第3讲_牵引力和阻力

列车运行计算与 Train Movement Calculation and DesignTrain Movement Calculation and Design 时间与地点： 周2第4节YF512，周4第4节SX401 主讲：陈绍宽 讲师，博士 毛保华 教授，博士 电话：010-51687205 办公室：思源楼12层西侧 Email：chenshaokuan@jtys.bjtu.edu.cn 2 有关课程的疑问有关课程的疑问 „闭卷考试 计算为主、概念与常识为辅 „课程设计 时分曲线绘制、上机实验、讲座 3 上讲回顾上讲回顾 „列车运行过程受力情况与运行特性 „牵引力形成与分类 „机车的牵引特性 „牵引力计算与取值规定 „内燃机车与电力机车的比较 4 本讲内容本讲内容 „国内外内燃机车技术水平比较 „国内外电力机车技术水平比较 „列车运行阻力定义与分类 „列车运行基本阻力 5 国内外内燃机车技术水平比较 第第33讲讲 牵引力和阻力牵引力和阻力 6 国内外内燃机车负荷率比较国内外内燃机车负荷率比较 与美国、前 苏联的负荷 水平基本相 当 7 国内外内燃机车单位功率生产率比较国内外内燃机车单位功率生产率比较 尽管美国客货运换算周转量高，但机车生 产率略低于中国 8 各国机车车辆利用率比较各国机车车辆利用率比较 我国机车车辆 的利用率明显 于世界各国 9 国内外内燃机车功率比较国内外内燃机车功率比较 大功率内 燃机车的 水平略低 于美国、 俄罗斯 10 各国内燃机车油耗量比较各国内燃机车油耗量比较 11 „我国内燃机车的万吨公里耗油量明显低 于其它国家 „根本原因是我国机车的劳动强度远大于 世界各国 各国内燃机车油耗量比较各国内燃机车油耗量比较 12 各国内燃机车轮周效率比较各国内燃机车轮周效率比较 轮周效率与世界各国基本相当或略高 13 各国内燃机车故障率比较各国内燃机车故障率比较 故障率 平均低 于各国 14 国内外内燃机车传动装置效率比较国内外内燃机车传动装置效率比较 传动装置效率与世界各国基本相当或略低 15 „从总体的功率、效率、可靠性方面看， 国内燃机车的技术水平与世界各国差距 大 „我国内燃机车的利用率、劳动强度明显 于世界各国 „如果排除劳动强度或负荷的影响，我国 燃机车的技术水平与世界各国仍存在一 差距 国内外内燃机车技术水平比较 16 国内外电力机车技术水平比较 第第33讲讲 牵引力和阻力牵引力和阻力 17 国外电力机车主要参数国外电力机车主要参数 18 国外机车的特点优势国外机车的特点优势 „ 都已完成第二代交流传动机车(GTO)至第三代交 流传动机车(IGBT)的转变 „ 都非常重视开发设计平台的建设 „ 交流传动电力机车的模块化程度高 „ 大功率变流机组的冷却方式大都采用了高效且符 合环保要求的水冷方式 „ 欧洲机车的列车通讯系统,均采用了符合EC61375 标准的TCN系统。采用GPS、GSM、GPRS等通 信技术 19 国外机车的特点优势国外机车的特点优势 „ 采用更大功率变流元件,变流装置的小型轻量化, 提高机车容量 „ 在节能、降噪技术方面:优化控制策略,提高机 车的黏着利用率,使传动系统功率充分发挥;充 分利用电能,利用机车再生制动能量 „ 采用多种制动方式,保证机车制动的最小制动距 离 „ 重视制造工艺、装备的作用,各公司都有严格的 工艺程序和合理的工艺流程 „ 大量采用先进的制造设备 20 国内机车的主要差距国内机车的主要差距 „ 在集成技术方面:集成度不高,部件功能比较单一 主辅变流器未集成、供电制式单一 „ 在机车车体和转向架方面:在轻量化车体、重载和 高速转向架,特别是在机械失效分析和机车动力学 分析方面差距很大 可靠性、有效性与可维护性 „ 在机车的主传动系统技术方面:国外牵引变流器技 术已完成了从GTO（可关断晶闸管 ）向IGBT机 车的过渡 绝缘栅双极型晶体管 ，九十年代复合电力 电子器件，电压控制 ，热稳定性好、高电 压、大电流的优点。 从五千瓦到几百千瓦 ，高效节能、节材 21 第第33讲讲 牵引力和阻力牵引力和阻力 列车运行阻力定义与分类 22 列车运行阻力定义与来源列车运行阻力定义与来源 „ 定义：列车与外界相互作用产生的与列车运行 方向相反、阻碍列车运行的外力。 „ 来源： 车辆自身：轴颈阻力、载荷阻力、起动阻力等 线路条件：曲线阻力、坡度阻力、桥隧阻力等 自然环境：空气阻力、风阻力等 23 列车运行阻力分类列车运行阻力分类 „列车运行阻力W按组成方式由机车运行阻 W′和车辆运行阻力W″组成。 „ W＝W′+ W″ „列车运行阻力，按其产生的原因，可分为 基本阻力和附加阻力。 „基本阻力：分机车、车辆， W0 „附加阻力：列车， Wi，Ws ，Wr 24 „列车运行阻力，按作用范围，可分为总阻 力和单位阻力。 （1）总阻力：作用在机车、车辆或列车上 部重量上的阻力。W kN （2）单位阻力：平均到机车、车辆或列车 kN重力上的阻力。 w N/kN 列车运行阻力分类列车运行阻力分类 25 „单位阻力：牵引计算中将以N计的阻力 与以kN计的重力之比称为单位阻力。 „机车单位阻力 (N／kN) „车辆单位阻力 (N／kN) gP Ww ⋅ ⋅′=′ 310 gG Ww ⋅ ⋅′′=′′ 310 列车运行阻力分类列车运行阻力分类 26 第第33讲讲 牵引力和阻力牵引力和阻力 列车运行基本阻力 27 基本阻力基本阻力 概念 列车在空旷地段沿平直道运行时所受的阻力。 特点 在列车运行过程中任何时候都存在。 列车在平直道上运行只有基本阻力。 下标“0”示。 成因 机车、车辆各零部件之间，机车、车辆表面 与空气以及车轮与钢轨之间的摩擦与冲击。 28 基本阻力的组成基本阻力的组成 基本阻力由以下五种因素组成： ‹ 轴承阻力 ‹ 滚动阻力 ‹ 滑动阻力 ‹ 冲击和震动阻力 ‹ 空气阻力 29 1.1.轴承阻力轴承阻力 z 轮对滚动时，轴颈与滑动 轴承之间发生相对运动，接 触面产生摩擦力。由轴承摩 擦产生的机车车辆运行阻力 为轴承阻力。 z轴承阻力与轴荷重、摩擦 系数、轴颈半径、车轮半径 有关。 30 影响摩擦系数的因素 „ 轴承类型 „ 润滑油的影响。粘度降 低，系数降低 „ 列车运行速度。随速度 升高，系数先下降后升 高 „ 轴颈表面的单位压力： 压力增大，系数降低 31 2.2.滚动阻力滚动阻力 „车轮在钢轨上 滚动所产生的 机车车辆运行 阻力。 32 3.3.滑动阻力滑动阻力 „由车轮踏面与钢轨顶面间的滑动摩擦产生 (1)车轮踏面与轨面各接触点的直径不相等。 (2)同一轮对的两个车轮直径不同。 (3)轮对组装不正确，也要引起车轮在钢轨上发 生纵向和横向滑动。 (4)列车的蛇行运动引起轮轨间产生摩擦阻力。 33 4.4.冲击和振动阻力冲击和振动阻力 „由于钢轨接缝、轨道不平直、轮轨擦伤 等原因引起的轮轨间的冲击和机车车辆 的震动； „机车车辆之间存在的横向、纵向的冲击 和震动。 34 5.5.空气阻力空气阻力 „ 包括正面压力、列车表面和空气摩擦以及列车两 侧和顶部的涡流。 „ 空气阻力决定于列车速度、列车外形和尺寸，与 速度平方成正比。 „ 通常用下式表示： Wa = CxΩρv2/2 Cx —空气阻力系数; Ω —列车最大截面积； ρ —空气密度；v —列车的相对速度。 35 „ 上述五种阻力随着列车速度的大小而有不同的 变化。低速时，轴承阻力、滚动阻力占较大的 比例；速度提高后，轮轨间滑动阻力、冲击振 动阻力、空气阻力占的比例逐渐加大；高速时 (200km／h以上)，列车基本阻力则以空气阻力 为主。 10km/h 100km/h 240km/h 轴承阻力 、滚动阻力 90% 30 % 20 % 滑动阻力 、冲击和振动阻力 8 % 30 % 25 % 空气阻力 2 % 40 % 55 % 不同阻力的作用不同阻力的作用 36 列车运行中的基本阻力的计算列车运行中的基本阻力的计算 „计算公式：单位基本阻力的计算公式为 车运行速度的二次三项式。 „ w0＝A+B·v+C·v2 „ A、B、C为试验测定的常数。 37 1. 机车单位基本阻力公式 (1)电力机车 À SSl、SS3、SS4型 w0´ =2.25+0.0190v+0.000320v2 À SS7型 w0´ =1.40+0.0038v+0.000348v2 À SS8型 w0´ =1.02+0.0035v +0.000426v2 À 6K w0´ =3.25+0.0092v+0.000308v2 À 8G型 w0´ =2.55+0.0083v+0.000212v2 例： SSl型机车6km/h时的单位基本阻力？ SS8型机车46km/h时的单位基本阻力？ 