《选线设计》第2章-牵引计算ppt课件.ppt 60页

选线设计第二章牵引计算土木工程学院岳建平 牵引计算学习要求了解作用在列车上的力和运动方程式；熟悉单位合力曲线图及其应用运行速度与运行时分计算方法重点掌握牵引质量计算与检算方法 牵引计算牵引计算的研究内容研究列车在各种外力的作用下，一系列与行车有关的实际问题，包括列车运行速度和时间牵引质量机车（动车）能耗列车制动距离等问题的计算与解算牵引计算的研究依据力学为基础科学实验运营实践 作用在列车上的力牵引力列车运行阻力列车制动力。 牵引力定义牵引力是与列车运行方向相同并可由司机根据需要调节的外力牵引力的形成F是依靠轮轨间的黏着产生的由钢轨作用于动轮轮周上的反作用力。F1＝F2＝M/R 牵引力牵引力的形成机车（动车）牵引力由钢轨作用于动轮轮周上的切向外力之和，称为轮周牵引力，简称机车（动车）牵引力车钩牵引力（挽钩牵引力）：指机车(动车)用来牵引列车的牵引力，其值等于轮周牵引力减去机车（或动车）全部运行阻力。《牵引计算规程》规定牵引计算中的牵引力F均按动轮轮周牵引力计算。在货物列车牵引质量计算中需要检查车钩牵引力。 牵引力牵引力的形成轮周牵引力机车（动车）重力使动轮黏着于钢轨上而产生的作用于动轮轮周上的外力之和，称为轮周牵引力，简称牵引力我国《牵引计算规程》规定：牵引计算中的机车（动车）牵引力F均按动轮轮周牵引力计算。在货物列车牵引质量计算中需要检查车钩牵引力。车钩牵引力（挽钩牵引力）：指机车用来牵引列车的牵引力，其值等于轮周牵引力减去机车全部运行阻力。 牵引力黏着牵引力限制F≤Fmax=Fμ（N）Fμ——机车（动车组）黏着牵引力Fμ=1000×Pμ×g×μjPμ——机车（动车组）黏着质量(t);g——重力加速度，(9.81m/s2或近似取10m/s2)V——行车速度(km/h)μj——机车（动车组）计算黏着系数 牵引力粘着牵引力限制计算黏着系数国产各型电力机车国产各型内燃机车高速动车组日本（干轨）（湿轨）德国（干轨）（湿轨） 牵引力电力机车牵引性能曲线机车轮周牵引力与运行速度相互关系曲线，通常由试验得到。粘着牵引力：由黏着限制条件计算电动机牵引力：图中1、2、…8-Ⅰ、8-Ⅱ、8-Ⅲ等曲线。表示电力机车牵引电动机功率所决定的牵引力电动机允许电流限制的牵引力——图中AB斜线，表示受电机持续电流发热条件限制的牵引力；持续电流：电机长期运转不致使电机发热温度超过允许值的电流。 牵引力电力机车牵引性能曲线牵引力取值及有关参数《牵规》规定：（沿着性能图上所能实现的外特性取值）电力机车牵引力取持续制，韶山3型机车自起动至机车构造速度，牵引力分别取粘着牵引力（CD段）、电动机牵引力（DA段、BE段）和电动机持续电流限制的牵引力（AB段）。最低计算速度与最大牵引力：电机持续电流限制的牵引力曲线的上限与电动机牵引力曲线的交点A点所对应的速度与牵引力称为最低计算速度Vmin与最大计算牵引力Fmax。起动牵引力：取速度为零时的粘着牵引力为起动牵引力，用于校验计算的牵引重量能否在车站启动而使用的牵引力。机车质量P、机车长度LJ，表1-1 牵引力参数机型VJmin(km/h)FJmax(kN)Fq(kN)P、P(t)Vg(km/h)LJ(m)韶山143.0301.2487.31389520.4韶山348.0317.847013810021.7韶山451.5431.6649.829210032.8韶山748.0353.3487.313810022.0韶山899.7127.0230.08817717.5电力机车牵引性能参数表 牵引力高速动车组牵引特性曲线CRH1动车组特性曲线 列车运行阻力定义作用于列车上的阻止列车运行且不能由司机控制的外力，总阻力以W(N)表示，单位质量上所受阻力，称单位阻力，用w0（N/kN）表示。构成阻力基本阻力w0：列车在空旷地段沿平直轨道运行时所遇到的阻力；附加阻力：列车在线路上运行所受到的额外阻力，包括坡道阻力wi、曲线阻力wr、隧道阻力ws。起动阻力wq：列车起动时的阻力。 