矿山运输ppt课件第4章矿井窄轨铁路运输设备

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1、第四章第四章 矿井窄轨铁路运输设备矿井窄轨铁路运输设备第一节 概 述 机车是轨道车辆运输的一种牵引设备。按使用的动力分，有电机车和内燃机车。牵引电机(或内燃机)驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使机车在轨道上运行。在这种运行方式下，它的牵引力不仅受牵引电机(或内燃机)功率的限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约。机车运输能行驶的坡度有限制，运输轨道坡度一般为3，局部坡度不能超过30。原理使用条件P目前我国煤矿的运输机车都是电机车，使用的都是直流串激电动机。按供给直流电源的方式分，有架线式和蓄电池式两种。架线式电机车的供电方式如图4-1所示。交流电在变流所整流后，正极接在架空线上，负极接在轨道上

2、。架空线是沿运行轨道上空架设的裸导线，机车上的受电弓与架空线接触，将电流引入车内，经车上的控制器和牵引电动机，再经轨道流回。因此架线式电机车的轨道必须按电流回路的要求接通。 图4-l 架线式电机车的供电系统 1-牵引变流所；2-馈电线；3-受电弓；4-架空线； 5-矿车；6-轨道；7-回电线v 架线式电机车运行时，受电弓与架空线间难免产生火花 ,煤矿安全规程规定，只能在低瓦斯矿井进风（全风压通风）的主要运输巷道内使用，巷道支护必须使用不可燃性材料。v 蓄电池式电机车由车上携带的蓄电池供电，运输线路不受限制，但需要充电设施，蓄电池放电到规定值时需更换。两种电机车在使用环境上的限制蓄电池式电机车有

3、矿用增安型和矿用防爆特殊型两种。 增安型的电动机、控制器、灯具、电缆插销等为隔爆型或增安型，蓄电池和电池箱为普通型。 防爆特殊型的电动机、控制器灯具、电缆插销等为隔爆型，蓄电池为防爆特殊型。蓄电池式电机车两端设司机室，对安全运行有利。对蓄电池的要求有别矿用电机车在井下巷道运输中得到广泛应用，它有下列些优点： 牵引力大牵引力大。机车采用直流串激牵引电动机，该电机特性能使机车获得较大的牵引力。 维护费用小维护费用小。电机车运行速度较高，最高可达26 kmh，而且只用司机一人操作就可以，所需辅助人员少，维护简单，动力消耗不大。 可可改改善善劳劳动动条条件件。电机车运行不受气候的影响，由于采用电力拖动

4、，不会产生废气，避免了空气污染，大大改善了劳动条件，保证了井下工人的安全。电机车运输的缺点：基建投资较大(架线式电机车要铺设轨道、安架空线、设牵引变流所)；架线式电机车需要有较大的巷道断面，会产生不良的泄漏电流，而蓄电池式电机车蓄电池组成本较高。电机车运输的发展方向： 电机车运输高度自动化； 使用新型电机车，如德国采用了交流工频架线式电机车； 改进矿车结构，使用大容积的矿车。第二节第二节 矿井轨道与车辆矿井轨道与车辆一、矿井轨道v矿井轨道: 将钢轨按一定要求固定在线路上构成的，是机车运行的基础件。 v标准窄轨的结构如图42所示轨道线路由下部建筑、上部建筑两部分组成。下部建筑主要是巷道底板和水沟

5、，上部建筑是钢轨、联接零件、轨枕和道床。42 标准窄轨的结构1-钢轨；2-道钉；3-轨枕；4-道床；5-底板；6-水沟v 轨道线路的主要参数:轨距、轨型、坡度、曲率半径。轨距是两条钢轨的轨头内缘的间距,如图4-3所示。国内标准轨距有600，762，900mm。v 因为机车能牵引的坡度很小，所以轨道的坡度用高差和间距之比表示，通常用i表示。v 矿井用的钢轨属轻轨系列，钢轨的型号用每米长的质量(kgm)表示。矿用轻轨系列按YB(T)23-86规定有9，12，15，22，30 kgm五种。矿用钢轨不仅要耐磨还要耐腐蚀。道岔：是轨道线路的分支装置，如图4-4。道岔由基本轨、尖轨、辙叉、护轮轨、转辙轨、

6、转辙机构及一些零件组成。道岔按轨距轨型有标准系列规格。搬动道岔的转辙机构有手动搬道器、弹簧转辙器和电动转辙机。在特定的运行条件下可使用弹簧转辙器。用电动转撤机对道岔可进行远距离操作和监视，现已有定型产品。主要运输巷道轨道的维修质量必须符合下列要求： (1)更换钢轨时，应选用同类型钢轨； (2)扣件齐全、牢固并与轨型一致，轨道接头的间隙不得大于5mm，高低和左右错差都不得大于2mm； (3)两条钢轨顶面除曲线段外，高低差不得大于5mm； (4)轮距的任何部位上、下偏差都必须在+5mm和-2mm范围之内； (5)轨枕的规格数量和间距应符合设计要求，轨枕无失效。轨枕之间道碴填实，道床材质及厚度应符合

7、标准。道床应经常清理，无杂物，无浮煤。架线式电机车使用的钢轨接缝处有专门的技术要求。轨道线路的结构完整，规格达标，是列车安全、稳定运行的基础，不能忽视 。二、矿用车辆 矿用车辆有标准窄轨车辆、卡轨车辆、单轨吊挂车辆和无轨机动车辆。标准窄轨车辆就是通常说的矿车。这种矿车是目前我国煤矿使用的主要车辆。 (一)矿车的类型及标准规格煤矿使用的矿车类型很多，按结构和用途分有以下几种：(1)固定车箱式矿车，如图4-5(a)所示，这种车需用翻车机卸车。图4-5 矿用车辆(a)固定车箱式(2)底卸式矿车，如图4-5(c)所示，车底开启卸车，在专设的卸载站，整列车在运行中逐个开启自卸，如图4-6所示。底卸式矿车

