第二章 电力牵引传动系统设计基础

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1、1,现代轨道交通牵引传动技术,北京交通大学电气工程学院 林 飞 王琛琛,2,第二章 电力牵引传动系统设计基础,3,内容提要,设计流程概述 牵引特性曲线初步设计 牵引计算基础,4,设计流程概述,基于顶层指标的设计方法 系统接口匹配 数字化设计平台 仿真软件验算：牵引计算、动态仿真、温升校核等,5,顶层目标 旅行时间与最高运行速度 安全与防灾 开行原则与开行方案 舒适性 节能与环保,6,7,仿真、试验,8,接口指不同子系统之间工作界面上的对接关系和配合关系。,边界指子系统工作界面上各接口属性的集合，是子系统接口间连接的界面，是量化参数。,子系统A,子系统B,接口,子系统A,边界,9,高速列车关键技

2、术接口及设计规范,顶层目标之间接口 （速度-环保）,10,顶层目标与子系统之间接口 （速度-牵引供电）,12,子系统之间接口 （高速列车-牵引供电）,13,高速列车与外部系统接口 （高速列车 线路）,14,高速列车内部接口 （牵引传动-转向架）,外部接口,设计输出,高速列车 设计,内部接口,1. 速度等级 4. 动力配置 2. 编组 5. 轴重 3. 车型及车种 ,1. 总体设计 总体方案(平断面、设备、重量等) 总体参数 2. 子系统设计方案（软接口、安装接口） 3. 图纸设计、施工设计、试验调试,1. 国家标准 2. 行业标准 3. 限界 4. 工务工程 （线路、桥梁 站台、隧道） 5.

3、牵引供电 6. 列控系统 7. 地面设施 8. 运输组织 9. 自然环境 10.气候条件,1. 转向架 2. 车体 3. 牵引传动 4. 制动 5. 空调系统 6. 列车网络 7. 辅助供电 8. 车内装饰 9. 给水卫生 10. 车间连接 ,设计输入,15,16,软件定位,高速列车系统设计软件,高速列车设计平台 整车性能设计 （速度、能耗等顶层技术指标的确定） 列车子系统设计 （牵引与制动系统为主） 高速列车技术研究平台 牵引控制、节能优化算法等 高速列车技术展示平台 设计成果展示 三维运行仿真,17,国家科技支撑计划 - 综合仿真平台,18,高速列车系统设计软件,19,高速列车系统设计软件

4、,20,设计接口与边界条件 （牵引传动系统为例）,高速列车系统设计软件,外部接口 国际、国内标准 车-线 （半径、坡度）、轮-轨（黏着、轮轨动力） 弓网耦合（线路阻抗、线路压降）、流固耦合 （运行阻力、气场分布） 内部接口 牵引-基础制动系统等（再生制动）,21,设计接口与边界条件 （牵引传动系统为例）,高速列车系统设计软件,22,基于速度顶层技术指标的牵引传动系统设计,高速列车系统设计软件,线路、车辆、供电条件输入 速度技术指标（最高速度、加减速度）初始设定 牵引/制动特性曲线设计 运行仿真 电机动态控制结果 电机/变流器温升、基础制动装置温升 弓网受流、车辆动力学、流固耦合 运行时分、加减

5、速结果、能耗 技术指标、牵引/制动特性的重新设定 确定：主电路形式、装置容量、控制方法、效果,23,仿真目标车型：CRH2A,高速列车系统设计软件,24,运行策略：最小时分 车 型：CRH2A 线 路：京沪高速_下行,运行时间：361.7min 运行能耗：20192kWh,高速列车系统设计软件,25,车型：CRH2A 线路：平直道 仿真内容：列车运行过程中瞬态电气量仿真,高速列车系统设计软件,26,车型：CRH2A 线路：京沪线 仿真内容：温升校核,高速列车系统设计软件,27,内容提要,设计流程概述 牵引特性曲线初步设计 牵引计算基础,28,用列车轮缘牵引力/制动力与轮缘线速度的关系曲线表示，

