电力机车总体与走行部(1-5)

绪论铁路诞生以来，轨道运输技术不断发展与之相适应的牵引动力,出现了蒸汽机车、内燃机车、电力机车、动车组及城市轨道用车，它们广泛用于干线铁路运输、城市交通及工矿运输。

它们都依赖于车轮与钢轨的互相作用，钢轨依然限制了机车车辆的运动范围，自由度小，但其运量大、速度快、能耗省、运费低、占地少、污染小的特点，因而成为世界各国主要的运输手段。

第一章 列车牵引理论第一节 动轮与钢轨间粘着电传动的机车由牵引电动机通过传动机构（齿轮）将电机的转矩传递给轮对，这种传递能量的车轮称为轮对。

机车以速度V 在平直线路上运行时一个动轮的受力情况（忽略内部各种摩擦阻力）如图i F '——作用于O 点（轮轴心）的力i R ——动轮半径在i G 的作用下，车轮和钢轨的接触部分压紧在一起。

切向力i F 使车轮上O '具有向左运动的趋势，因i G 及接触处摩擦的作用，车轮与钢轨间产生静摩擦力i f 。

钢轨作用于车轮的力i f ，其反作用力i f '为车轮作用于钢轨的力，显然i f '=i f ，将i f 称轮周牵引力。

当车轮与钢轨未产生滑动时，车轮上O '点受到两个相反方向的力i F 、i f ，且i F=i f '，此时O '点保持相对静止，轮轨之间无相对滑动，在力i F '的作用下，动轮对绕O '点作纯滚动运动。

动轮与钢轨接触处由于正压力而出现的保持轮轨接触处相对静止而不相对滑动的现象称之为“粘着”。

粘着状态下的静止摩擦力i f 又称为粘着力。

当驱动转矩i M 增大时，产生的切向力i F 也增大，粘着力i f 亦随之增大，并保持与i F 相等。

当切向力i F 增大到某一数值时，粘着力i f 达到最大值。

若使切向力i F 继续增大，i f 反而迅速减小。

因此粘着力i f 的最大值max i f 与动轮对的正压力i G 成正比。

即max i f =μi Gμ=ii G f m ax 称为粘着系数。

因此在轴重一定的条件下，轮轨间的最大粘着力由轮轨间粘着系数μ的大小决定。

当轮轨间出现最大粘着力max i f 后，若继续增大驱动转矩i M ，切向力i F 将大于粘着力i f （即i F ＞i f ），这使得动轮上的O '点将向左移动，轮轨间出现相对滑动，粘着状态被破坏，动轮由纯滚动变为既有滚动又有滑动，此时对动轮的反作用力i f 由静摩擦力变为滑动摩擦力，其值迅速减小，与此同时动轮转速上升。

这种因驱动力矩i M 过大，轮轨间的粘着关系被破坏，使轮轨间出现相对滑动的现象就称为“空转”。

动轮出现空转时，轮轨将依靠滑动摩擦力传递切向力i F ，这就既大大削弱了轮轨传递切向力的能力，又造成了动轮踏面的擦伤，故在机车牵引运行中，应尽量防止动轮“空转”的出现。

要提高每轴牵引力i f ，只有增大轴重，但轴重的增加，又受轮轨间允许作用力的限制，特别是高速机车更是如此。

因此要增加一台机车牵引力，往往通过增加机车动轴数来实现。

为了更进一步深化对“粘着”的认识，我们利用图1-2来说明。

在动轮正压力i G 作用下轮轨接触处产生弹性变形, 形成椭圆形接触面。

从微观上看，接触面是粗糙不平的。

由于切向力i F 的作用，动轮在钢轨上滚动时，车轮与钢轨的粗糙接触面产生新弹性变形，接触面出现微量滑动，这就是“蠕滑”。

蠕滑的产生是动轮接触面处前部产生压缩，后部产生拉伸；而钢轨接触面处前部产生拉伸，后部产生压缩。

车轮上被压缩的金属层在接触面前部与钢轨上被拉伸的金属层接触，随着动轮滚动，车轮上被压缩的金属陆续被放松而伸长，而钢轨上的金属则由拉伸变为压缩，因而在接触面后部出现蠕滑。