8、按车底开启的方向，有正底卸式和侧底卸式之分，侧底卸式卸车情况如图4-7所示。 图45 矿用车辆 (c)底卸式 图4-6 正底卸式矿车的缸载 1-车箱；2-卸载曲线；3-卸载轮；4-轮对；5-底门转轴；6-底门；7-煤仓 底卸式矿车的主要优点：进卸载站的行车方向不受限制，卸载时的车速易控制，卸载曲轨不受撞击。底卸式矿车装卸能力很高，能满足大型矿井的需要。(3)翻转车箱式矿车，如图4-5(b)所示，车箱能侧向翻倾卸车。 图4-5 矿用车辆(b)翻转车箱式 (4)材料车，如图4-8(a)所示，专为装运长材料用。 (5)平板车，如图4-8(b)所示，装运大件设备用。图4-8 材料车和平板车(a)材料车

9、；(b)平板车 (6)人车：有座位的专用乘人车。 分斜井人车、平巷人车两种。每辆斜井人车上都有防坠装置，在运行中断绳时，能自动平稳地停在轨道上。 停车装置有插爪式、抱轨式两种。 插爪式斜井人车在运行中断绳时，弹簧-拉杆式开动机构将插爪的锁钩打开，插爪靠其自重下落，插入道床中（如图4-9的虚线位置）。 抱轨式斜井人车一般由两节头车和若干辆挂车组成一列，头车上有抱轨式制动装置、开动机构、缓冲装置等（图4-11）。 图4-9 插爪式斜井人车1-车体；2-双轴转向架；3-防坠装置的滑架；4-制动插爪；5-主拉杆；6-手动拉杆；7-传动弹簧；8-制动缓冲木图4-10 插爪式斜井人车的停车过程 图4-11

10、 抱轨式斜井人车 1-手动操纵装置(一)；2-闭锁装置；3-轨体；4-主拉杆；5-制动装置；6-轮对；7-缓冲装置； 8-连接链及碰头；9-手动操纵装置(二)；10-照明灯 (7)梭车，如图4-12所示。车底装有刮板链，是在短距离内运送散料的特殊车辆，可用于掘进工作面运煤矸。r工作原理：在工作面向车箱内装满一堆时，开动车底的刮板链，将料堆移动一个距离，继续装车。直到将全车箱装满。装满车箱后，将梭车牵引到转载点，开动刮板链卸载，卸空后牵回工作面再进行装载。 (8)仓式列车，它与梭车的相同之处是车底装有刮板链，不同之处是由多节短车箱铰接构成。 此外还有各种专用车辆，如炸药车、水车、消防车等。 图4

11、-12 梭车 (二)矿车的基本参数及尺寸 矿车已有国家标准，煤矿矿车基本参数及尺寸列于 表43表46中。 三、矿车的基本部件 矿车的基本部件是车箱、车架、轮对、连接器。 (一)车箱 车箱是矿车装盛物料的箱形容器。固定车箱式矿车的车箱多采用半圆形车底，不仅加工方便，还有利于机械化清理车底的粘附物。采用低合金钢板制造车箱，耐磨和耐腐蚀性好。钢板厚度主要是考虑耐腐蚀的要求。为增加箱体的刚度，常在钢板上压出凸棱、箱口焊加角钢，箱底开排水孔。底卸式矿车的车箱为可开启的平底，车箱下口的两侧有翼板，供卸载时支承运行，下口应有足够的刚度，防止变形。 (二)车架 车架包括车梁、缓冲器和轴卡。r车梁是矿车的主要承

12、载部件。除了车箱重力和牵引力外，在运行中要承受很大的冲击、振动等附加载荷。车梁一般用专用型钢制造。r缓冲器是直接承受牵引和冲击的部件，过去大多采用螺旋弹簧吸收冲击，近来也有用橡胶弹簧的。r轴卡是车架与轮对的联接件，目前多采用插销式。这种轴卡结构简单、拆装方便、运行可靠。 ( (三三) )轮对轮对P轮对是矿车的走行部分，按结构不同，有开式和闭式两种。 开式轮对的车轮有端盖，如图4-13(a)所示，便于拆装和调整轴承间隙，但是端盖增加了轴承进水的机会并易丢失。 闭式轮对的车轮无端盖，如图4-13(b)所示，检修拆装轴承时，两轴承通过同一内孔，容易造成内孔加大而失效。 ( (四四) )连接器连接器

13、目前矿车使用的连接器都是牵引链型，由牵引链、插销和插销座组成。牵引链有单环，三环和万能链三种。万能链用于不摘钩翻车机卸载。插销座与缓冲器铸成一体。 连接器是涉及重大安全问题的部件，煤矿安全规程对连接器有严格的规定。 矿车的连接钩环、插销和无极绳运输的连接装置的安全系数都不得小于6。上绳式无极绳运输用的连接装置的安全系数不得小于8。运送人员车辆的每一个连接器、钩环和保险链的安全系数都不得小于13。 第三节第三节 轨道车辆运输的辅助轨道车辆运输的辅助机械设备机械设备 轨道车辆运输的辅助机械设备主要有翻车机、推车机、阻车器、爬车机。一、翻车机 翻车机是固定车箱式矿车的卸车设备，如图4-14所示。 组