6、是计算列车牵引与制动性能最重要的原始数据 恒牵引力起动，恒功率运行 牵引力与功率的关系,恒牵引力区,准恒牵引力区,牵引特性曲线,29,牵引特性曲线设计：,是在列车性能要求的基础上，得到一条满足列车各项运行指标的列车牵引力-运行速度曲线,30,列车编组形式：列车动车和拖车辆数，每辆车整备质量以及每辆车的定员，单位乘客体重。每辆车的轴数、轴上电机数也为知条件。,设计目标和已知条件,例：CRH2列车编组情况,31,列车最高运行速度,设计目标和已知条件,例：京沪高铁380km/h,列车轮轨黏着关系,例：日本高速列车公式,干轨：,湿轨：,32,列车基本阻力,设计目标和已知条件,轮对轴承摩擦阻力； 轮轨滚

7、动摩擦阻力； 轮轨滑动摩擦阻力； 冲击和振动； 空气阻力。,另：列车附加阻力,坡道附加阻力； 曲线附加阻力； 隧道空气附加阻力； 其他附加阻力； 起动阻力。,33,列车基本阻力公式,设计目标和已知条件,通常以单位阻力表示：,例：CRH2单位阻力,式中:W0列车运行基本阻力（N） M牵引质量（t）,g重力加速度(m/s2),a、b、c与机械阻力相关的系数,34,列车在一定坡道 上的启动加速度,设计目标和已知条件,列车起动阻力,列车惯性系数：在动车组加速时，不仅对车体加速，也要克服车轮、车轴、制动盘片、驱动用电动机、齿轮装置等旋转部分的惯性转矩，因此动车组质量要考虑转动惯量(惯性系数)。惯性系数的

8、值因动车组的M车与T车的比例不同而不同，一般参照动车组的技术规格所规定，取0.060.07。,列车最高运行速度时的剩余加速度和需要考虑的附加阻力：现一般按欧洲高速铁路联网高速列车技术条件，高速列车而在平直道上达到最高运行速度时需留有0.05 的剩余加速度，并考虑15 km/h的逆风。,其他性能要求,35,设计目标和已知条件,36,牵引特性曲线设计：,关键点：起动牵引力、最高速度、转折点、最大功率,37,整理已知条件：计算列车整车质量，并找出动车最小轴重，选定惯性系数，启动阻力。,设计步骤,求解列车最高运行速度时的牵引力：先计算出最大运行速度的牵引功率，再由牵引力、列车运行速度及牵引功率的关系求

9、解出此时列车牵引力。,计算起动牵引力，并分配到每根动车轴上,38,求解列车牵引特性曲线恒力矩区间和恒功率区间的交点速度 。,设计步骤,引入黏着限制，修正 。,39,将计算结果与列车牵引运行的技术要求进行对比分析，并进行必要的修正直至完全满足牵引需求，最终设计出列车的牵引/制动特性曲线。,设计步骤,需要验证的主要技术参数包括：,满功率平直轨道最大速度运行时的剩余加速度验算； 起动时的加速度和平均加速验算； 不同坡道上的爬坡能力验算； 故障运行时的牵引能力验算； 最大坡度运行满功率运行时的最低速度验算； 加速距离和制动距离的验算。,40,已知牵引力特性曲线，齿轮传动效率 ，牵引电机效率 ，电机功率

10、因数 ，牵引电机台数 N,电机电流曲线计算,踏面功率：,列车单台电机输出有功功率：,电机电流：,41,容量计算,42,容量计算,43,内容提要,设计流程概述 牵引特性曲线初步设计 牵引计算基础,44,“列车牵引计算”是专门研究铁路列车在外力作用下沿轨道运行及其有关问题的学科。它以力学为基础，以科学实验和先进操纵经验为依据，分析列车运行过程中的各种现象和原理。 用以计算铁路运营和设计上的一些主要技术问题和技术经济问题，如列车运行速度、运行时间、制动距离、制动限速、制动能力以及列车能耗等等。,牵引计算,45,在铁路运输方面：为了使铁路运输提速、重载、安全、高效，在每年修改列车运行图时都需要进行大量

