電力牽引和控制第1章-電牽引原理課件

1、電力牽引與控制第1章 電牽引原理第1頁，共38頁。1.1 牽引基礎軌道交通工具都依賴車輪和鋼軌之間的相互作用從而使車輛運行的。因此，車輪和鋼軌之間的相互作用的理論是軌道交通牽引的基本理論，也是區(qū)別于其他種類運輸方式的基本特點牽引基礎的主要內容是動車的牽引特性、調速和制動原理、牽引運用的特點、動車牽引的運動規(guī)律、牽引計算及所有對牽引特性有影響的應用技術。 第2頁，共38頁。1 牽引力和制動力的形成牽引力是使列車產生前進運動的外力，其方向與運動方向相同；制動力是阻礙列車運動的外力，其方向與運動方向相反；阻力是列車運動中外界環(huán)境對車輪或車輛產生的阻礙其運動的力，其方向與運動方向相反； 第3頁，共38

2、頁。根據(jù)物理學原理，滾動運動可以看出是一個轉動和一個平動的合成。于是一方面輪對繞圓心O轉動，一方面輪對按前進方向平動，于是輪對向前運行，也就是車輪前進方向運行； C點為瞬時中心點 C點相對靜止轉動和平動；fiFiC點相對靜止；把產生相對靜止點C的現(xiàn)象稱為粘著（adhesion），而fiFi則是產生粘著的條件；Fi的產生是由于fi平衡了Fi，因此鋼軌對輪軌的作用力fi就是使車輛運行的外力，即牽引力。第4頁，共38頁。粘 著如果fi不能完全平衡Fi，即Fi fi，二者的差值fFi fi 將使輪對加速旋轉，我們稱這種粘著失去的現(xiàn)象為空轉 ；在制動過程中，我們把粘著失去的現(xiàn)象稱為滑行 ；現(xiàn)代對輪軌間相

3、互作用傳力機制的研究表明，粘著現(xiàn)象只反映輪對在鋼軌上做滾動，作用力fi的產生是由于輪軌間的微量滑動所產生的，即所謂的蠕滑，因此將其稱作為蠕滑力。第5頁，共38頁。2 粘著系數(shù) 為了描述由粘著產生牽引力的這個現(xiàn)象，我們定義了一個參量，粘著系數(shù)，用以表示在一定的軸重下，動輪對所能獲得輪周牽引力的大小。即 Fi / P， 式中P是輪對的軸重，F(xiàn)i為由粘著產生的牽引力或者說是由輪軌關系產生的蠕滑力。 最大粘著系數(shù) umax 瞬時粘著系數(shù) 第6頁，共38頁。 由于影響輪軌間關系的因素較多，因此粘著系數(shù)是一個多元變量的函數(shù)，盡管目前還不能用一個數(shù)學表達式來表示這個函數(shù)關系； （p, k, m, ） 其中：

4、 p 表示輪對對鋼軌的正壓力即法向壓力； k 表示靜摩擦系數(shù)； m 表示輪軌間接觸面的長軸與短軸的比值； 表示輪軌材料彈性系數(shù)?；瑒訁^(qū)粘著區(qū)輪軌接觸面示意圖第7頁，共38頁。影響粘著系數(shù)的設計因素：（1）軸重和軌徑的影響 （2）輪對和鋼軌材值的影響 （3）輪軌間的摩擦系數(shù) （4）機車走行部的動力學性能 列車運行中主要影響粘著系數(shù)的被動因素 環(huán)境因素 主要指氣候和鋼軌表面污染的影響 ； 運用因素 駕駛人員的操作方法、 速度、加速度、線路的特性等 ； 第8頁，共38頁。 粘著系數(shù)并不是輪軌間傳力關系的表述，只是客觀上輪軌間所能傳遞的牽引力大小的表征，任何引起牽引力變化的現(xiàn)象都可以表示為粘著系數(shù)的變