14、成：滚筒、传动轮、支撑轮、定位装置、传动装置、阻车器、底座、挡煤板等主要部件。 图4-14 电动翻车机1-滚筒；2-挡煤板；3-定位装置；4-传动轮；5-底座； 6-阻车器；7-支撑轮分类：r 按卸车时滚筒的旋转方向，有左侧式和右侧式之分；r 按卸车时是否需要将车组中的矿车摘钩，有摘钩和不摘钩之分；r 按滚筒中能容纳的矿车数不同，有单车和双车之分。 还可按轨距和矿车吨位划分为不同规格。 定位装置是使滚筒旋转一周卸载后，准确停车的装置。定位装置应有缓冲作用，以减轻冲击，延长设备的使用寿命。 阻车器是矿车在滚筒内定位的装置。车进入滚筒，阻车器关闭，滚筒旋转一周后，阻车器打开。它的开闭与滚筒旋转动作

15、有杠杆联动。二、推车机二、推车机 推车机是在短距离内推动矿车的设备，分列车推车机和装罐推车机两大类。z 列车推车机是在翻车机前的推车设备，与翻车机配合进行卸载作业。图4-15所示是已有标准设计的圆环链列车推车机，圆环链上的推爪从底部推动矿车。z 装罐推车机是向罐笼推送矿车的设备，它的种类很多，按动力分有电动和风动；按推车机构分有钢丝绳式、链式及其他。各种推车机各有其特点和适用条件。 图4-15 圆环链列车推车机1-传动装置；2-头轮组；3-头轮支架；4-推爪小车； 5-小车轨道；6-尾部拉紧装置三、阻车器 阻车器是窄轨线路上的停车装置，用于翻车机之前或翻车机之内、罐笼前或罐笼内、斜井井口及其他

16、需要的场所。阻车器有许多种形式，各适用于不同场所的需要。翻车机内的阻车器见图4-14。 四、爬车机 爬车机是在矿车自重滑行线路上，用于补偿线路的高度损失，使矿车升上一定高度的设备。图4-16所示是PH型圆环链爬车机。圆环链连续循环运转，单个矿车滑行到爬车机下部进口处，被圆环链上的爬车爪推动，沿导轨向上运行，到爬车机的上端，矿车在下坡轨道上靠自重滑行，脱离爬车机。为防止因事故向下跑车，在爬车机斜坡上较密集地设置了长爪逆止器，逆止器既能阻挡轮轴，又能阻挡缓冲器，从而保证了安全。 图4-16 PH型圆环爬车机1-传动装量；2-导向轮；3-圆环链；4-爬车爪；5-联接环；8-长爪逆止器；7-尾轮裴置；

17、8-护轨；10-主横粱第四节第四节 矿用电机车的机械设备及矿用电机车的机械设备及电气设备电气设备一、矿用电机车的机械设备 机械设备：车架、轮对、轴承和轴箱、弹簧托架、制动装置、加砂装置、齿轮传动装置及联接缓冲装置等。如图4-17所示为ZK型矿用架线电机车构造示意图。 图4-17 架线式电机车的基本构式1-车架；2-轴承箱；3-轮对；4-制动手轮；5-砂箱；6-牵引电动机；7-控制器；8-自动开关；9-启动电阻器；10-受电弓；11-车灯；12-缓冲器及联接器(一)车架 车架是电机车的主体结构，是由钢板焊接而成的。电机车上所有设备都安装在车架上，车架用弹簧托架和铁棒支承在轴箱上。 (二)轮对 轮

18、对是由两个压装在轴上的车轮和一根车轴组成的。如图4-18所示，车轮是由轮心2和轮圈3热压装配而成的。这种结构的优点是轮圈磨损后可以更换，而不致使整个车轮报废。矿用电机车采用双主动轴。 (三)轴承和轴箱 车轴通过轴承和轴箱承受车架及其上全部设备的重力，轴箱安装在车轴两端的轴颈上。图4-19所示为矿用电机车的轴箱，箱内装有一对滚柱轴承4，箱壳两侧的滑槽9与车架相配，在不平的轨道上运行时，轮轴能在车架中上下移动。轴箱上部有弹簧托架，此弹簧托架可起缓冲作用。在箱壳上部有安装弹簧托架铁棒的座孔8。 图419 矿用电机车的轴箱1-油箱体；2-毡垫；3-止推环；4-滚柱轴承；5-止推盖；6-轴箱端盖；7-轴

19、端盖；8-注孔；9-滑槽(四)弹簧托架 弹簧托架的作作用用：缓缓和和运运行行中中对对机机车车的的冲冲击击和和震震动动。图4-20所示为矿用电机车的均衡托架，前轴(右轴)上的弹簧托架单独作用，后轴(左轴)上的弹簧托架的一端固定在车架上，另一端用均衡梁2连接，均衡梁2的中点用铰轴安在车架上。均衡梁的作用是：当有一个车轮的负荷增加时(例如轨道局部突起)，能通过均衡梁的作用把负荷分配到另一个车轮上去一部分，以避免一个车轮过载，一个车轮欠载。( (五五) )制动装置制动装置 作用：在运行中迅速减速和停车。 制动装置有机械的和电气的两种，电气制动装置不能使电机车完全停住，因此每台电机车都装有机械制动装置。

20、机械制动装置按操作方式分有手动和气动两种。图4-21所示为电机车机械制动装置图，四个车轮的内侧各装一个闸瓦9(或10)，闸瓦铰接在制动杆7或8上。 图4-21 电机车机械制动装置 1-手轮；2-螺杆；3-衬套；4-螺母；5-均衡杆；6-拉杆； 7、8-制动杆；9、10-闸瓦；11-正反扣调整螺丝 (六)加砂装置 r 作用：向机车车轮前的钢轨上撒砂，以增大粘着系数。r 加砂装置包括有四个砂箱，这四个砂箱由司机室中上、下两个手柄操纵，一个手柄操纵两个砂箱。两个手柄均靠弹簧复位，如图4-22所示。当拉动一个手柄时，手柄臂将拉杆1向左拉，于是摇臂2将拉杆3向上提，锥体4向上与砂箱底之间拉开一条缝，砂子