轮轨接触面存在两种不同状态：接触面前部：轮轨间没有相对滑动，称滚动区。

(图中阴影线表示)接触面后部：轮轨间有相对滑动，称滑动区。

(图中非阴影线表示)这两区域的大小将随切向力i F 的变化而变化。

当切向力i F 增大时，滑动区面积不断增大，滚动区面积越来越小，直到为零。

当滚动区面积为零时，整个接触面出现相对滑动，轮轨间粘着被破坏，即出现空转。

图1-2 粘着微观图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象。

伴随着蠕滑产生静摩擦力，轮轨之间才能传递切向力。

由于蠕滑的存在，动轮的滚动圆周速度将比其前进速度高，这两种速度差称蠕滑速度。

用蠕滑率σ表示蠕滑的大小，则σ=V VR i -ω⨯100﹪V——动轮前进速度ω——动轮角速度iR——动轮半径轮轨间由于干摩擦产生的切向力（蠕滑力）反过来作用于驱动机构。

随着切向力iF增大，驱动机构弹性应力也增大。

当切向力iF达到极限摩擦时，由于蠕滑的积累而累及整个接触面，使之发展成为真滑动，能量将被用来加速车轮本身，这时驱动机构内的弹性应力被解除。

由于车轮惯性和驱动机构的弹性，而在轮轨间建立起粘滑振动。

这种振动导致“滑动——粘着——再滑动——再粘着”的反复震荡过程，一直持续到重新在驱动机构中建立起稳定的弹性应力为止。

第二节 机车牵引力及限制1. 牵引力形成从前面图1-1可知，因轮轨间存在粘着，静止的动轮受驱动转矩i M 作用后，在动轮上的O '点受到大小相等、方向相反的切向力i F '和粘着力i f 的作用。

O '保持相对静止，成为动轮的瞬时转动中心。

作用在轮轴中心O 点的力i F '将使动轮绕O '点转动，引起轴承对轮轴的水平反作用力T 。

只要i M 足够大，动轮即绕瞬时转动中心O '转动，O '沿钢轨不断前移，机车就产生平移运动。

从整个机车来说，驱动转矩归结到轮心的作用力i F '和轴承对轮轴的反作用力T 是一对内力，而钢轨对轮对摩擦的反作用力i f 是轮对受到的唯一的水平外力，只有i f 的存在，机车才能产生平移运动，故i f 称为动轮轮周牵引力。

机车轮周牵引力F=∑i f ，即为机车各动轮的轮周牵引力之和。

机车轮周牵引力F ，一部分克服机车内部各种阻力，其余的通过转向架、车体传递到车钩，牵引列车前进。

车钩上那一部分牵引力以W F 表示，称为挽钩牵引力。

即W F =F -W '其中 W '——机车总阻力2. 粘着对牵引力的限制调节牵引电动机转矩i M 的大小，就可改变切向力i F 的值。

只要粘着没有破坏，就可以得到不同的轮周牵引力。

因此机车所能实现最大牵引力受粘着条件限制。

由粘着条件决定的最大粘着力，也就是动轮不空转所能实现的最大牵引力，称机车的最大粘着牵引力max Fmax F =max μG式中 max μ—— 机车最大粘着系数G ——机车的粘着重量机车粘着重力的常用单位为吨力（9.8KN ），简称吨。

与机车粘着质量之间关系式：g P G μ=这时max F =max μμP gμP ——机车粘着质量 吨（t ）g ——重力加速度 g =9.8米/秒2（m/2s ） 机车牵引力的单位为牛或千牛，上式中牵引力为千牛（KN ），当机车各动轴中的转矩归结到轮缘的作用力时，粘着条件相对差的动轴首先产生空转，机车牵引力立即下降。