5、化，所以粘著系數(shù)是電力牽引控制系統(tǒng)的一個重要參量 。第9頁，共38頁。3 粘著與電牽引系統(tǒng)電牽引系統(tǒng)的根本目的是通過牽引電動機產生使列車前進的動力牽引力，而牽引力的產生則取決于輪軌間的接觸傳力機制 ；電牽引系統(tǒng)與提高車輛的粘著系數(shù)umax無關，但與實際應用中的平均粘著系數(shù)up有關。電牽引系統(tǒng)通過控制手段可以提高應用粘著系數(shù)，提高列車的平均牽引力。第10頁，共38頁。粘著控制使動輪對在各種不同的條件下都能充分發(fā)揮其應用的牽引力，即充分利用粘著 ；能在工作點失去之后盡可能快地重新確定新的穩(wěn)定運行工作點 ；第11頁，共38頁。嚴重空轉的后果第12頁，共38頁。1.2輪軌滾動接觸理論輪軌滾動接觸理論是

6、研究列車運動時，輪軌相對運動狀態(tài)和接觸斑上作用力的關系，是輪軌關系研究的基礎；從輪軌滾動接觸理論我們可以了解 輪軌之間是如何傳力的； 在一定的條件下輪軌之間能傳遞多大的力； 輪軌之間粘著的產生及失去； 輪軌之間滑動的界定、 粘著與牽引力的關系等，為牽引控制系統(tǒng)的牽引力控制提供了理論依據(jù)和系統(tǒng)評價的衡量標準。第13頁，共38頁。1輪軌接觸理論的發(fā)展回顧輪軌接觸式載運工具的摩擦傳力（粘著）機制一直使用的是庫侖定律和赫茲理論。在滾動接觸研究中首次涉及蠕滑概念的是英國人卡特（Carter F.W.） 應用彈性理論求解二維彈性體滾動接觸問題，給出了接觸斑中粘著區(qū)和滑動區(qū)的劃分，指出車輪在鋼軌上運動時，車

7、輪不是作純滾動，而是包含了微小的滑動Carter之后的20多年，Carter的理論沒有充分地開拓第14頁，共38頁。20世紀50-60年代，物理界和鐵路界研究開始結合劍橋大學的約翰遜（Johnson K.L）教授是第一個將自旋概念引入滾動接觸研究的學者；輪軌蠕滑理論研究方面做出最大貢獻的是荷蘭德爾夫特（Delft）理工大學的Kalker J.J教授 在粘著面內沒有滑動； 在 滑動面積內有Z的切向牽引力； 在滑動面積內，牽引與滑動之間通常保持一個角度；第15頁，共38頁。1972年Kalker提出了簡化理論，引入表面污染層的彈性參數(shù)，縮短了計算時間1979年Kalker針對機車車輛接觸的特定條件

8、發(fā)表了Survey of wheel-rail contact theory，把輪軌位移和牽引力之間的關系與運用于特定條件的基本構成關系聯(lián)系起來DUVOROL計算程序，該計算程序能處理三維的滾動接觸問題。 目前世界各國公認Kalker的研究成果是蠕滑理論的權威之作，也是粘著控制的基本理論。第16頁，共38頁。2蠕滑系統(tǒng)與輪軌相互作用力1蠕滑現(xiàn)象 輪對的圓周速度將必然比移動速度高 這兩種速度之差對名義速度之比，定義為蠕滑（假滑動）CompressionCompressionEtirementEtirementContact第17頁，共38頁。2輪軌接觸面的傳力現(xiàn)象VcVt2F2VcVt1F1Vc

9、Vt3F3粘著第18頁，共38頁。3蠕滑率與粘著系數(shù) 輪對速度， 機車運行速度粘著蠕滑特性曲線第19頁，共38頁。我們的結論： 輪軌之間不是一種純滾動，而是帶有微量滑動的滾動。而正是這種微量滑動，才使得輪軌之間產生摩擦傳力（產生牽引力）。在一定的輪軌條件下，輪軌間允許傳遞的力有一個最大值。如果驅動力超過這個最大值。就將使輪軌的微量滑動成為宏觀上的滑動，從而從根本上取消了產生傳力的基礎。因此在任何時刻，各種運行條件下，維持輪軌間的微量滑動是保持機車牽引力的重要基礎。第20頁，共38頁。1.3 列車運動方程列車在運行中受到多種外力的影響。作用在列車上的總合力C是機車牽引力F、列車總阻力W和列車總制

