列车牵引与制动(绪论)

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1、李占株 中南大学交通运输工程学院 电话：15873176748 QQ: 597073736,列车牵引与制动,教材及教学参考书,饶忠主编，列车牵引计算(第二或三版), 中国铁道出版社，2010。 孙中央主编，列车牵引计算规程实用教程，中国铁道出版社，2005。 列车牵引计算规程，铁道部科学研究院，1999。 饶忠主编，列车制动（第二版），中国铁道出版社，2011。,课程教学计划,绪论 机车牵引力及其计算 列车制动总论 机车车辆主型制动机构造与原理 列车运行阻力及其计算 列车制动力计算 列车制动问题解算 高速重载列车制动新技术,第一部分 理论课(34学时),第二部分 实践与实验(4学时),通过在企

2、业现场的学习和实践，学生能够分析列车运行过程中的各种现象和原理，并能够解决铁路运营和设计上的一些主要技术问题和技术经济问题，了解司机室司机操作牵引与制动手柄的位置与功能 。 学生通过实验，能够加深理解和巩固在课堂中所学的有关104型空气制动机和闸瓦间隙自动调整器以及120型空气制动机的理论知识，能够掌握有关实验的基本操作和基本技能，提高开拓创新能力，为将来从事设计与生产打下良好的基础。,绪论,一、列车牵引与制动计算的性质与内容,列车牵引与制动计算是一门铁路应用科学。它以力学为基础，以科学实验和先进操纵经验为依据，研究作用在列车上的与列车运行方向相平行的外力(包括机车牵引力、列车阻力、列车制动力

3、)，以及这些力和列车运动的关系，进而研究与列车运动有关的一系列实际问题的计算方法，其内容是：,1、机车牵引力、机车车辆阻力、线路阻力与列车制动力的 概念与计算方法； 2、列车制动的基本概念与制动方式； 3、机车车辆使用制动机的型号、构造及原理； 4、列车制动问题的解算； 5、高速重载列车制动的新技术。,1,二、对列车有直接影响的力,1机车牵引力 F 由动力传动装置引起的与列车运行方向相同并可由司机根 据需要调节的外力。 2列车运行阻力 W 由于各种原因自然发生的与列车运行方向相反的外力。其 作用阻止列车发生运动或使列车自然减速。 3、列车制动力 B 由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力。它

4、是人为 的阻力，大小可由司机控制。,2,三种工况：其合力由作用与列车上的不同力构成。 1、牵引运行 其合力 C=FW 2、惰行 其合力 C=W 3、制动运行 其合力 C=（BW） 当 C0时，列车加速运行； C0时，列车减速运行； C0时，列车匀速运行,3,第一章 机车牵引力,1.5 机车牵引力的计算标准和取值规定,1.1 概述 机车牵引力的概念、形成及分类,1.3 粘着牵引力 牵引力的限制、 粘着牵引力的概念及计算、 计算粘着系数及修正,1.4 机车牵引特性 电力机车、内燃机车牵引特性,4,1.2 轮轨间的摩擦与粘着 摩擦、粘着的概念与空转,1.1 概述,一、牵引力的概念,由动力传动装置产生

5、的、与列车运行方向相同、驱动列车运行并可由司机根据需要调节的外力。,通过能量转换装置和传动装置，传递到机车动轮上是动轮 得到扭矩M的作用轴荷重Q压在钢轨A点形成的静摩擦阻止M产生动轮对钢轨作用力F钢轨对轮的反作用力F,二、牵引力的形成,5,F,F,Q,A,M,6,按能量传递顺序分：,三、牵引力的分类,按能量转换过程限制关系分：,牵引电机牵引力,粘着牵引力,柴油机牵引力,电力机车,内燃机车,传动装置牵引力,粘着牵引力,指示牵引力,轮周牵引力,车钩牵引力,7,F,F,Q,A,M,R,由力矩平衡条件： M=F R F =M /R M 动轮扭矩 R 动轮半径 对整个机车： F=mF m 机车动轴数 即

6、轮周牵引力就是机车牵引力。,1、轮周牵引力F：钢轨作用于机车动轮踏面的力。 考察某一动轴：,8,2、车钩牵引力,就是机车牵引客、货车辆的纵向力。它只是机车和车辆之间相互作用的内力，不是使列车发生或加速的外力。,机车牵引力产生必须具备两个条件： （1）机车动轮上有动力传动装置传来的旋转力矩。 （2）动轮与钢轨接触并存在摩擦作用。,即车钩牵引力总比轮周牵引力小。,9,我国牵规规定，机车牵引力以轮周牵引力为计算标准，即以轮周牵引力来衡量和表示机车牵引力的大小。由于动轮直径的变化会影响牵引力的大小，规定机车牵引力按轮毂半磨耗状态计算。,10,1.2 轮轨间的摩擦与粘着,一、轮轨间的摩擦,车轮与钢轨的各

