1、Lorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipisicing elit.模块2 列车牵引与制动基础020103掌握城市轨道交通列车牵引力的分类。掌握城市轨道交通列车牵引传动系统的基本组成和分类。掌握城市轨道交通列车牵引力的概念和产生机理。学习目标05040607 掌握城市轨道交通列车牵引力传递的原理 掌握城市轨道交通列车运行阻力的产生和计算方法 了解直流牵引传动系统和交流牵引传动系统的组成及特点 掌握城市轨道交通列车制动力产生的基本原理和制动力的计算方法学习目标 本模块主要介绍城市轨道交通列车牵引和制动的基础知识。牵引和制动是城市轨道交通列车安全运行的基
2、本保障与核心部分。列车的牵引传动系统不仅能为城市轨道交通列车提供运行需要的牵引动力，同时也是列车安全的重要保障之一，在城市轨道交通列车制动时牵引传动系统也可以转换为制动系统而为列车提供一定的制动力。列车制动系统与牵引传动系统之间有一定的关联，同时两者也是相对独立的系统。一名合格的城市轨道交通列车司机，不仅要掌握列车牵引的基础知识，还要掌握列车制动力和制动距离计算的基础知识，从而提高列车驾驶的技能和处理故障的能力。2.1 列车牵引力和牵引传动系统2.1.1城市轨道交通列车牵引力 城市轨道交通列车一般依靠车轮和钢轨之间的相互作用运行，而车轮和钢轨之间相互作用的理论是轨道交通牵引的基本理论。城市轨道
3、交通列车的牵引力、牵引特性、运动规律等都与此理论有密切的联系。城市轨道交通是一个庞大而又复杂的系统，科学地使用好城市轨道交通列车，充分发挥它的效能，掌握其运行规律，是提高列车运行质量和运行速度，最终能安全正点地完成运输任务的必要条件之一。1【列车牵引力的概念】图2-1所示为城市轨道交通列车牵引力产生示意图。城市轨道交通列车的牵引力是由动车的动力装置引起的，通过轮轴之间的相互作用而产生的与列车运行方向相同的力，司机可以控制和调节其大小。分析图2-1可知，城市轨道交通列车牵引传动装置中的主动齿轮轴通过联轴节与电动机轴固定在一起，从动齿轮轴固定在车轴上，而主动齿轮与从动齿轮是相互啮合的。城市轨道交通
4、列车中的牵引电动机输出的力矩Md经联轴节传递到主动齿轮上，在轮轨间黏着作用下，按平衡原理，在黏着范围内，两者大小相等，方向相反。轴箱装置的作用可使车辆产生平移运动。牵引力产生的条件可归纳为：动轮与钢轨间具有黏着作用，动轮上有动力传动装置传递旋转力矩而使车辆前进。1【列车牵引力的概念】2【牵引力的分类】城市轨道交通列车的牵引力来自动车，根据动力传递过程，牵引力有轮周牵引力和车钩牵引力之分。（1）轮周牵引力。如图2-1所示，使城市轨道交通列车产生运动或加速度的外力是动力矩M引起的钢轨对动轮的纵向反作用力，这个力称为牵引力，也称为轮周牵引力。（2）车钩牵引力。车钩牵引力就是动车通过车钩牵引拖车的纵向
5、作用力，其等于轮周牵引力减去动车运行阻力后的值。即 Fg=FkWaMm（2-1）2【牵引力的分类】式中，Fk为轮周牵引力；W为动车车身阻力；a为动车加速度，当a=0时，Fg=FkW；Mm为动车质量。城市轨道交通列车匀速运行时，车钩牵引力等于列车的总阻力。由于车钩牵引力的作用点在动车车钩上，动车运行时，为克服其自身阻力和各种附加力，不可避免地要消耗一部分轮周牵引力，所以车钩牵引力永远小于轮周牵引力。在一般的计算中通常以轮周牵引力为计算标准，以轮周牵引力来衡量和表示动车牵引力的大小。3【黏着对牵引力的限制】调节牵引电动机转矩，改变切向力Fk的值以得到不同的轮周牵引力的前提条件是不破坏黏着。也就是说