38 电力机车基本阻力图电力机车基本阻力图 电力机车基本阻力 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 20 40 60 80 100速度 阻 力 （ N / k N ） SS1,SS3,SS4 SS7 SS8 6K 8G 39 (2)内燃机车 ÀDF型: w0´ = 2.93+0.007v +0.000271 v2 ÀDF8型： w0´ = 2.40+0.0022v+0.000 391v2 ÀDF4型： w0´ = 2.28+0.0293v+0.000 178v2 ÀND5型： w0´ = 1.31+0.0167v+0.000 391 v2 ÀND2型： w0´ = 2.98+0.0202v+0.000 033v2 例： DF4型机车10km/h时的单位基本阻力？ ND5型机车25km/h时的单位基本阻力？ 1. 机车单位基本阻力公式 40 内燃机车基本阻力图内燃机车基本阻力图 内燃机车基本阻力 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 20 40 60 80 100 速度 阻 力 （ N / k N ） DF DF8 DF4 ND5 ND2 41 2 货车单位基本阻力的计算公式 À滚动轴承重货车 w0" ＝0.92+0.0048v+0.000125v2 À滑动轴承重货车 w0" ＝1.07+0.0011v+0.000 236v2 À油罐重车专列 w0" ＝0.53+0.0121v+0.000 080v2 À空货车(不分类型) w0" ＝2.23+0.0053v+0.000 675v2 分别计算这四种车在5km/h时的单位阻力？ 42 货车车辆基本阻力货车车辆基本阻力 货车车辆基本阻力 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 20 40 60 80 100 速度 基 本 阻 力 （ N / k N ） 滚轴重车 滑轴重车 油灌重车 空车 43 货车空重混编货车空重混编 „ 空重混编的货车可按重量加权平均的方法计算单 位基本阻力。公式： „ 按各种货车所占比例，按重量加权平均的方法求 出混编车列单位基本阻力公式的三个系数： „ 油罐车与其他货车混编时，按滚动轴承货车单位 基本阻力公式计算 ∑∑ ∑ ⋅=⋅ ⋅⋅= )( )( )( '' 0 '' 0'' 0 ii i ii xw gG gGw w ( ) ( ) ( )i i i i i iA A x B B x C C x= = =∑ ∑ ∑i i i 44 注意事项注意事项 „不适用于速度小于10km/h、温度低于－10 摄氏度、风速大于5m/s „速度低于10km/h时，按v＝10km/h计算 „不足标记载重50％的货车可按空车计算 „对于高速列车或无缝长轨应基本修正阻力 公式 45 作业：作业题： „某混装货物列车50辆、3400吨，其中滚动轴 承重车40辆、3180吨，空车10辆、220吨，当 列车的运行速度为10km/h时，求该车辆列的 总阻力。 （1）按教材公式2-15 （2）按教材公式2-16 46 小小 结结 „国内外内燃机车的牵引特性与使用情 况比较 „运行阻力定义与分类 „基本阻力定义与影响因素 „基本阻力的计算 电力机车、内燃机车、货车 列车运行计算与设计� Train Movement Calculation and Design 有关课程的疑问 上讲回顾 本讲内容 第3讲 牵引力和阻力 国内外内燃机车负荷率比较 国内外内燃机车单位功率生产率比较 各国机车车辆利用率比较 国内外内燃机车功率比较 各国内燃机车油耗量比较 各国内燃机车油耗量比较 各国内燃机车轮周效率比较 各国内燃机车故障率比较 国内外内燃机车传动装置效率比较 第3讲 牵引力和阻力 国外电力机车主要参数 国外机车的特点优势 国外机车的特点优势 国内机车的主要差距 第3讲 牵引力和阻力 列车运行阻力定义与来源 列车运行阻力分类 列车运行阻力分类 列车运行阻力分类 第3讲 牵引力和阻力 基本阻力 基本阻力的组成 1.轴承阻力 2.滚动阻力 3.滑动阻力 4.冲击和振动阻力 5.空气阻力 不同阻力的作用 列车运行中的基本阻力的计算 电力机车基本阻力图 内燃机车基本阻力图 货车车辆基本阻力 货车空重混编 注意事项 作业题： 小 结