10、動力B的代數(shù)和，即CFWB FiBiWj m dv/dt ma 式中： FFi 表示各輪對牽引力之和； BBi 表示各輪對制動力之和 WWj 表示各種阻力之和第21頁，共38頁。1 列車運動的三種工況 牽引工況 F0，B0，W0，于是CFW。若FW，列車可以加速運行，若F0，所以這時列車減速；惰行工況 F0，B0時的工況稱為惰行，即不對列車人為的施加作用力。這時CW第22頁，共38頁。（1）列車靠慣性運行惰行狀態(tài)。F=0, B=0時，C=Wm*a，W0 則 a0， 列車減速；W0， 列車加速；（2）列車施加制動力制動狀態(tài)。F0，B0時，C=（WB）m*a，WB0， a0， 減速；WB0， 即W

11、|B|，則a0， 加速；WB0，則a0， 衡速第23頁，共38頁。（3）列車施加牽引力牽引狀態(tài)；F0，B0， C=FWm*aFW， a0， 加速；FW， a0， 減速；FW，a0， 恒速;第24頁，共38頁。2 列車運行阻力的分析 列車運動的阻力可以分為基本阻力和附加阻力。基本阻力 列車在運行時，任何時候都存在的阻力 軸頸與軸承之間的摩擦產生的阻力 輪軌間的滾動摩擦 軌間的滑動摩擦 沖擊和振動造成的運行的阻力 空氣阻力 第25頁，共38頁。由于影響基本阻力的因素極為復雜，在使用中通常按照由大量試驗綜合得出的經驗公式進行計算 ；CRH2: =8.63+0.072v+0,00112v常規(guī)Davis

12、的單位基本阻力公式： 1.590+0.00921v+0.000262v 上海地鐵1號線的單位基本阻力公式： 2.27+0.00156v 2 2222第26頁，共38頁。附加阻力 列車運行時，在某一條件下才產生的阻力。 坡道阻力； 曲線附加阻力： 列車橫向滑動；輪緣與鋼軌間受壓的滑動摩擦；同軸輪對間的輪徑差引起的縱向滑動摩擦；轉向架與車體的相對位移引起的阻力 隧道空氣附加阻力 隧道內正面空氣壓力與尾部負壓的壓力差所形成的 壓力阻力；隧道內車體表面紊流與車體表面的摩擦阻力； 其他附加阻力： 如風速風向、氣溫降低引起滑油粘度增大、摩擦力增大第27頁，共38頁。1.3 電牽引特性機車運行中牽引力隨機車

13、速度變化的規(guī)律 Ff（v）稱為機車牽引特性 ；牽引特性是計算列車牽引力和制動性能最重要的原始數(shù)據(jù)；用列車的牽引、制動功率確定牽引特性， 用牽引特性計算列車的牽引、制動功率；牽引特性是列車最重要的特性；第28頁，共38頁。牽引特性曲線定義 牽引工作區(qū)域的限制：最大電流限制電動機的最大電流；粘著限制最大可用粘著系數(shù)；最大功率限制電動機的最大功率；構造速度限制機車的最高速度 第29頁，共38頁。牽引特性曲線的穩(wěn)定性分析 牽引特性曲線的穩(wěn)定性條件 牽引特性曲線Ff（v）的斜率小于阻力曲線Wf（v）的斜率第30頁，共38頁。南京地鐵第31頁，共38頁。北京地鐵第32頁，共38頁。DJ3機車第33頁，共38頁。1.4 牽引計算牽引計算是針對軌道交通運輸中的技術、經濟問題而進行的科學計算 ；牽引計算主要計算列車在不同編組形式下的爬坡能力、起動性能等各種技術性能和能耗等 ；隨著我國軌道交通建設事業(yè)的不斷發(fā)展和軌道車輛國產化程度的不斷提高，進行軌道車輛的牽引計算研究具有一定的必要性和緊迫性。第34頁，共38頁。牽引計算的研究內容作用在列車上的外力；研究列車運動和力的關系；研究與列車運動有關問題的解算： 列車運行速度和時間的計算； 動車能耗的計算； 牽引重量的計算； 列車制動的計算； 牽引試驗、制動試驗等的有關理論問題；第35頁，共38頁。牽引計