6、，动车所能实现的最大牵引力受黏着的限制，即在任何时候、任何速度下，动车真正能够实现的牵引力不能超过轮轨间的黏着力。由黏着条件决定的最大黏着力，即动轮不空转所能实现的最大牵引力，称为黏着牵引力，用F表示。F(Mmg)（2-2）式中，为黏着系数；Mm为全部动轮的黏着质量；g为重力加速度（取9.81 m/s2）。当各动轴驱动转矩归算到轮缘的作用力之和超出式（2-2）的限制时，黏着条件相对较差的动轮就会产生空转，动车的牵引力立即下降。动车牵引力最大值在任何时候都不得超过动轮与钢轨间黏着力的最大值的总和，这一原理称为黏着定律。4【动轮空转的产生和危害】当动轮的牵引力大于轮轨间的最大黏着力时，轮轨接触点的
7、作用将不再平衡，车轮开始沿钢轨向后滑动，在强大力矩作用下，车轮飞快转动，而轮轨间的纵向水平作用力变成了滑动摩擦力，其值比最大静摩擦力小得多，因而列车运行速度并不高，这种状态称为空转。空转的危害性是很大的：当空转发生时，轮对转速迅速上升，如果任其发展，往往可能在数秒时间内超出车辆构造速度，不仅使动车牵引力下降，还会使钢轨和车轮产生严重磨损。若列车在起动时发生空转，列车没有起动，而司机又没有及时采取措施减小驱动力矩，轻则不能充分发挥动车的牵引能力，造成列车晚点；重则可能造成钢轨和动轮严重磨损的事故发生，从而降低列车的使用寿命。因此，必须对空转加以防范。5【牵引特性和牵引特性曲线】（1）牵引特性。当
8、列车在某一特定的功率下运行时，随着运行速度的变化，其轮周牵引力也做相应的变化，这种牵引力随速度变化而变化的规律称为列车牵引特性。（2）牵引特性曲线。列车牵引力可以通过计算和实测得出，将列车轮周牵引力与速度的关系绘在一张图上，即构成牵引力的变化规律曲线。牵引特性曲线不仅可以用来查取各速度的牵引力，还可以用来判定和比较不同类型动车的牵引性能。动车的牵引特性曲线根据生产厂家的数据不同，有的以单电动机特性曲线方式给出，有的以牵引单元的特性曲线方式给出。从城市轨道交通运输要求和特点来看，为了提高线路通过能力，列车应能在保证行车安全的前提下以尽可能高的速度运行(不超过最高运行速度)；而在起动或低速时，又能
9、很快加速。因此，动车在以其最低持续速度与最大速度之间的任何一种速度运行时，都要求它的功率是恒定不变或是接近恒定的，只有这样，才能充分地发挥动车牵引力。2.1.2 城市轨道交通列车牵引传动系统 城市轨道交通列车的牵引力是由城市轨道交通列车的牵引系统产生的，因此要掌握城市轨道交通列车牵引力的知识，就必须先掌握列车牵引传动系统的基础知识。目前城市轨道交通列车的牵引传动系统基本都是电力牵引传动系统，其基本的工作过程是：电能经过列车牵引供电系统传输和相应的转换，提供给列车的牵引电动机，电能转换成机械能，从而驱动列车运行。城市轨道交通列车牵引供电的电源是城市电网，城市电网提供的电能经过牵引变电所的降压、整
10、流变成DC 1 500 V（或DC 750 V），再通过馈电线传递给接触网，然后通过受流装置，由钢轨和回流线流回牵引变电所形成回流。2.1.2 城市轨道交通列车牵引传动系统 城市轨道交通列车牵引传动系统的基本特点是牵引功率大、传动效率高、能源利用率高、绿色环保、产生的污染很少、容易实现自动化控制。城市轨道交通列车的牵引电动机为列车提供动力，牵引电动机按工作原理可分为直流电动机、交流异步电动机、交流同步牵引电动机三种。由于交流电动机与直流电动机相比不需要换向器，结构简单，可靠性高，维护量少，重量小，并能获得较大的单位重量功率，具有良好的牵引性能，同时三相交流牵引电动机的调频、调压特性如果设计合理
11、，可以实现大范围的平滑调速，还具有防空转的性能，使黏着利用率提高；三相交流牵引电动机对瞬时过电压和过电流很不敏感，在启动时能在更长的时间内产生较大的起动力矩。因此，交流异步电动机有取代直流电动机的趋势。1.牵引传动系统的工况 城市轨道交通列车的牵引传动系统有两个工况：牵引工况和制动工况。（1）在牵引工况下，列车牵引传动系统为列车提供牵引动力，将供电接触网上的电能转换为列车在轨道上运行的机械能。（2）制动工况可以分为再生制动工况和电阻制动工况。再生制动就是将列车的机械能转换成电能反馈到接触网再供给其他列车或车站设备使用，这种方式能最大限度地降低电能的损耗。列车制动过程中牵引传动系统反馈的电能超过