11、的牵引计算；在列车运行或车站调车过程中发生事故时用以分析事故原因。 在列车设计方面：用于计算校核列车运行性能。 列车运用方面：除了配合运输方面做好上述工作之外，为了“节能”，还可通过牵引计算，研究先进司机的操纵经验和寻找最佳操纵方案。 选线设计方面：为了计算铁路的通过能力和输送能力、布置车站和机务站，在进行选线设计时必须进行牵引计算。 通信信号方面：为了合理地布置铁路的行车信号机，防止列车超速或“冒进信号”，也要进行牵引计算。 运输经济方面：为了计算设备投资和运营支出，进行各种方案的经济比较等等，也要进行牵引计算。,作用,46,单质点与多质点模型,运动学模型,47,仿真的基本模型单质点模型和多

12、质点模型 单质点模型 多质点模型,变坡度和变曲线点附近受力计算更精确 列车纵向冲击问题,单质点列车中心不断在平直到、上坡、下坡等不同坡道移动，单质点所造成的时分误差有正有负，绝大部分误差会相互抵消,48,三种运行工况,运动学模型,牵引工况： 惰行工况： 制动工况： 式中 C为合力，TE为牵引力（traction effort），R 为阻力（resistance），BE为制动力（braking effort）单位均为kN,49,牵引力,运动学模型,按照牵引特性曲线 手柄级位,制动力,制动力的实算与换算 空走时间与距离 电空联合制动,50,基本阻力公式,式中， v为列车速度（km/h）；a 为与速

13、度无关之阻力系数，如轴间摩擦力；b为与速度的快慢成正比例之阻力系数，例如车轮与钢轨间的摩擦阻力；c 为与速度的平方成正比例的阻力系数，例如空气阻力即是属于此项阻力之一。 大量试验综合出的经验公式 列车牵引计算规程规定了各车型基本阻力计算方法；新车型由厂家提供 城轨车辆基本采用国外数据,51,附加阻力,坡道附加阻力： i为坡度，上坡时其值为正，下坡时为负，用表示。 曲线附加阻力： r为曲线半径，m；600为经验常数。 隧道附加阻力： 经验公式之一，Ls为隧道长度。 其他附加阻力 起动阻力,52,加速度计算,运动学模型,加速度： 总质量： 一般取动车的惯性系数 为0.1，拖车 为0.05 合力的大

14、小、方向取决于牵引力、阻力和制动力的大小。,53,速度计算,运动学模型,按步长计算： 式中 v2为本步长终点速度km/h， v1为上一步长终点速度， 计算时间步长。,运行距离计算,式中 s2为本步长列车距离， s1为上一步长列车距离。,54,三种牵引计算模式,最小时分运行(节时运行) 发挥列车最大牵引/制动能力；用于列车性能设计的考核及提供其他牵引策略计算的基础数据。 固定时分运行(定时运行) 固定时间内完成列车的站间运行；用于运输组织等的计算。 节能运行(优化操纵) 在一定约束下(定时或准定时)，耗能最小。,55,最小时分运行,牵引策略： 以全力牵引启动，采用最大能力加速至限速；中间过程贴近

15、线路限速匀速运行；当限速升高时，采用全力牵引将列车速度提高至限速后保持恒速；当限速降低时，最大能力制动减速；进站时，列车采用全力制动进站停车。 三种运行工况：牵引匀速制动,56,限速过渡段的处理,限速 静态限速：固定位置；线路限速、道岔限速、车站限速、构造限速等。 动态限速：信号机给出；与前行车位置有关。 正算与反算 从低到高限速，以最大牵引力牵引到高限速值，接近此限速值后保持贴近限速值匀速运行。 从高到低限速，采取反向递推计算，求出以最大制动力减速到低限速区的最小制动距离。制动停车也包括在内。,57,限速过渡段的处理,较短限速区间 A图：直接进行v3到v1的反算。 B图：v1到v2最大牵引正算，v3到v2最大制动反算，二者交点决定运行曲线。,58,能耗计算,动能转换模型：即从牵引计算的数据牵引力与列车运行速度得到列车输出功率，推出从电源侧的输入功率，需要注意列车从接触网上受取的电功率因牵引和制动时能量流动方向不同而不同。 牵引时功率 制动时功率 惰行时功率为0 辅助功率可为经验常数 能耗,，,59,最小时分运行,数据准备 线路文件，包括站间距、坡度、曲段、限速等； 列车的基本参数，包括列车的编组方式、载客量、有受电弓的动车、无受电弓的动车、和拖车的重量、列车的基本阻力公式等； 列车的牵引特性和制动特性