列车运行阻力基本阻力构成基本阻力的的因素轴颈与轴承间的摩擦阻力；车轮与钢轨的滚动摩擦阻力车轮在钢轨上的滑动摩擦阻力轨道不平顺与车轮踏面擦伤等引起的冲击和振动阻力空气阻力计算公式基本阻力值通过试验获取，并用单位基本阻力w0表示试验公式：w0=a+bV+cV2基本阻力的实验条件：速度不小于10km/h,温度不低于-10°C,风速不大于5m/s； 基本阻力机车单位基本阻力韶山1、韶山3、韶山4采用公式w0’＝2.25＋0.0190V＋0.000320V2（N/kN）韶山7w0’＝1.40＋0.0038V＋0.000348V2韶山8w0’＝1.02＋0.0035V＋0.000426V2东风4、东风4B、东风4C、东风7D：w0’＝2.28＋0.0293V＋0.000178V2（N/kN）东风8w0’＝2.40＋0.0022V＋0.000391V2（N/kN）东风11w0’＝0.86＋0.0054V＋0.000218V2（N/kN） 基本阻力车辆单位基本阻力客车V≤120km/h时，21、22型w0″＝1.66＋0.0075V＋0.000155V2（N/kN）V≤140km/h时，25B、25G型w0″＝1.82＋0.010V＋0.000145V2（N/kN）V≤160km/h时，快速单层客车w0″＝1.61＋0.004V＋0.000187V2（N/kN）快速双层客车w0″＝1.24＋0.0035V＋0.000157V2（N/kN） 基本阻力车辆单位基本阻力货车重车：滚动轴承w0″＝0.92＋0.0048V＋0.000125V2（N/kN）滑动轴承w0″＝1.07＋0.0011V＋0.000236V2（N/kN）空车：w0″＝2.23＋0.0053V＋0.000675V2（N/kN） 基本阻力高速动车组的基本阻力CRH2：w0″＝1.12＋0.00542V＋0.000146V2（N/kN）CRH2：w0″＝0.88＋0.00744V＋0.000114V2（N/kN）CRH3：w0″＝0.66＋0.00245V＋0.000132V2（N/kN）CRH5：w0″＝0.69＋0.0063V＋0.00015V2（N/kN） 基本阻力列车基本阻力与列车平均单位基本阻力列车基本阻力列车平均单位基本阻力w0W0=W0’+W0”=（Pw0’+Gw0”）×g(N)式中，P、G分别为机车质量、车辆质量(t)w0=W0/[（P+G）×g]=（Pw0’+Gw0”）/（P+G）(N/kN) 列车运行阻力附加阻力坡道附加阻力曲线附加阻力隧道空气附加阻力 附加阻力坡道附加阻力定义列车在坡道上运行时,其重力在平行与轨道方向产生的分力坡道附加阻力的方向列车上坡时，坡道附加阻力方向与列车运行方向相反，阻力是正值；列车下坡时，坡道附加阻力与列车运行方向相同，阻力是负值。 坡道附加阻力坡道附加阻力的计算F2=M×g×sinα（kN)i--坡度值(‰);上坡为正,下坡为负.令sinα≈tanα,并将M的单位换算为kg，得：F2=1000M×g×tanα（N)因为：i=(h/l)×1000=1000×tanα,即tanα=i/1000故总的坡道阻力为：Wi=F2=M×g×i（N)单位坡道阻力为：wi=(M×g×i)/（M×g）=i（N/kN)例如：线路设计坡度为4‰,则wi=i=4（N/kN)附加阻力 附加阻力曲线附加阻力含义列车在曲线上运行比在直线上运行的阻力大，增大的部分称为曲线附加阻力引起曲线附加阻力的因素1）轮轨间的纵向和横向滑动；2）轮缘与钢轨内侧面的摩擦增加；3）由于侧向力的作用，上、下心盘之间以及轴承有关部分摩擦加剧； 附加阻力曲线附加阻力计算式试验公式导出公式600货物列车：wr=——(N/kN)R10.5α货物列车：wr=———(N/kN)LY2000高速旅客列车：wr=——(N/kN)R34.9α高速旅客列车：wr=———(N/kN)LY 附加阻力曲线附加阻力货物列车平均单位曲线附加阻力计算LL≤LYLL>LY,列车位于n个曲线上: 附加阻力隧道空气附加阻力计算式 