12、了接触网上的限值（达到DC 1 800 V）时，列车电制动产生的电能将会消耗在制动电阻上，通过制动电阻发热而消耗到大气中去，这种通过制动电阻消耗电能的电制动工况称为电阻制动工况。2 直流牵引传动系统 直流牵引传动系统由接触网侧高压电路和直流电动机调速电路组成，主要包括受流器、断路器、接触器、直流牵引电动机、齿轮箱、轮对及接地回流装置等，其中直流牵引电动机是核心部件。直流牵引传动系统按电动机调速的原理不同可分为变阻调压控制和斩波调压控制两种类型。变阻调压控制通过调节串入电动机回路的电阻，改变直流牵引电动机的端电压来达到调速目的，有凸轮调阻和斩波调阻之分。斩波调压控制通过控制接在接触网与牵引电动机
13、之间的斩波器的导通与关断来改变牵引电动机的端电压而实现调速目的，斩波调压控制装置代替了起动、制动电阻，在起动过程中减少了电能的消耗，在再生制动的过程中能回收一部分电能，并且起动、制动过程是完全无级平滑调节的，提高了平稳性。2 直流牵引传动系统 图2-2所示为直流牵引电动机的模型，导体受力方向由左手定则确定，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极上的导体cd受力方向为从左向右。导体所受电磁力对轴产生一个转矩，这种由于电磁作用而产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针方向。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，原位于S极上的导体cd转到N极下，其
14、受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体ab转到S极上，其受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极上的导体受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。实际直流牵引电动机的电枢根据具体应用情况需要有多个线圈。线圈分布于电枢表面的不同位置上，并按照一定的规定连起来，构成直流牵引电动机的电枢绕组。N极、S极也是根据需要，交替放置多对。2 直流牵引传动系统 直流牵引电动机分为静止部分和可旋转部分。静止部分称为定子，可旋转部分称为转子，在定子和转子之间存在着气隙。定子的作用是：
15、在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是作为整个电动机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成。转子又称电枢，是电动机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分，它包括电枢铁芯、换向器、电动机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。2 直流牵引传动系统 直流牵引电动机具有良好的牵引和制动性能，调速方便；但防空转性能较差，等功率下电动机的体积和重量较大，换向困难，电位条件差，易产生环火，维护复杂，特别是在高电压、大功率时，电位条件更差。3.交流牵引传动系统 交流异步牵引电动机的转速控制是在保持电源频率恒定的条件下通过改变定子电压的大小实现的。目前我国