21、由此缝流出，经出砂导管5落在轨面上。砂箱中装有颗粒不大于1mm的干砂。图4-22 矿用电机车的加砂装置1、3-拉杆；2-摇臂；4-锥体；5-出砂导管；6-弹簧( (七七) )齿轮传动装置齿轮传动装置r 在小型矿用电机车上，用一台牵引电动机通过传动齿轮同时带动两个轴的传动方式。r 在中型矿用电机车上，用两台牵引电动机分别带动两个轴。传动装置为一级齿轮减速。 如图4-23所示，牵引电动机的一侧用抱轴承安在车轴上，另一侧用机壳上的挂耳通过弹簧吊挂在车架上。这种安装方式既能缓和运行中对电动机的冲击和震动，又能保证传动齿轮处于正常啮合状态。 图4-23 矿用电机车的齿轮转动装置(a)单级开式齿轮传动；(

22、b)闭式齿轮减速箱 (八)联接缓冲装置 矿用电机车的前后两端都有联接和缓冲装置。为了能牵引具有不同联接高度的矿车，联接装置一般是做成多层接口的，如图4-16所示。缓冲装置有刚性和弹性两种，蓄电池式电机车用弹性缓冲装置，以减轻对蓄电池的冲击，架线式电机车用刚性缓冲装置。 二、牵引电动机及其控制(一)直流串激电动机的特性 目前矿用电机车都采用直流串激电动机作牵引电动机，与其他激磁方式的直流电动机比较，直流串激电动机的优点优点： (1)串激电动机启动时，能以不大的电流获得较大的启动转矩，因而在要求相同的启动转矩条件下，可采用较小功率的电动机。 (2)串激电动机的转矩和旋转速度随着列车运行阻力及行驶条

23、件而自动地进行调节。 这种特点是由于串激电动机具有软的牵引特性(见图4-24)所决定的。当电机车上坡行驶或负荷较大时，需要较大的牵引力，随着牵引力的增大，电动机的转速会自动地降低。这样，既保证了运行安全，又不致从电网吸取过大的功率。 (3)两台串激电动机并联工作时，负荷分配比较均匀。由于两台电动机特性有差异或前后车轮直径不相等，两台电动机的转速不等，会引起各电动机负荷电流不相同，但由于其牵引特性较软，因而负荷电流差异很小，约在510范围内。这样，可以避免个别电动机在运转中因负荷不均匀而产生严重过负荷现象。 (4)当架空电网的电压变动时，只影响串激电动机的转速，而不影响其转矩。这样，就使得当架空

24、电网的电压降很大时，电机车也能启动。r 牵引电动机的特性：指运行速度v,轮缘牵引力F以及效率与电枢电流之间的关系，即速度特性=f1(I)，牵引力特性F=f2(I)及效率特性=f3(I)，这些特性均用曲线表示。 图4-24及图4-25分别为ZQ-21型及ZQ-24型牵引电动机的特性曲线。r牵引电动机的功率分长时功率和小时功率。 长时功率：指在电机绝缘材料的允许温升条件下电机长时运转时能够输出的最大功率，主要取决于电机的散热能力。 小时功率：指在允许温升条件下，电机连续运转一小时的最大功率，它是牵引电动机的额定功率，它主要取决于电机的绝缘材料和冷却性能的好坏。r 与功率相对应的电流牵引力和转速也有

25、长时制和小时制之分。(二)牵引电动机的启动 1.启动原理 牵引电动机在静止时电枢绕组内没有反电势，而绕组本身电阻又很小，因此，如果在启动时把牵引电动机直接接至全电压电网，则在静止的电动机各绕组中通过的电流很大，会引起绕组很快发热甚至烧毁。此外，还会产生很大的转矩，引起机械部分的损坏。为了限制启动时的电流冲击，并保持一定的电流数值，普遍采用在牵引电动机的电路中串接启动电阻和将两台牵引电动机串并联的方法进行启动。2 2启动方法启动方法(1)串接电阻的启动方法。 若已知允许的启动电流，并测出电动机绕组的电阻值，便可以确定启动电阻值。但是，随着电动机旋转速度的增加，若启动电阻固定不变，则电枢电流将减小

26、，电机车的牵引力也随之减小。为了保持牵引力不变，必须相应地减小启动电阻值。显然，理想的启动应是使启动电阻的数值无级地减小，也就是说要保证每瞬间的启动电流固定不变。但实际上要使启动电阻无级地减小，其控制是比较困难和复杂的。解决这个问题的方法，是将可控硅脉冲技术用在电机车上，以实现无级调速和平稳启动。(2)串并联启动方法。 矿用电机车还采用了两台牵引电动机串并联启动的方法。开始启动时，第一步先将两台电动机串联，并加入启动电阻RP如图4-26所示，然后逐段切除电阻，直至RP=0。第二步是将两台电动机并联，加人适当的电阻Rp。然后逐段切除，直至两台电动机不带电阻并联运行，这时电机车即达到全速运行。(三