附加阻力附加阻力换算坡度(当量坡度）与加算坡度附加阻力换算坡度(当量坡度）附加阻力换算坡度加算坡度曲线附加阻力换算坡度为:ir=wr(‰)ij=i+ir+is(‰)隧道附加阻力换算坡度为:is=ws(‰)对应的加算阻力为:wj=wi+wr+ws(N/kN) 列车运行阻力列车平均单位阻力w=w0+wj=(P×w0’+G×w0”)/(P+G)+wi+wr+ws(N/kN) 列车运行阻力列车平均单位阻力例题客货共线铁路，韶山3型电力机车，机车质量P=138t，牵引质量为2620t，列车长度为500m，车辆均为滚动轴承货车；列车在9‰的上坡道上运行，运行速度为70km/h；求列车处于下列平曲线地段的列车平均单位阻力：1）曲线资料：R=1000m，α=30°；LY=523.6m2）曲线资料：R=600m，α=26°；LY=272.27m解：1、计算列车平均单位基本阻力1）韶山3型机车单位基本阻力：w0’=2.25+0.019V+0.00032V2=2.25+0.019×70+0.00032×702=5.148(N/kN) 列车运行阻力列车平均单位阻力例题：解：1、计算列车平均单位基本阻力2)计算车辆单位基本阻力3)计算列车平均单位基本阻力2.加算阻力由于线路上有坡道和曲线，所以应计算相应的坡道附加阻力和曲线附加阻力滚动轴承：w0”=0.92+0.0048V+0.000125V2=0.92+0.0048×70+0.000125×702=1.8685(N/kN)w0=W0/（P+G）=（Pw0’+Gw0”）/（P+G）=(138×5.148+2620×1.8685)/(138+2620)=2.033(N/kN) 列车运行阻力列车平均单位阻力例题：2.加算阻力1）单位坡道阻力为：wi=i=9（N/kN)2）单位曲线阻力为：（1）曲线1）：由于曲线长度LY=523.6m>列车长度LL=500m，则：wr1=(600/R)=(600/1000)=0.589(N/kN)（2）曲线2）：由于曲线长度LY=272.27m<列车长度LL=500m，则：wr2=10.5α/LL=10.5×26/500=0.536(N/kN)3.列车平均单位阻力曲线1):w=w0+wi+wr1=1.994+8.829+0.589=11.412（N/kN)曲线2):w=w0+wi+wr2=1.994+8.829+0.536=11.359（N/kN) 列车运行阻力—起动阻力起动阻力机车单位起动阻力:货车单位起动阻力:内燃和电力机车：wq’=5(N/kN)滚动轴承货车：wq”=3.5(N/kN)滑动轴承货车：wq”=（3+0.4iq）(N/kN)式中：iq—起动地段的加算坡度(‰)对于滑动轴承，当wq”的计算结果小于5(N/kN)时，按5(N/kN)计算。 列车制动力列车制动力:由司机操纵制动装置产生的，与列车运行方向相反的力。制动力的大小可由司机控制.闸瓦摩擦制动--空气制动空气制动力产生原理闸瓦制动：以机车上装置的空气压缩机产生的压缩空气为动力，推动机车车辆上的制动闸瓦压紧车轮轮箍，由摩擦产生制动。盘形制动：将闸瓦紧装在车轴上的制动盘而引起制动作用，也是一种摩擦制动方式。制动力闸瓦摩擦制动--空气制动动力制动--电阻制动与再生制动，液力制动电磁制动—磁轨制动，涡流制动 列车制动力列车制动力闸瓦摩擦制动--空气制动空气制动力的特点：制动力大，当列车速度为零时，仍然可产生较大的制动力；所有机车车辆上，均安装有空气制动装置。用途：用于区间紧急制动和列车进站停车。单位列车制动力b的计算b=1000φhθh(N/kN)θh——列车换算制动率(kN/kN)，其物理意义是列车换算闸瓦压力与列车质量的比值，即平均分配到每吨列车质量上的闸瓦压力。V、V0——列车速度、制动初速(km/h)φh——闸瓦与轮箍间的换算摩擦系数，中磷闸瓦为：3.6V+100φh=0.356————+0.007(110-V0)14V+100 列车制动力列车制动力电阻制动：电阻制动力产生原理：利用列车在坡道上的下滑力带动牵引电动机电枢旋转，使牵引电动机变为发电机运行。电阻制动的特点：制动特性稳定，可根据运行需要提供必要的制动力；制动力大小是速度的函数，低速运行时，制动力迅速减小。