牵引理论基础

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1、第一章牵引理论基础第一节粘着、牵引与制动一、动轮与钢轨间的粘着目前，绝大多数城市轨道交通车辆属于钢轮钢轨式，运行的任何一种工况，都依赖于车轮和钢轨的相互作用力。在钢轮钢轨式城市轨道交通车辆中，牵引动力山牵引电动机通过传动机构，传递给动车的动力伦对（动轮），由不轮和钢轨的相互作用，产生使车辆运动的反作用力。根据物理学屮关于摩擦的概念，轮轨之间的切向作用力就是静摩擦力。最人静摩擦力是钢轨对车伦的反作用力的法向分力与静摩擦系数的乘积。但实际上，动轮与钢轨I'可切向作用力的最人值比物理学上的最大静摩擦力要小一些，情况也更复杂一些。在分析轨道车辆的轮轨相互作用吋,通常引

2、入两个十分重要的概念：“粘着”和“蠕滑”。（一）粘着图IT动轮对受力分折图1-1为动车以速度口在平直线路上运行时一个动轮对的受力悄况（忽略内部各种摩擦阻力）。为了更清楚地表示，图中将接触的动轮与钢轨稍稍分开画出。Pi为一个动轮对作用在钢轨上的正压力，乂称为轮对■的轴重。牵引电动机作用在动轮上的驱动转矩Mi,可以用一对力形成的力偶代替。力Fi7和Fi分别作用在轮轴中心的0点和轮轨接触处的0点，其大小为Fi=Fiz=Mi/Ri,Ri为动轮半径。在正压力Pi的作用下，车轮和钢轨的接触部分紧压在一起。切向力Fi使车轮上的（/点具冇向左运动的趋势，并通过0,点作用在钢

3、轨上。fi，表示车轮作用在钢轨上的力，其值f#Fi。由于轮轨接触处存在着摩擦，车轮上O点向左运动的趋势将引起向右的静摩擦力fi,即钢轨对车伦的反作用力,其值fi=fr称为轮周牵引力。因此，车轮上的C点受到两个相反方向的力Fi和fi的作用而且f=Fi（1-1）所以，0,点保持相对静止，轮轨之间没有相对滑动，在力Fi，的作用卜动轮对作纯滚动运动。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”•粘着状态下的静摩擦丿〃i又称为粘着力。轮轨间的粘着与静力学中的静摩擦的物理性质十分和似。驱动转矩Mi产牛的切向力Fi增大时,粘着力彳随之增大,并保持与Fi相等。

4、当切向力Fi增大到某一数值时,粘着力穴达到最大值。此后切向力Fi如再继续增大，力反而迅速减小。试验证明，粘着力力最大值/max与动轮对的正压力Pi成正比，其比例常数称为粘着系数，用口表示。即/max*Pi（1-2）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著系数的大小决定。当伦轨间出现最大粘着力时，若继续加大驱动转矩，一旦切向力Fi大于最大粘着力，动伦V拉伸压缩■IIIIIIIIIIIis拉伸滑动区图1-2牵引工况轮轨接触处的弹性变形上的0,将向左移动，轮轨间出现相对滑动，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

5、钢轨对动轮的反作用力由静摩擦力变为滑动摩擦力，其值迅速减小；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彖，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，传递切向力的能力人人削弱，同时造成动伦踏而和轨而的擦伤。因此牵引力应尽量防止出现动轮的空转。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乍辆，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。（二）蠕ru滑分析牵引工况轮轨

6、接触处的弹性变形（图1・2）,可以进一步深化对粘着的认识。在动轮正压力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，形成椭圆形的接触面。从微观上看,两接触面是粗糙不平的。由于切向力Fi的作用，动轮在钢轨上滚动吋，车轮和钢轨的粗糙接触而产生新弹性变形接触Ifti间出现微虽滑动,即“蠕滑”。蠕滑的产牛是由于在车轮接触面的前部产生压缩，后部产生拉伸；而在钢轨接触而的前部产生拉仲，后部产生压缩。车轮上被压缩的金加，在接触表面的前部与钢轨被拉伸的金属和接触o随着动轮的滚动，车轮上原来被压缩的金属陆续放松，并被拉伸，而钢轨上原来被拉伸的金属陆续被压缩，因而在接触面的后部出现滑动。轮轨

7、接触面存在两种不同状态：接触面的前部，轮轨间没有相对滑动，称为滚动区，在图1-2中用阴影线表示;接触面的后部轮轨间有相对滑动，称为滑动区。这两个区域的大小随切向力的变化而变化。当切向力增人时，滑动区面积增大，滚动区而积减小。当切向力增大超过一定程度时，滚动区面积为零，整个接触面间出现相对滑动，轮轨向的粘着被破坏，即出现空转。蠕滑是滚动体的正常滑动。动轮在滚动过程中必然会产生蠕滑现彖。伴随着蠕滑产生静摩擦力伦轨之间才能传递切向力。由于蠕滑的存在，牵引时动伦的滑动圆周速度将比其前进速度高。这两种速度的差称为蠕滑速度，用蠕滑率。表示蠕滑人小。wRi—v(1-3)式中

8、V—动轮的前进速度;3—动轮转动的角速