27、)牵引电动机的调速1改变电动机的端电压 (1)串联电阻法。电路内串联接人一个电阻，通过改变此电阻的数值来调节电动机的端电压。但是这个方法很不经济，因为在电阻器中将消耗大量的电能，所以电阻器实际上只能作为启动之用，而不应该用来调速。 (2)串并联法。改变两台牵引电动机的联接方式(串并联法)是一种经济的调速方法，但选种调速方法平滑性较差。因为矿用电机车对调速的要求不高，一般正常运行为并联(高速)，过道岔及弯道时为串联(低速)。 (3)可控硅脉冲调速法。在牵引电动机的电路中串联可控硅元件，利用可控硅断续供电改变电动机端电压的平均值，以达到调速的目的。2.改变电动机的磁场强度 单电机小型矿用电机车采用

28、这种方法。 (1)改变激磁绕组的匝数。为了改变激磁绕组的匝数，需要把激磁绕组分为两组，如图4-27(a) ，当两组激磁绕组全部接入主电路时，磁场强度最大，电动机旋转速度最低。当只有一组激磁绕组接入主电路时，由于激磁绕组的匝数减少，因此，磁场被削弱，电动机旋转速度增高。 (2)改变激磁绕组的接线。 改变激磁绕组的连接方式，如图4-27(b)所示。串联时为满磁场，电动机旋转速度最低。激磁绕组并联时将削弱磁场，电动机旋转速度增高。这种方法的优点是经济性和平滑性好。但调速范围有一定的限制。(四)电气制动 矿用电机车的电气制动大多数是采用动力制动，或称能耗制动。 原原理理：根据牵引电动机在一定工作条件下

29、可以转变为发电机运转的可逆性。当牵引电动机转变为发电机工作时，列车的动能转变为电能，这时，电流将转变为相反的方向，使电动机轴上产生制动力。在进行电气制动的过程中，将产生的电能直接消耗在电阻器上。 动力制动的优点：不从电网吸取电能，线路比较简单，同时产生的机械冲击也不大。 缺点：制动过程中，电动机中有电流通过，因此电机绕组的温升要增大，故牵引电动机的功率比不用动力制动者增加1520。此外，采用动力制动不能达到完全停车，还需使用闸瓦制动。r 要实现动力制动必须解决两个问题： 一是制动前后串激磁场中的电流方向不能改变，否则会产生去磁作用而失去制动力；二是在制动时两台电动机均变成串激发电机，其负荷为同

30、一个制动电阻器，相当于两台串激发电机并联运行，而串激发电机的并联运行是不稳定的。 为了解决上述两个问题，必须采用两台电机的激磁绕阻交叉联接线路或交叉一桥式联接线路。目前ZK型架线式电机车的电气制动线路都是采用交叉一桥式联接线路。第五节第五节 列车运行理论列车运行理论列车运行理论是研究作用于列车上的各种力与其运动状态的关系以及机车牵引力和制动力的产生等问题。一、列车运行基本方程式一、列车运行基本方程式 在讨论列车运行基本方程式时，为简化起见，假定电机车与矿车之间、矿车与矿车之间的联接都是刚性的，因而在运动的任何瞬间列车中各部分的速度或加速度都是相同的，把整个列车当做平移运动的刚体看待与实际情况虽

31、有差异，但其结果对应用影响不大。列车运行有以下三种状态： (1)牵引状态，列车在牵引电动机产生的牵引力作用下加速启动或匀速运行； (2)惯性状态，牵引电动机断电后列车靠惯性运行，一般这种状态为减速运行； (3)制动状态，列车在制动闸瓦或牵引电动机产生的制动力矩作用下减速运行或停车。(一)牵引状态的列车运行基本方程式 列车在牵引状态(加速运行)下，沿着运行方向作用在列车上有牵引力F、静阻力Fj、惯性阻力Fa。根据力的平衡原理，列车在牵引状态下的力平衡方程式为： 1.惯性阻力 列车在平移运动的同时，还有电动机的电枢、齿轮以及轮对等部件的旋转运动。为了考虑旋转运动对惯性阻力的影响，用惯性系数来增大平

32、移运动的惯性阻力。(4-1)Question:怎样计算所需要的牵引力？因此，惯性阻力Fa可用下式表示:式中：M为电机车和矿车组的全部质量，m=(P+Q)1000 kg； P为电机车质量；Q为矿车组质量； 为惯性系数； a为列车加速度。 将m值及值代式(42)，得： (4-3)(4-2)2静阻力 列车运行的静阻力包括基本阻力、坡道阻力、弯道阻力、道岔阻力及气流阻力等。对于矿用电机车，由于运行速度低，后三者都不予考虑，只考虑基本阻力和坡道阻力。(1)基本阻力 基本阻力是指轮对的轴颈与轴承间的摩擦阻力、车轮在轨道上的滚动摩擦阻力、轮缘与轨道间的滑动摩擦阻力以及列车在轨道上运行时的冲击震动所引起的附加

33、阻力等。通常基本阻力是经过试验来确定的。 有了阻力系数以后，基本阻力可按下式计算： 式中：F0为基本阻力,N；g为重力加速度，取9.8 ms2；为列车运行阻力系数。 (2)坡道阻力 坡道阻力是列车在坡道上运行时，由于列车重力沿坡道倾斜方向的分力而引起的阻力。(4-4)设为坡道的倾角，则坡道阻力为： 在计算时，如列车为上坡运行，上式右端取“+”号，如为下坡，则取-号。 一般情况下，电机车运行轨道的倾角都很小，因此sintan，而tan=i。式中i为轨道坡度()。 将前面两式代入式(4-5)，即得： (4-5)(4-6) 列车运行的静阻力应为基本阻力和坡道阻力之和，即： 将式(4-3)和式(4-6

