=1000(Kk1+Kk2+Kkn)/(P+G)g 注：实算法一般不用。,四、列车制动力计算,三、列车制动力的换算法条件：假定k与K无关；用h代替k。有 Khh=Kk 或 Kh=Kk/h Kh换算闸瓦压力；h换算摩擦系数。,四、列车制动力计算,经换算后，列车制动力可表达为：B=Kk=Khh 根据以上公式，需求出Kh和h 根据公式,四、列车制动力计算,根据Kh和h可得b 或 b=1000hh h 列车换算制动率；是反映制动能力的参数；牵规规定：货车h 0.28；客车h 0.58。,四、列车制动力计算,五、电

16、阻制动,电阻制动：电阻制动力产生原理：利用列车在坡道上的下滑力带动牵引电动机电枢旋转，使牵引电动机变为发电机运行。电阻制动的特点：制动特性稳定，可根据运行需要提供必要的制动力；制动力大小是速度的函数，低速运行时，制动力迅速减小。用途：区间调速与限速运行,五、电阻制动,电阻制动力需要值的确定 若要求电力牵引的列车在区间以某规定的限制速度运行，先按合力等于零的条件求出需要的制动力:由合力为0条件:(P+G)gij-Pw0-Gw0”-Bd(x)=0 得 需要的电阻制动力：Bd(x)=(P+G)gij-Pw0-Gw0”(N)求出需要的制动力后，根据机型查相应的电阻特性曲线，若需要的制动力在特性曲线的使

17、用范围内，说明可以用电阻制动控制列车按限速保持恒速下坡；如果超出使用范围，说明除采用电阻制动力外，还需要辅以部分空气制动，使列车不超限速运行。,第四节 列车运动方程式,一、合力曲线的绘制二、列车运行方程式三、列车速度曲线时分的绘制四、线路纵断面化简,一、合力曲线的绘制,(一)合力曲线 1、合力曲线 牵引工况 惰行工况 制动工况 2、已知条件：机车型号；牵引重量；车辆类型；,一、合力曲线的绘制,3、合力曲线的绘制步骤 编制单位合力曲线表 关系式：牵引工况单位合力,一、合力曲线的绘制,惰行工况单位合力惰行工况单位合力绘制图见下页图,一、合力曲线的绘制,一、合力曲线的绘制,4、单位合力曲线的用途:可

18、查出任意坡道、曲线、隧道上某一速度时的单位合力值 通过移动纵坐标。ij 0 坐标左移；ij 0 坐标右移。,二、列车运行方程式,列车运行方程表达了合力与加速度之间的关系。即(一)列车运行方程式的导出 牛顿第二定律 有 其中：,二、列车运行方程式,二、列车运行方程式,为计算方便。规定，系数127为120 故列车运行方程可表达为：直接运用单位合力C小 求列车运行距离与运行时分比较困难，故一般采用简化方法，用C均代替C小，如下页图：,二、列车运行方程式,二、列车运行方程式,二、列车运行方程式,(二)列车运行时分计算公式 根据简化的思想，列车在区间的运行时分应为：,二、列车运行方程式,(三)列车走行距

19、离计算公式 列车在区间的走行距离应为：,二、列车运行方程式,二、列车运行方程式,例：已知某列车在某一时段受单位平均合力6(N/KN)的作用，求速度由20(KM/h)30(KM/h)时，所用时间和相应的走行距离(m)？解：t=(V2-V1)/2C均(3020)/260.83分 s=4.17(V22-V21)/C均=4.17(302-202)/6347.5m 或 s=4.172(V1+V2)t=4.17(20+30)20.83347m,三、列车速度曲线时分的绘制,(一)绘曲前提及思路 1、依据单位合力曲线Cf(v)2、假定一定速度间隔单位合力为常数 3、绘制两条曲线：速度曲线vf(s)，运行时分曲

20、线tf(s)。(二)速度曲线vf(s)的绘制注：一般计算栏中单位合力6mm为一单位长度 速度1mm为一单位长度 时间10mm为一单位长度 固定线段30mm为一单位长度,三、列车速度曲线时分的绘制,注意事项：1）比例尺选用第一组 2）规定：牵引运行“”，惰行“-”空气制动“”等 3）速度间隔，一般计算不大于10km/h，专题计算不大于5km/h。4）列车过变坡点速度需要试凑 5）列车进站需要试凑(三)时间曲线tf(s)的绘制 前提：tf(s)利用vf(s)绘制,四、线路纵断面化简,化简的目的：减少工作量(一)思路：用化简坡度代替实际坡度，即 ihi(二)化简公式：ih=(H1-H2)/Lh100