因为每轴正压力（亦称轴重）受钢轨、路基、桥梁等限制，所以欲增加机车牵引力，一般是增加机车的动轴数。

第三节 粘着系数0μ0μ受下面因素的影响：① 动轮踏面与钢轨表面的状态，即表面干燥情况。

雨后表面有锈，0μ增大；表面有霜、雨、雪、油垢或潮湿，0μ减小；② 线路质量状况的影响。

线路质量差、钢轨越软，使得道渣下沉量大、钢轨不平导致动轮所处位置的轨面状态不同，造成0μ减小；③ 运行速度增加，加剧动轮对钢轨的纵向、横向滑动及机车振动，使0μ减小；④ 机车有关部件状态：同一运动速度下发出的牵引力不同，牵引力大的轮对首先发生空转；每个动轮对直径不同，在相同的驱动转矩时，直径小的轮对发出的力大，易首先发生空转；因车钩作用，弹簧悬挂及路面状态影响使动负荷轻的轮对先发生空转；这样导致0μ减小。

在牵引力计算中采用的粘着系数是经专门试验制定的，称计算粘着系数j μ，它是机车在通常条件下能够实现的最大粘着系数。

当粘着条件不好时，必须采用撒砂，以增大机车的粘着系数。

这时机车的计算粘着牵引力j Fj F =j μμP g (KN)铁道部新编的《列车牵引计算规程》中，国产各型电力机车按j μ=0.24+V 810012+进行计算；V 为机车速度（km/h ），三轴转向架电力机车在通过曲线半径R 小于600m 的线路时，曲线上的计算粘着系数r μ=j μ（j μ=0.67+0.00055R ）。

国产各型电传动内燃机车按j μ=0.248+V20759.5+进行计算，在通过曲线半径R ＜550m 线路上运行时，曲线上计算粘着系数r μ=j μ(j μ=0.805+0000355R)。

从上可知，j μ随机车速度V 增加而减小。

各型机车的计算粘着系数j μ不同，这是因机车结构及性能不同而致。

内燃机车的j μ＜电力机车的j μ；这是因为内燃机车燃油的消耗，使实际粘着质量减少之故。

第三节 基本阻力引起基本阻力的因素很多，其中最主要的因素是机车车辆部件和机车车辆表面与空气的摩擦以及车轮与钢轨的相互摩擦和冲击。

归纳起来可以分为以下五类：1.轴颈与轴承之间的摩擦列车运行时，机车车辆所有轮对的轴颈与轴承之间都将产生摩擦阻力，阻止轮对的转动。

这部分阻力与轴荷重、摩擦系数和轮对尺寸有关。

轴荷重随机车车辆的质量而定；其中货车的质量变化大，因其载重不同，有空车、重车之分，故对阻力有不同的影响。

摩擦系数有较大的范围，它的值受到轴承类型、运行速度、轴颈表面承受的单位压力和润滑油等的影响。

2.车轮与轨面间的滚动摩擦车轮压在轨面上，轮轨形成椭圆形接触面。

当车轮滚动时，轨面因挤压而变形，引起附加阻力，即为滚动摩擦力。

滚动摩擦力受轴重、轮轨材料的硬度、线路质量、车轮半径、运行速度等的影响，其值一般较小。

3.车轮与钢轨间的滑动摩擦车轮的圆锥形踏面、车轮直径的差异以及某些轮对组装不正确，都将使得车轮在滚动的同时存在纵向和横向的滑动，产生滑动摩擦力。

4.冲击和振动列车运行时，由于钢轨接缝、轨道不平直以及轮轨擦伤等原因，引起轮轨间的冲击和机车车辆振动的加剧；同时机车车辆间也存在着纵向的冲击和振动。

所有这些都将随运行速度增大而加大。

采用长钢轨，保护车轮踏面及做好线路保养工作，都是减少这部分阻力的有效措施。

5.空气阻力列车运行时，由于与周围空气发生相对运动。

列车前面的空气被压缩，尾部的空气变稀薄产生涡流，形成前后两端的压力差，这部分阻力称为压差阻力；同时，列车整个外部表面与空气相摩擦，产生摩擦阻力；此外因机车、车辆突出部分及转向架等在运行时，扰动空气，产生扰动阻力。

这些阻碍列车运行的阻力，称为空气阻力。

列车的空气阻力与列车质量无关，只决定于列车与空气的相对速度、列车外形的尺寸及外表的光滑程度。