用途：区间调速与限速运行电阻制动特性曲线最大励磁电流限制线最大制动电流限制线最大励磁电流限制线最大制动电流限制线 列车制动力CRH2动车组再生制动特性曲线 列车制动力列车制动力电阻制动：电阻制动力需要值的确定若要求电力牵引的列车在区间以某规定的限制速度运行，先按合力等于零的条件求出需要的制动力:求出需要的制动力后，根据机型查相应的电阻特性曲线，若需要的制动力在特性曲线的使用范围内，说明可以用电阻制动控制列车按限速保持恒速下坡；如果超出使用范围，说明除采用电阻制动力外，还需要辅以部分空气制动，使列车不超限速运行。由合力为0条件:[(P+G)·ij-Pw0’-Gw0”]·g-Bd(x)=0得需要的电阻制动力：Bd(x)=[(P+G)·ij-Pw0’-Gw0”]·g(N) 列车制动力例题韶山3型电力机车，机车质量P＝138t，牵引质量G＝2620t，牵引滚动轴承货车；在坡度为9‰的下坡道上运行，限速为77km/h,试求采用电阻制动能否控制列车按限速保持恒速下坡。【解】w0’＝2.25＋0.019×77＋0.00032×772＝5.610（N/kN）w0”＝0.92＋0.0048×77＋0.000125×772＝2.031（N/kN）Bd（x）＝(138＋2620)×9－138×5.610－2620×2.031＝18726.6（N）查图2－8知：V＝77km/h时，最大能提供188000N的电阻制动力，Bd（x）在使用范围内，故仅用电阻制动即可控制列车不超限速运行 列车运动方程式列车运动状态分析机车工况：牵引运行：C=F-W牵引力、阻力惰力运行：C=-W阻力制动运行：C=-(W+B)阻力、制动力运行状态：加速(C>0)、减速(C<0)、等速(C=0)； 列车运动方程式列车运动方程式列车运动=平移运动+回转运动；相应的动能也由两部分组成：若视列车为刚性系统，则其动能增量为：dEd＝M（1＋）VdV根据动能定律可得：M（1＋）VdV＝C·V·dt 列车运动方程式列车运动方程式γ——回转质量系数，普通列车一般取0.06，动力集中式动车组取0.06~0.08；动力分散式动车组取0.08~0.11。取γ=0.06，则ζ近似等于120，则列车运动方程式可写为：对上式积分即可得计算列车运行时分和运行距离的公式： 列车运动方程式列车运动方程式Cp：平均速度时的单位合力若将列车速度间隔划分为小间隔ΔV，求速度由V1变化到V1的近似积分，可得近似公式如下：(min)(m) 列车运动方程式在不同工况下，因列车受力组成不同，可有如下不同的形式:牵引运行:cp＝f－w惰力运行:cp＝f－w制动运行:cp＝－(w＋b·b) 牵引质量的计算与检算牵引质量也称牵引吨数，就是机车所牵引的车列质量。确定牵引质量的条件：一般线路：按列车在限制上坡道上，以机车计算速度做等速运行为条件来确定牵引质量；--限坡条件。高速与快速线上：按列车在平直道上的最高速度运行，并保有加速度余量为条件来确定牵引质量。--最高速度条件。 牵引质量及其限制条件牵引质量计算限坡条件：C=F-W=0，W=F在多机牵引或补机推送时λyFj-[P(w0’+ix)×g+G(w0”+ix)×g]=0得λyFj-P(w0’+ix)×gG=—————————(t)(w0”+ix)×g(1+∑λ)λyFj-∑P(w0’+iJL)×gGJL=————————————————(t)(w0”+iJL)×gλy—机车牵引力使用系数，取0.9；∑λ—多机牵引或补机推送时，机车牵引力利用系数之和,λ取值为:重联牵引操纵时取1,分别操纵时第二台及以后机车均取0.98,推送补机取0.95 牵引质量及其限制条件牵引质量计算最高速度条件保有的加速度余量为a(m/s2)，对应的牵引质量为G(t)，则扣除加速度余量后的机车牵引力为：列车运行阻力为：《牵规》规定，旅客列车最高速度为120、140、160km/h时，加速度余量a分别为0.01、0.015和0.02，货物列车为0.005m/s2F=Fg-1000(P+Gg)(1+γ)a(N)W=(Pw0g’+Gw0g”)×g列车等速运行时合力为0，取γ=0.06，的牵引质量为:Fg-(P×g×w0g’+1060P·a)G=—————————————(t)(g×w0g”+1060a) 