34、)代入式(4-1)，便得到牵引电动机所必须产生的牵引力为： 上式就是列车在牵引状态下的运行基本方程式，利用这个方程式可求出在一定条件下机车所必须给出的牵引力，或者根据电机车的牵引力求出列车中的矿车数。(47)(48)知道牵引力怎么算了吗？看看这里的已知条件(二)列车惯性状态的运行方程式 在惯性状态下，电机车牵引电动机断电，牵引力等于零，列车依靠断电前所具有的动能或惯性继续运行。在这种情况下，列车除了受有静阻力Fj外，还受到由于减速度所产生的惯性阻力Fa。 Fa与列车运行方向相同，正是它使列车继续运行。惯性状态时列车力的平衡方程式为： (4-9)question？怎样求此时的减速度？ 或 （4-

35、10） （4-11） 由此可见，当列车运行阻力系数一定时，惯性状态的减速度取决于轨道坡度的大小和上下坡。上坡时减速度始终保持正值，直到停车为止。下坡时，如i，则变为负值，此时不再是减速而是加速运行了。可见，惯性状态是很不可靠的，操作时应予以特别注意。（三）制动状态的运行方程式 在制动状态下，牵引电动机断电，牵引力等于零，并利用机械或电气制动装置施加一个制动力B。这个制动力与列车运行方向相反，在力的平衡方程式中应为负值，与静阻力的性质和方向一致。在制动力和静阻力作用下，列车必定产生减速度。此时，惯性阻力Fa却与运行方向一致，即为正值。则制动状态下的力平衡方程式应为： （412）question:

36、怎样求制动力呢？所以 式中，Fa应代以减速时的惯性阻力，b表示制动时的减速度，则： 将式(4-7)及式(4-14)代入式(4-13)，即可得到制动状态下列车运行方程式为： (415) 利用式(4-15)可以求出在一定条件下制动装置必须产生的制动力；或者给定制动力，求出减速度及制动距离。（413）（414）二、电机车的牵引力 如图4-28所示，主动轮对受到牵引电动机传来的转矩M，转矩M对整个电机车而言属于内力，它不能使电机车运动。 主动轮对还受到下面几个力的作用： (1)电机车分配在一个主动轮对上的那部分重力P0g，它通过中心c作用在轮对上； (2)轨面对轮对的法向反力No，它作用于O点，与P0

37、g在一条直线上；问：转矩怎样变成牵引力的？ (3)由于M的作用，轮对将有绕中心c作顺时针方向旋转的趋势，而轮缘上的同轨面接触的那一点O，相对于轨面来说，有向左滑动的趋势，因此在轮缘上的。点受到轨面所给的切向摩擦反力F0，其方向是向右的； (4)由于摩擦阻力FO的作用，使轮缘上同钢轨接触的那一点O不会在轨面上向左滑动。理想情况下，整个轮对将以O点为瞬时中心向前滚动，即轮对作纯滚动运动。而轮对中心c点则作向前的平移运动。此时，列车的一部分运行阻力将通过电机车的联接器、车架及轴箱作用在轮对的中心c点，这就是图中的Fc。根据平衡条件得： 式中：R为主动轮对轮缘半径。 解上面的方程组，得到： (4-16

38、) (4-17)r 由上述分析可以看出，主动轮对得到一个转矩M以后轨面对接触点o产生了一个摩擦反力F0，它的方向与列车运行方向相同。正是这个摩擦反力F0克服了列车的运行阻力FC而使列车向前作平移运动。对于电机车来说，F0是牵引列车向前运动的外力，称为牵引力或轮缘牵引力。r F0与FC因大小相等方向相反，且作用在两条平行线上，形成一对力偶。该力偶与转矩M大小相等而方向相反，使转矩M得以平衡，从而使轮缘上的o点不致于沿轨面滑动。这样，就使轮与轨面互相接触的那一点好像粘着在一起一样，所以F0称为粘着力。为什么叫粘着力？ 由式(4-17)可知，当列车运行阻力增加时，必然引起转矩M的增加，也就是说牵引电

39、动机必须给出更大的转矩。同时，轮缘牵引力也必须同时增大，以平衡列车运行阻力使列车向前运动。 但是，无论是电动机的输出转矩，还是粘着力都不能无限制地增大。电动机输出的牵引力(由转矩转换成的轮缘牵引力)受到电动机的温升条件限制。电动机的转矩和粘着力各受什么限制？粘着力，它本质上是摩擦力，受到摩擦条件或者叫做粘着条件的限制。单个主动轮对能够产生的最大轮缘牵引力为： 式中；P0为粘着质量，即电机车分配在该主动轮对上的一部分质量，t；g为重力加速度，取s2；为粘着系数。r为了使主动轮对的轮缘上同轨面的接触点在轨面不发生相对滑动，该主动轮对产生的轮缘牵引力F0应满足： 这就是单个轮对的粘着条件。 以上分析

40、是就一个主动轮对而言的，对于整台电机车，能够产生的最大轮缘牵引力为： 式中：Pn为机车的粘着质量，t，若电机车的全部轮对均为主动轮，则其粘着质量等于电机车的总质量。整台电机车的粘着条件是： 式中：F为电机车为克服列车运行阻力所必须提供的牵引力，由式(4-8)根据不同运行状态求出。 公式中关键的参数是粘着系数。在理想状态下，也就是在车轮沿轨道作纯滚动运动的情况下，粘着系数应为静摩擦因数。（421）三、制动力 闸瓦制动器的结构如前所述，制动运行时，作用在机车上的力有惯性力，静阻力和制动力。 如图4-29所示，用一个制动轮对来说明制动力的产生。P0g为制动轮对所分配的电机车重力；N0为轨面对轮对的法