21、0 H1，H2 化简坡段的标高（m）；Lh 化简坡段的长度（m），LhLi,四、线路纵断面化简,(三)精度问题 检验公式：Li2000/i=2000/ih-iih 化简坡度千分数i 化简坡段中任一实际坡度千分数Li 被化简坡道中任一实际坡道长度 注：化简坡段内每一实际坡度必须符合检验公式方可化简(四)化简坡度地段含曲线、隧道时的处理 1、思路：将曲线、隧道阻力换算成假想坡道，并计算出简化后的加算坡度千分数ihj。2、方法：将曲线阻力或隧道阻力平均分摊在化简后的整个坡段上，转化为曲线或隧道阻力换算坡度千分数ir、is。,四、线路纵断面化简,按照列车阻力所做机械功相等原则：a.曲线附加阻力换算千分

22、数 ir Lh=rLr=(600/R)Lr ir1/Lh(600/R)Lr 600/LhLr/R Lr 2R/360 ir600/Lh2R/360(10.5/Lh)b.隧道附加阻力换算千分数 is LhsLs；is（sLs）/Lh3.化简坡段坡道千分数 ihj ih+ir is,第五节 列车制度距离及其计算,一、制动距离 二、列车在下坡道上的最高允许速度,一、制动距离,(一)制动距离的定义：从司机开始实施制动至列车停止时止，列车所走过的距离。(二)制动过程的特点：1、各车辆制动动作不一致；每辆车压力不是瞬间达到最大。2、闸瓦压力随制动过程变化。假设条件：(1)从0t后，全列车压力从0瞬间达到最

23、大。(2)在一定范围内，不计列车阻力，列车作等速运行。,一、制动距离,一、制动距离,注：sk 空走距离 se 有效制动距离 列车制动距离sb sk+se(三)制动空走时间与空走距离的计算 1、空走时间tK：从施行制动到全列车闸瓦压力瞬间达最大值的走行时间。2、牵规规定：旅客列车：紧急制动：tK3.5-0.08ij（s）常用制动：tK(4.1+0.02rn)(1-0.03ij)(s),一、制动距离,货物列车:紧急制动：tK(1.6+0.065n)(1-0.028ij）(s)常用制动：tK(3.6+0.00176rn)(1-0.032ij)(s)单机：tK2.5（s）ij 加算坡度千分数，当ij0

24、时，按ij0计算。r列车主管减压量 n牵引辆数3、制动空走距离sk=(1000v0tK)/3600=v0tK/3.6（m）,一、制动距离,(四)有效制动距离的计算 1、思路：V是变化的量，为了简化计算，将V初V末0，划分成若干速度段，按下式分别求各速度段制动距离s=4.17(V22-V12)/C均(m)有效制动距离ses 注：在紧急制动的条件下，作用于列车的单位合力为：故 上述公式均为分段累计法,一、制动距离,2、等效一次计算法 1）假设：和 在整个制动过程中都为常数，用等效常数 与 代替 和。则有：2）与 的算法 由式和式并忽略，则有：,一、制动距离,同样方法，可得：,二、列车在下坡道上的最

25、高允许速度,(一)最高允许速度限制条件 1、紧急制动距离（800m）2、列车制动能力（列车换算制动率）(二)基本关系K一定，|-i|越大，允许制动初速度V0越小。V0一定，|-i|越大，所需K越大。,二、列车在下坡道上的最高允许速度,(三)计算制动限速的方法 假定一个制动限速，变“求制动初速”为“求制动距离”。若求得制动距离为800m，则假定的制动初速即为制动限速，否则，需重新试验。(四)列车制动能力解算（换算制动率）已知长大下坡道最高允许速度下，需知道列车要多大制动能力才能保证800m内停车。,二、列车在下坡道上的最高允许速度,公式：注：规定：每百（KN）重量闸瓦压力52KN（客车）每百（KN）重量闸瓦压力26KN（货车）,