16、的城市轨道交通列车多采用闭环控制系统，基本采用转差电流控制，如上海地铁2号线列车；也有采用矢量控制，如西安地铁2号线DKZ27型列车、广州地铁1号线和北京地铁1号线SMF04型列车等；还有采用直接转矩控制，如深圳地铁1号线列车。随着电子技术的不断发展与成熟，交流牵引传动技术越来越受到重视，交流牵引电动机有全面取代直流牵引电动机的趋势；大功率晶闸管技术的成熟与发展，特别是近年来全控电力电子器件的迅速发展，使得可调压调频的逆变装置被普遍应用，成功解决了交流电动机的调速问题。交流牵引电动机有同步和异步之分，目前城市轨道交通列车普遍采用的是交流异步牵引电动机，因为交流同步牵引电动机需要集电环和电刷或者
17、在转子上安装旋转整流器，不能满足频繁起动和停止的工作需要，也不能在轮径不同或牵引电动机转速有差别时，由一台逆变器驱动多台电动机并联工作。交流异步牵引电动机在空间利用和重量上都优于交流同步牵引电动机，因此被广泛应用。交流异步牵引电动机采用VVVF控制，即直流电通过逆变器变为三相交流电，用电压和频率的变化来控制异步牵引电动机的转速变化，获得最佳的调速性能，并实现再生制动。3.交流牵引传动系统 城市轨道交通列车使用的交流感应电动机主要是结构简单的鼠笼式感应电动机（见图2-3），它主要由定子和转子构成，定子上加载三相交流电压时，间隙磁通量就会发生变化，从而使转子受到感应，产生扭矩。4.直线电动机牵引系
18、统 直线电动机可认为是旋转电动机的结构的转变，即将旋转电动机沿轴向切开，按水平方向展开，从而使旋转电动机的定子演变为初级，转子演变为次级，以直线运动取代旋转运动。由于直线电动机无旋转部件，因此可大大降低城市轨道交通列车的高度，缩小隧道直径，降低工程成本。此外，直线电动机环保性能好，车辆运行噪声小。直线电动机在城市轨道交通中应用时，初级既可设在车上，也可设在地面，分别称为车载初级式和地面初级式。目前，城市轨道交通列车多采用车载初级式异步的方式，初级安装在动车的转向架上，从受电轨受电，电源的变换和控制设备安装在车上；次级沿线路敷在两根走行钢轨之间的导体板上，建设费用低。广州地铁4号线和北京地铁机场
19、线的列车均采用直线电动机牵引传动系统，采用一台VVVF逆变器向两台三相八极的直线感应电动机供电，采用IGBT器件和脉冲调制技术的牵引逆变器，实现牵引、再生制动控制。2.2 列车运行阻力2.2.1 列车运行阻力的定义和分类城市轨道交通列车的运行过程，就是牵引力不断克服运行阻力的过程1.列车运行阻力的定义 列车运行中产生的一种与其运行方向相反、阻止其运行并且大小不能由司机控制的外力称为列车运行阻力。2.列车运行阻力的分类（1）按阻力作用部位分类。按阻力作用部位分类，列车运行阻力可分为动车阻力和车辆（拖车）阻力。动车阻力。由于动车惰行工况下存在牵引齿轮及电枢轴的机械阻力，所以惰行工况下的动车阻力大于
20、车辆（拖车）阻力。车辆（拖车）阻力。车辆（拖车）阻力是指车身移动阻力。2.列车运行阻力的分类（2）按阻力形成的原因分类。按阻力形成的原因分类，列车运行阻力可分为基本阻力和附加阻力。基本阻力。基本阻力是列车在任何运行情况下都存在的阻力。由于列车在空旷、平直道上运行时一般只有基本阻力，基本阻力即为空旷、平直线路上的阻力。附加阻力。附加阻力是列车在个别情况下运行时才遇到的阻力。列车在坡道上运行时有坡道附加阻力，在曲线上运行时有曲线附加阻力，在隧道中运行时有隧道附加阻力。综上所述，列车在平直道上运行时，轴颈与轴承间的摩擦、车轮与钢轨间的作用及周围空气影响等引起的始终存在的阻力，称为基本阻力。除基本阻力
21、外产生的额外阻力，如坡道阻力、曲线阻力、隧道阻力、起动阻力、大风阻力、低温阻力等，称为附加阻力。2.2.2 列车运行阻力分析与计算1.基本阻力计算 城市轨道交通列车运行时的基本阻力是在城市轨道交通列车运行时始终存在的阻力；并且绝大多数的城市轨道交通列车运行阻力与列车的重量成正比，在实际中经常用单位车重的阻力来计算，称为单位阻力；相应的，基本阻力与车重之比称为单位基本阻力，用0表示，单位为N/t。由于影响基本阻力的因素较为复杂，在实际运用中很难用理论公式来计算，通常按照大量试验综合得出的经验公式进行计算。1.基本阻力计算 下面是我国轨道交通科研部门经过大量的测试和试验给出的国内外部分轨道交通车辆