41、向反力，显然，P0g = N0。当闸瓦施以正压力N1(作用在轮缘的均布力，以集中力代之)时，轮缘即产生切向滑动摩擦力T0，其方向与车轮旋转方向相反。世界上第一台防抱死制动系统 ABS(Anti-lock Brake System), 在 1950 年问世，首先被应用在航空领域的飞机上， 1968 年开始研究在汽车上应用。 70 年代，由于欧美七国生产的新型轿车的前轮或前后轮开始采用盘式制动器，促使了 ABS 在汽车上的应用。 1980 年后，电脑控制的 ABS 逐渐在欧洲、美国及亚洲日本的汽车上迅速扩大。到目前为止，一些中高级豪华轿车，如西德的奔驰、宝马、雅迪、保时捷、欧宝等系列，英国的劳斯来

42、斯、捷达、路华、宾利等系列，意大利的法拉利、的爱快、领先、快意等系列，法国的波尔舍系列，美国福特的 TX3 、 30X 、红慧星及克莱斯勒的帝王、纽约豪客、男爵、道奇、顺风等系列，日本的思域，凌志、豪华本田、奔跃、俊朗、淑女 300Z 等系列，均采用了先进的 ABS 。到 1993 年，美国在轿车上安装 ABS 已达 46% ，现今在世界各国生产的轿车中有近 75% 的轿车应用 ABS 。question:何谓ABS？轮缘即产生切向滑动摩擦力T0式中： 为制动闸瓦与轮缘问的滑动摩擦因数，取决于闸瓦衬垫的材料、运行速度及闸瓦比压； 在T0的作用下。车轮受到一个逆时针方向的转矩。在这一转矩作用下，

43、车轮轮缘上同轨面的接触点O有沿轨面向前滑动的趋势。因而轨面对轮缘将产生一个切向静摩擦力B0，它的方向与车轮旋转方向相同，根据转矩平衡条件B0R-T0R=O得出：(4-22)(4-23) 由此可见，B0就是电机车一个制动轮所产生的制动力。在B0和静阻力Fj的作用下，轮对即列车减速运行，减速度为b，因而产生制动的惯性力随Fa、B0及Fj一起与Fa正好平衡。 当T0增大时B0相应地增大，因而减速度也增加，使列车能较快地制动住。 然而，制动力B0受粘着条件的限制。一个制动轮对能够产生的最大制动力为：(4-24)整台电机车能够产生的最大制动力为：式中：P0为一个制动轮对的制动质量，t； Pz为整台电机车

44、的制动质量，t；对于全部轮对均装有制动闸的电机车，此质量即为电机车总质量，即Pz=P； 为制动状态的粘着系数。 在理想状况下，即在制动车轮保持纯滚动的情况下，制动状态的粘着系数值应为静摩擦因数值。(4-25) 然而，对于电机车的四个车轮来说，有的做纯滚动，有的既滚动又滑动。因此，制动状态的粘着系数值介于静摩擦因数值与滑动摩擦因数值之间。 如果闸瓦的压力N1继续增加，以致使整个电机车的制动力超过式(4-25)的数值，即把车轮抱死时，则制动车轮轮缘。点将沿轨面向前滑动。这时，制动力约减少一半，制动减速度大大降低，制动距离却增大了。 因此，闸瓦压力不能过大，台理的闸瓦压力应使制动力为 ： 如果闸瓦最

45、大总压力为Nmax，总摩擦力为Tmax，对于整台电机车来说，式(4-22)可以变为： 对整台电机车来说，由式(4-23)可得到：(4-26)(4-28)(4-27) 把式(4-25)及式(4-27)代入式(4-28)，可求得： 或 式中：为闸压系数。 考虑到对于铸铁闸瓦，故，为了保证车轮不被包死，闸压系数值不应超过。(4-30)(4-29)B=NB=Nv滑ABS的意义在这里第六节第六节 电机车运输计算电机车运输计算一、原始数据 电机车运输计算的原始数据是：设计生产率、加权平均运输距离和线路平均坡度等。 二、选择电机车的粘着质量 选择电机车的粘着质量是一个技术经济问题，这个问题涉及到许多因素，其

46、中最重要的因素是矿井年产量。年产量大，就要加大电机车的粘着质量和矿车中的货载质量。i1，l1i2，l2i3，l3ip = (i1l1+i2l2+i3l3) / (l1+l2+l3)线路平均坡度？三、列车组成的计算 计算列车组成就是确定车组应由多少辆矿车组成。 列车组成的计算按三个条件来进行，这三个条件是：电机车的粘着质量；牵引电动机的允许温升；列车的制动条件。按这三个条件计算的结果取其最小者。（黑板） (一)按电机车的粘着质量计算重车组质量 按此条件计算时需要考虑到最困难的情况，即电机车牵引重车组沿上坡启动。 根据式(4-8)可得电机车牵引重车组沿平均坡度的直线轨道上城启动时所需给出的牵引力为

47、： 另外，根据电机车的粘着条件，即把式(4-33)代入式(4-21)之后得到：所以： （4-34）(4-33)粘着质量够不够大？(二)按牵引电动机温升条件计算重车组质量 按电动机的温升条件，实质上就是按照电动机的等值电流不超过长时电流的条件。直流串激电动机由于磁饱和的关系，正常工作时牵引力和电流是成正比的，即其比例关系是一条直线，只是在低负荷时才呈抛物线状。因此，可以按等值牵引力不超过长时牵引力的条件确定重车组质量。 等值牵引力可以用均方根法来求得。即： （4-35） 为了使计算进一步简化，假定列车是在理想的等阻坡度上运行。在等阻坡度上运行，重列车下坡时的运行阻力等于空列车上坡时的运行阻力。虽

