电力牵引与控制第1章-电牵引原理

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1、电力牵引与控制第1章电牵引原理1.1牵引基础轨道交通工具都依赖车轮和钢轨之间的相互作用从而使车辆运行的。因此，车轮和钢轨之间的相互作用的理论是轨道交通牵引的基本理论，也是区别于其他种类运输方式的基本特点牵引基础的主要内容是动车的牵引特性、调速和制动原理、牵引运用的特点、动车牵引的运动规律、牵引计算及所有对牵引特性有影响的应用技术。1牵引力和制动力的形成牵引力是使列车产生前进运动的外力，其方向与运动方向相同；制动力是阻碍列车运动的外力，其方向与运动方向相反；阻力是列车运动中外界环境对车轮或车辆产生的阻碍其运动的

2、力，其方向与运动方向相反；根据物理学原理，滚动运动可以看出是一个转动和一个平动的合成。于是一方面轮对绕圆心O转动，一方面轮对按前进方向平动，于是轮对向前运行，也就是车轮前进方向运行；C点为瞬时中心点C点相对静止——转动和平动；fi＝Fi’——C点相对静止；把产生相对静止点C的现象称为粘着（adhesion），而fi＝Fi’则是产生粘着的条件；Fi的产生是由于fi平衡了Fi’，因此钢轨对轮轨的作用力fi就是使车辆运行的外力，即牵引力。粘着如果fi不能完全平衡Fi’，即Fi’>fi，二者的差值Δf＝Fi’－fi将

3、使轮对加速旋转，我们称这种粘着失去的现象为空转；在制动过程中，我们把粘着失去的现象称为滑行；现代对轮轨间相互作用传力机制的研究表明，粘着现象只反映轮对在钢轨上做滚动，作用力fi的产生是由于轮轨间的微量滑动所产生的，即所谓的蠕滑，因此将其称作为蠕滑力。2粘着系数为了描述由粘着产生牵引力的这个现象，我们定义了一个参量，粘着系数µ，用以表示在一定的轴重下，动轮对所能获得轮周牵引力的大小。即µ＝Fi/P，式中P是轮对的轴重，Fi为由粘着产生的牵引力或者说是由轮轨关系产生的蠕滑力。最大粘着系数umax瞬时粘着系数µ由于

4、影响轮轨间关系的因素较多，因此粘着系数是一个多元变量的函数，尽管目前还不能用一个数学表达式来表示这个函数关系；μ＝（p,k,m,σ）其中：p表示轮对对钢轨的正压力即法向压力；k表示静摩擦系数；m表示轮轨间接触面的长轴与短轴的比值；σ表示轮轨材料弹性系数。滑动区粘着区轮轨接触面示意图影响粘着系数的设计因素：（1）轴重和轨径的影响（2）轮对和钢轨材值的影响（3）轮轨间的摩擦系数（4）机车走行部的动力学性能列车运行中主要影响粘着系数的被动因素环境因素主要指气候和钢轨表面污染的影响；运用因素驾驶人员的操作方法、速度、

5、加速度、线路的特性等；粘着系数µ并不是轮轨间传力关系的表述，只是客观上轮轨间所能传递的牵引力大小的表征，任何引起牵引力变化的现象都可以表示为粘着系数µ的变化，所以粘着系数µ是电力牵引控制系统的一个重要参量。3粘着与电牵引系统电牵引系统的根本目的是通过牵引电动机产生使列车前进的动力―牵引力，而牵引力的产生则取决于轮轨间的接触传力机制；电牵引系统与提高车辆的粘着系数umax无关，但与实际应用中的平均粘着系数up有关。电牵引系统通过控制手段可以提高应用粘着系数，提高列车的平均牵引力。粘着控制使动轮对在各种不同的条件

6、下都能充分发挥其应用的牵引力，即充分利用粘着；能在工作点失去之后尽可能快地重新确定新的稳定运行工作点；严重空转的后果1.2．轮轨滚动接触理论轮轨滚动接触理论是研究列车运动时，轮轨相对运动状态和接触斑上作用力的关系，是轮轨关系研究的基础；从轮轨滚动接触理论我们可以了解轮轨之间是如何传力的；在一定的条件下轮轨之间能传递多大的力；轮轨之间粘着的产生及失去；轮轨之间滑动的界定、粘着与牵引力的关系等，为牵引控制系统的牵引力控制提供了理论依据和系统评价的衡量标准。1．轮轨接触理论的发展回顾轮轨接触式载运工具的摩擦传力（粘

7、着）机制一直使用的是库仑定律和赫兹理论。在滚动接触研究中首次涉及蠕滑概念的是英国人卡特（CarterF.W.）应用弹性理论求解二维弹性体滚动接触问题，给出了接触斑中粘着区和滑动区的划分，指出车轮在钢轨上运动时，车轮不是作纯滚动，而是包含了微小的滑动Carter之后的20多年，Carter的理论没有充分地开拓20世纪50-60年代，物理界和铁路界研究开始结合剑桥大学的约翰逊（JohnsonK.L）教授是第一个将自旋概念引入滚动接触研究的学者；轮轨蠕滑理论研究方面做出最大贡献的是荷兰德尔夫特（Delft）理工大学

8、的KalkerJ.J教授在粘着面内没有滑动；在滑动面积内有μZ的切向牵引力；在滑动面积内，牵引与滑动之间通常保持一个角度；1972年Kalker提出了简化理论，引入表面污染层的弹性参数，缩短了计算时间1979年Kalker针对机车车辆接触的特定条件发表了《Surveyofwheel-railcontacttheory》，把轮轨位移和牵引力之间的关系与运用于特定条件的基本构成关系联系起来DUVOROL