22、的单位基本阻力计算的经验公式。21、22型客车（vmax=120 km/h）单位基本阻力的计算公式为：0=16.28+0.073 6v+0.001 521v2（2-3）式中，v为速度。25B、25G型客车（vmax=140 km/h）单位基本阻力的计算公式为：0=17.85+0.098 1v+0.001 422v2（2-4）准高速单层客车（vmax=160 km/h）单位基本阻力的计算公式为：0=15.79+0.039 2v+0.001 853v2（2-5）准高速双层客车（vmax=160 km/h）单位基本阻力的计算公式为：0=12.16+0.034 3v+0.001 540v2（2-6）日
23、本新干线O系电动车组单位基本阻力的计算公式为：0=11.77+0.152 1v+0.001 436v2（2-7）日本新干线100系电动车组单位基本阻力的计算公式为：0=12.50+0.016 0v+0.001 449v2（2-8）日本新干线200系电动车组单位基本阻力的计算公式为：0=11.54+0.151 1v+0.000 883v2（2-9）法国TGV电动车组（2辆动车、8辆拖车）单位基本阻力的计算公式为：0=7.132+0.078 5v+0.001 450v2（2-10）德国ICE电动车组（2辆动车、14辆拖车）单位基本阻力的计算公式为：0=11.381+0.052 0v+0.001 1
24、77v2（2-11）意大利ETR500电动车组单位基本阻力的计算公式为：0=5.984+0.100 1v+0.001 109v2（2-12）1.基本阻力计算2.附加阻力计算 附加阻力只在一些特殊情况下存在，当然如果整条线路均在地下，隧道阻力也可按基本阻力进行计算。在此，我们着重对坡道阻力和曲线阻力的计算问题进行讨论。在附加阻力的计算中，附加阻力与车重之比称为单位附加阻力。习惯上用i表示单位坡道阻力，用r表示单位曲线阻力，它们的单位均为N/t。（1）坡道阻力分析与计算。坡道阻力实际上就是城市轨道交通列车在坡道上运行时沿坡道方向的力（Wi），如图2-4所示。当列车上坡时，坡道阻力与列车运行方向相反
25、，阻力是正值；反之，坡道阻力是负值。显然坡道阻力的大小与坡道的陡峭程度有关。标示坡道陡峭程度的参数是坡度，用字母i表示。它是指坡道终点对起点的高度差与两点之间的距离之比，其值以千分数计，即 i=BCAB1 000（2-13）2.附加阻力计算式中，BC为标高差；AB为坡道长度。图2-4坡道阻力示意2.附加阻力计算若是上坡道，则标高差为正值；若是下坡道，则标高差为负值，坡度同样为负值。由图2-4可得：式中，m为电动车组质量。单位坡道阻力为：即列车的单位坡道阻力在数值上等于该坡道的坡度与重力加速度的乘积。（2）曲线阻力分析与计算。列车进入曲线运行时，车轮轮缘压向外轨头产生滑动摩擦力，车轮在轨面产生横
26、向滑动，以及车辆心盘和旁承因转向架的转动而产生摩擦力等。这些增加的摩擦损失造成的阻力称为曲线阻力。曲线阻力与曲线半径、列车运行速度、曲线的外轨超高等许多因素有关，难以用理论方法推导，一般按大量试验得出的经验公式来计算。2.附加阻力计算单位曲线阻力是曲线半径的函数，其公式为：式中，A为用试验方法确定的常数，其值各国有差异，为450800，我国采用700；R为曲线半径。（3）加算坡道单位阻力分析与计算。当坡道与曲线同时出现时，列车在该区段的单位附加阻力为单位坡道阻力和单位曲线阻力之和。为方便起见，常将单位曲线阻力看成相当的单位坡道阻力，并与实际的单位坡道阻力相加，称为加算坡道单位阻力，即2.附加阻