48、然这个假定与实际情况有出入，但由于一般平均坡度与等阻坡度比较接近，所以计算还是比较准确的。 因有这个假定，故上式中重列车与空列车牵引力相等，即： （4-36）将式(4-36)代入式(4-35)，即得： 因 令则式(4-37)为：（4-40）（4-38）（4-39）（4-37） 而：将式(4-41)代入式(4-40）中即得： 为了使牵引电动机温升不超过允许温升，电机车的等值牵引力应不大于长时牵引力，即： （4-41）（4-42）（4-43） 将式(4-43)代入式(4-42)中，即得按牵引电动机温升条件计算的重车组质量为：列车运行时间为： （4-44）（4-45）(三)按制动条件计算重车组质量

49、为了安全起见，煤矿安全规程规定：运送物料时列车的制动距离不得超过40m，运送人员时不得超过20m。这个距离是根据电机车照明灯的有效照射距离来制定的。制动距离是指从司机开始拨动闸轮或电闸手把到机车完全停止的距离。 在计算重车组质量时必须遵守这一规定，并应按最不利的情况，即按重列车下坡制动时的情况来计算。 列车开始制动时的速度为长时速度vch，则制动时的减速度b为： 由式(4-15)可以求得当重列车沿直线轨道下坡制动时电机车的制动力为：式中：iz为平均坡度，； z为重列车运行阻力系数。 （4-46）（4-47）将式(4-26)代入上式得： 由上式得出按制动条件计算重车组质量的公式为：式中：Pz为电

50、机车的制动质量，对于矿用电机车，它等于电机车的全部质量P，t； 为制动时的粘着系数，如撒砂时取。 （4-48）上面按三个不同条件推导出计算重车组质量的三个公式，即式(4-34)、式(4-44)及式(4-48)。在多数情况下，按制动条件求得的重车组质量小于按其他两条件求得的。在这种情况下，为了不因减少车组质量而使每列车中矿车数过少，可以采用这样的办法；在重列车下坡时两台牵引电动机由并联改为串联运行，使牵引电动机电压降低一半以降低运行速度；或者每隔一定时间切断电源，以改善制动条件。 按上述三个条件分别求出重车组质量之后，应取三者中之最小者来确定车组中的矿车数。车组中的矿车数可由下式求得：z 应当指

51、出，由以上方法确定的车组中的矿车数，仅仅是从电机车牵引的技术可能性出发的，最有利的矿车数还要以实际条件和技术经济比较作为基础。 （4-49）四、列车组成的验算 按上述方法确定了重车组质量后，还要验算实际的电动机的温升和列车制动距离。r 原因是：按温升条件计算重车组质量时，是按等阻坡度，并以加权平均运输距离为条件计算的；按制动条件计算重车组质量时，是用电机车的长时速度计算的减速度。 需要按在平均坡度且在最长距离运行时，验算其等值电流是否超过长时电流。并且按实际运行速度和实际所得到的减速度验算其制动距离是否符合煤矿安全规程规定。 (一)验算实际电动机温升p按平均坡度ip及最长运输距离Lmax来验算

52、。 首先，计算出牵引重列车和空列车达到全速稳态时电机车的牵引力： 然后再算出每台牵引电动机的牵引力：重列车及空列车以其平均运行速度在最长运输距离上的运行时间为：这时，便可用以下公式计算一个运输循环的牵引电动机的等值电流值： （4-50） 如果电动机的等值电流值不超过它的长时电流值，即： 则电动机的等值电流不会发热到超过它的允许温升，故合适。 如果IdIch，则需减少车组中的矿车数，并重新进行计算，直到等值电流不超过长时电流为止。（4-51）(二)验算制动距离r 按重列车运行速度及最大制动减速度验算制动距离。 重列车下坡制动时，电机车必须给出的制动力可由式(4-47)求出，即： 而电机车接粘着条

53、件能够给出的最大制动力可按式(4-26)求出，即：（4-52） 令B = Bmax，则可求得制动时的减速度为：列车的制动距离为： 即：（4-53）（4-54）（4-55） 上式计算出的制动距离不能超过40m，若超过40m时，可采用限制列车速度或减少列车中的矿车数等措施解决。五、电机车台数的确定 矿井(或水平)所需电机车台数，应按该矿井(或水平)投产初期和生产后期分别进行计算。投产时按前期计算的台数配置电机车台数，以后随生产的发展再陆续增添。生产后期所需的机车台数是进行供电设备(包括牵引变流所及牵引电瓶等)计算的依据。 (1)列车往返一次所需的时间： (2)一台电机车在一个班内可能往返的次数：(

54、3)每班运输货载所需列车次数： （4-55）（4-56）（4-57）(4)每班运人所需列车次数 当主要行人平巷的水平距离大于1.5 km时，上下班要用车辆运送人员，矿井一般均为两翼开采，两翼每班运送人员按一次考虑，共计两次nr=2次班；运距小于1.5 km时，不用车辆运送人员nr=0。(5)每班列车运输的总次数：(6)工作电机车台数：（4-58）（4-59）(7)矿井电机车总台数： （4-60）六、蓄电池式电机车的计算特点 除按粘着条件、电动机温升条件及制动条件确定车组质量外，对蓄电池式电机车还应按电池组的容量来确定车组质量。(1)在一个往返周期内列车所做的功为： （4-61）式中：Lm为最大运输距离。(2)蓄电池组在一个往返周期内输出的能量：（4-62）重、空列车牵引力之和可以写成：矿车的车皮系数为：由此可得： （4-63）（4-64）（4-65）(3)一台电机车在一个班内的电能消耗为：(4)蓄电池组的放电容量为：（4-66）（4-67）(5)计算重车组质量 因为一台电机车在一个班内的电能消耗Ab必须与蓄电池组的放电容量如相等，对Qz求解，可得： 此式即是接蓄电池组的容量确定重车组的最大允许质量的公式。 （4-68）