牵引质量及其限制条件牵引质量计算例题：韶山3型电力机车牵引滚动轴承货物列车，线路限制坡度为ix=9‰，求列车的单机牵引质量查表1-1得，Vj=48km/h，Fj=317800N，P=138tw0’=2.25+0.019V+0.00032V2=2.25+0.019×48+0.00032×482=3.899(N/kN)w0”=0.92+0.0048V+0.000125V2=(0.92+0.0048×48+0.000125×482)=1.4384(N/kN)0.9×317800-138×(3.899+9)×9.81G=—————————————————=2622(t)9.81×(1.4384+9)取G为10t整倍数，舍去不足10t部分，得G=2620t。 牵引质量及其限制条件牵引质量检算起动检算目的：检查列车在车站停车后，能否顺利起动。设列车起动时的牵引力等于总阻力，即当Gq≥G时，列车可以顺利起动；若Gq2620(t) 牵引质量及其限制条件牵引辆数、牵引净载及列车长度计算一般计算法G-qs货物列车牵引辆数：n=——+1（辆）qp货物列车牵引净载重：GJ=(n-1)qJ(t)货物列车长度：LL=LJ+(n-1)Lp+Ls(m)qs——守车质量(t)，四轴货车为16t，两轴货车为9t。qp——每辆货车平均总质量(t)，取78.988t。qJ——每辆货车平均净载(t)，取56.865t。LJ—机车长度(m)；Lp—每辆货车平均长度(m)，取13.914m；Ls—守车长度(m)，四轴守车为8.8m，两轴守车为7.7m。 牵引质量及其限制条件牵引辆数、牵引净载及列车长度计算新线设计中的简化计算G货物列车牵引辆数：n=——（辆）qp货物列车牵引净载：GJ=KJ·G(t)KJ——货车净载系数，取0.72G货物列车长度：LL=LJ+——(m)qq——货车平均每延米质量(t/m)，取5.677t/m。 牵引质量及其限制条件牵引辆数、牵引净载及列车长度计算新线设计中的简化计算例：接前例，计算货物列车牵引辆数、牵引净载、及货物列车长度。G2620牵引辆数：n=——=———=33.17，取n=33(辆)qp78.988牵引净载：GJ=KJ·G=2620×0.72=1886.4(t)G2620列车长度：LL=LJ+—=21.7+———=483.21(m)q5.677 牵引定数的确定相邻区段或邻接线路的牵引定数应尽量统一，否则应考虑区段站或枢纽站改编列车的能力。如果区段站或枢纽站不能胜任每次列车的改编作业，则应选定较小的牵引定数。制定牵引定数应同时考虑上、下行列车对数的平衡及空、重车流向合理安排等问题，还要考虑整个区段或线路的运输任务和通过能力。制定牵引定数，除进行一系列计算和校验外，还需进行列车运动仿真分析，以检查线路纵断面设计与列车运行的动态合理性。 合力曲线图合力曲线图及其应用合力图是表示机车各工况下作用在列车上的单位合力与速度关系的坐标图。单位合力图计算条件：按列车在空旷平直道上运行考虑 合力曲线图合力曲线图及其应用有加算坡道时的应用 合力曲线图合力曲线图及其应用均衡速度的确定在合力图上，考虑加算坡道纵轴移动后，速度轴与各工况c=f(v)曲线的交点处单位合力c=0，此时列车以该点所对应的速度做等速运行，该速度成为该加算坡道的均衡速度Vjh判断列车运行状况 行车速度与行车时分的确定均衡速度法计算运行时分基本假定:假定列车在每一个坡道上运行时,不论坡道长短,也不论进入坡段时的初始速度高低,都按列车在该坡道的均衡速度(或限制速度)作等速运行考虑。6060ti=—，或ti=—(min/km)VjhVxT甲-乙=∑(ti×Li)+tq+tt(min)L—某一坡段的长度(km)tq、tt—起车、停车附加时分(min)，一般电力、内燃牵引时，tq=1~3min、tt=1~2min 请写出下图的平行成对运行图通过能力计算式TZtWtF