7、个接触点在它们接触瞬间是没有相对运动的，轮轨之间的纵向水平作用力就是物理学上说的静摩擦力，其 “最大静摩擦力”是一个与运动状态无关的常量。它等于钢轨对车轮的垂直力N与静摩擦系数的乘积。这是一种难以实现的理想状态。否则，可能实现的牵引力最大值就是轮轨间静摩擦阻力的极限值。,11,第二种与第一种相反。即轮轨间为动摩擦，轮轨间纵向水平作用力超过了维持静摩擦的极限值最大静摩擦力，轮轨接触点发生相对滑动，此时，轮轨间纵向水平作用力变成了滑动摩擦力，其值比最大静摩擦力小得多，机车运行速度并不高，铁路术语中把这种状态称为“空转”。在这种状态下，牵引力反而大大降低，钢轨和车轮遭到剧烈磨耗。这是必须杜绝的事故状

8、态。此时轮轨间的动摩擦阻力就成为滑行时的摩擦力。,实际上，车轮在钢轨上滚动时，轮轨接触处既非静止亦非滑动，而 是静中有微动或滚中有微滑的状态，在运行过程中，由于牵引力和惯性 力不是作用在同一水平面内，造成机车前后车轮作用于钢轨的垂直载荷 不均匀分配。所以，轮轨间纵向水平作用力的最大值实际与运动状态有 关，在铁路术语中用“粘着”来称呼这种状态。由于正压力而保持动轮与 钢轨接触处相对静止的现象称为“粘着”。在粘着状态下轮轨间纵向水平 作用力的最大值（静摩擦力）就称为粘着力，而把粘着力与轮轨间垂直 载荷之比称为粘着系数。,轮轨间的摩擦与粘着,二、轮轨间的粘着,12,轮轨间的粘着与静力学中的静摩擦的物

9、理性质十分相似。驱动转矩 产生的切向力增大时，粘着力f随之增大，并保持与切向力相等。当切 向力增大到某一数值时，粘着力f达到最大值。此后切向力如再继续增 大， f反而迅速减小。试验证明，粘着力f最大值fmax与动轮对的正压 力Pi成正比，其比例常数称为粘着系数，用表示。即 fmax=Pi 上式表明，在轴重一定的条件下，轮轨间的最大粘着力由轮轨间粘 着系数的大小决定。,轮轨间的摩擦与粘着,13,当轮轨间出现最大粘着力时，若继续加大驱动转矩，一旦切向力大 于最大粘着力时，轮轨间粘着状态被破坏。动轮与钢轨的相对运动由纯 滚动变为既有滚动也有滑动。此时钢轨对动轮的反作用力由静擦力变为 滑动摩擦力，其值

10、迅速减小；并使动轮的转速上升。这种因驱动转矩过 大，破坏粘着关系，使轮轨间出现相对滑动的现象，称为“空转”。动轮 出现空转时，轮轨间只能依靠滑动摩擦力传递切向力，传递切向力的能 力大大削弱，同时造成动轮踏面和轨面的擦伤。因此，牵引运行应尽量 防止出现动轮的空转。,轮轨间的摩擦与粘着,14,粘着系数是由轮轨间的物理状态确定的。加大每轴的正压力，即 轴重，可以提高每轴牵引力，但轴重受到钢轨、路基、桥梁等限制。 动力分散型的城市轨道交通车辆，动轴数较多，很容易达到整列车所 需的牵引力，因而轴重较小，这对保护轮轨的正常作用是有利的。,轮轨间的摩擦与粘着,15,1.2 粘着牵引力,粘着状态下轮轨间切向摩

11、擦力最大值称为“粘着力”，粘着牵引力是 受轮轨间粘着力限制的机车牵引力。在机车牵引特性图中以带有阴影的 曲线表示。把它与车轮钢轨间垂直载荷之比称为“粘着系数”。 机车粘着牵引力的计算公式为： （KN) 在列车运行中，由于制动力和惯性力不是作用在同一水平面内，从 而造成机车车辆前后车轮作用于钢轨的垂直载荷不均匀分配，即“轴重 转移”因此，各个车轮对钢轨的法向反力不相等。便于计算，假定轮轨 间垂直载荷在运行中固定不变，认为粘着力的变化是由于粘着系数的变 化引起的。这样，粘着力与列车速度的关系就被简化成粘着系数与列车 速度的关系。它也就成了假定值，称为“计算粘着系数”。,一、牵引力的定义,16,1.

12、2 粘着牵引力,二、牵引力的限制,FM， M F, FF静 轮轨相对滑动 动轮空转 丧失牵引力,F受轮轨粘着力（相当于轮轨最大静摩擦力）的限制， 即,17,三、机车粘着牵引力的计算,计算粘着牵引力 KN ； 机车粘着质量 t ； 重力加速度 （9.81m/s2）； 计算粘着系数。,受轮轨粘着牵引力限制允许机车发挥的最大牵引力。,18,1、影响粘着系数的因素 主要有两个：一个是车轮和钢轨的表面状况； 一个是列车运行速度。 轮轨间表面状况包括：干湿情况、脏污程度、是否有锈、是否撒砂 以及砂的数量和品质等等。轮轨的湿度、脏污程度又与天气、环境污染 状况和制动装置形式(有无踏面或轨面清扫设备)等因素有

13、关。 列车运行速度对粘着系数的影响主要是：随着牵引过程中列车速度 的增大，冲击振动以及伴随而来的纵向和横向的少量滑动都逐渐增加， 因而粘着力和粘着系数也逐渐减小，其减小的程度与机车车辆动力性 能、轨道的情况等有关。 其次，线路对粘着系数也有影响，钢轨愈软或道渣的下沉量愈大， 粘着系数愈小；钢轨不平或直线地段两侧钢轨顶不在同一水平，动轮所 处位置的轨面状态不同，曲线半径愈小，都会使粘着系数减小。另外， 空转必然导致动车的粘着系数减小。,四、计算粘着系数与改善粘着的方法,19,2、计算粘着系数j的计算式：,20,（1）修正轮轨表面接触条件，改善表面不清洁状态， （2）设法改善列车的悬挂系统，以减轻

14、轮对减载带来的 不利影响。,3、改善粘着的方法,21,4、j 的修正,产生原因：,修正公式：,电力机车,内燃机车,小半径曲线上粘着系数修正：,长隧道粘着系数修正（L1000m） ：,由试验确定,五、粘着牵引力曲线,根据各型机车不同速度下的粘着牵引力，在坐标图中会出粘着牵引力与速度的关系曲线。,22,(一)空转的产生 当动轮对的牵引力大于最大粘着力时，轮对就发生空转。空转 时轮对的转速迅速上升，如果任其扩展往往可能在数秒或略长的时 间内超出构造速度。这样不仅使动车的牵引力下降，而且由于高速 空转使轮对的踏面严重擦伤，若带有轮箍结构形式的轮对，那么会 导致轮箍因过热而松动脱落，同时牵引电动机转子绕

15、组也可能因离 心力过大而飞散“扫膛”，引起重大事故，因此必须对空转进行保护。,六、空转的产生与防止,23,(二) 空转的防止 1、主电路防空转设计 (1)牵引电动机全并联结构 两台串励牵引电动机串联连接时，在恒电压下如果一台电动空转， 由于串联电路中两台电机励磁电流相等，结果使空转电动机的端电压 升高，空转的速度进一步加大。但在电动机并联连接的电路里就不会 发生这种电压转移的现象，从而加强了防空转性能。,24,(2)采用机械特性硬的牵引电动机 机械特性硬的牵引电动机，负载大幅度变化时转速变化很小，也就 是说如果电机转速略有上升，就会使转矩大幅度下降，因而具有良好的 防空转性能。例如，鼠笼式牵引

16、电动机的动车不会产生持续空转。 2传动系统防空转设计 (1) 采用单电机转向架传动系统。 (2) 机械走行部分采用低位牵引，以及采用合适的悬挂系统等措施。,25,机车的牵引特性是指牵引力随速度变化的曲线。机车牵引列车运行 是由于它具有相当大的牵引力，用来克服列车起动时和运行中所受的阻 力。机车牵引力(F)和运行速度(V)的乘积就是机车的功率(P)， 即 FV=P， 常用“千瓦”做单位。 任何一种机车，它的最大功率是一定的，叫做标称功率，例如， DF4B型内燃机车的标称功率为1985千瓦。 机车在牵引列车时，所受到的阻力是经常变化的。当阻力增大时 机车就要发挥出更大的牵引力来克服它；反之，当阻力减小时，牵引力 就可以小一点。为了充分利用机车的功率，要求机车在各种不同运行阻 力的情况下，都能具有恒功率输出性能。这就要使FV=常数。可见，牵 引力和速度之间应当成反比关系：当速度小时，牵引力大：速度大时， 牵引力小。,