27、力计算式中，ik为加算坡道的坡度（）。（4）列车运行阻力计算。有了单位阻力和加算坡道单位阻力，可按式（2-19）计算列车运行阻力，即2.附加阻力计算式中，W0为基本阻力；Wj为电动车组加算阻力；m为电动车组质量。列车单位运行阻力的计算公式为：2.2.3 减小列车运行阻力的措施 针对城市轨道交通列车运行阻力的产生原因，采取有效措施，尽可能地减小运行阻力，相应地提高运行速度、乘客装载量及其他技术经济指标，具有十分重要的意义。可采取如下措施减小列车运行阻力：（1）按季节变化选用适当牌号的润滑油，以保证轴承润滑良好。（2）维护好车辆转向架，保证正常的技术状态。（3）提高载客率，增加车辆重量，减少单位基
28、本阻力。（4）保证所有制动装置处于良好的技术状态，避免出现自然制动和缓解不良现象。（5）采用动力制动，以减小制动损失。（6）车辆滚动轴承化，列车外形流线化Lorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipisicing elit.LOREM IPSUM 2.3 列车制动力2.3.1列车制动力基础知识1【制动系统在城市轨道交通列车运行中的重要意义】人为地使运动物体减速或阻止其加速叫作制动，对于城市轨道交通列车来说，为了使运行着的列车能迅速地减速或停车，必须对它施行制动；为了防止列车在下坡道上运行时由于重力作用导致速度增加，也需要对它施行制动；同时为避免停放的车
29、辆因重力作用或风力吹动而溜走，也要对它施行制动(称为停放制动)。因此，制动系统对保证列车安全和正点运行具有极其重要的意义。2.3.1列车制动力基础知识2【列车制动力的定义】列车制动力是由制动装置产生的与列车的运行方向相反、阻碍列车运动并且司机可以根据需要或由自动驾驶装置控制和调节的外力。制动力和列车运行阻力虽然都阻止列车的运动，但是制动力是人为的和可控的。所以，在列车制动减速过程中，尽管运行阻力也在起作用，但起主要作用的是列车制动力。2.3.1列车制动力基础知识3【制动功率与制动能力】从能量的观点看，制动的实质就是将列车所具有的动能转移出去，制动系统转移动能的能力称为制动功率。在一定的制动距离
30、条件下，列车的制动功率是其速度的三次函数。列车的最高运行速度虽然与其牵引功率有关，但也受其制动能力的限制。列车的制动能力是指制动系统能使其在规定的制动距离内安全停车的能力。按照城市轨道交通列车的运行规程，列车在非常情况下的制动距离(紧急制动距离)不得超过某一规定值。例如，地铁规定的紧急制动距离一般为180 m。这个距离要比启动加速距离短得多，因此列车的制动功率要比驱动功率大510倍。2.3.1列车制动力基础知识4【制动的类型】根据不同的分类方式，制动可分为黏着制动和非黏着制动、摩擦制动和非摩擦制动。踏面（闸瓦）制动、盘形制动、电阻制动、再生制动和液力制动都需要通过轮轨黏着来产生制动力，故习惯上
31、把它们归为一类，称为黏着制动。轨道电磁制动(包括摩擦式和涡流式)和翼板制动都不需要通过轮轨黏着来产生制动力，故习惯上把它们归为一类，称为非黏着制动。在各种制动中，踏面（闸瓦）制动、盘形制动、轨道电磁制动等都通过摩擦来产生制动力，所以有时也把它们统称为摩擦制动；把其他不通过摩擦来产生制动力的统称为非摩擦制动，如轨道涡流制动。2.3.1 列车制动力基础知识5【制动系统应具备的条件】城市轨道交通的站距较短，因此列车的调速及停车都比较频繁。为了提高运行速度，尤其是对高架有轨交通列车和地铁列车，必须使其起动快，制动距离短。同时，城市轨道交通列车的乘客上下波动较大，对列车载重有较大的影响。针对这些特点，城
32、市轨道交通列车的制动系统应具备以下条件：（1）操纵灵活，制动减速快，作用灵敏可靠，列车前后车辆制动、缓解作用一致。（2）具有足够的制动能力时，其制动力不会衰减。保证列车能在规定的制动距离内停车、在长大下坡道上运行。（3）具有动力制动与摩擦制动的联合制动能力。在正常制动过程中，优先使用动力制动，以减少对城市环境的污染和降低运行成本。（4）具有荷载校正能力，能根据乘客荷载的变化自动调节制动力，使车辆制动率保持恒定，以保证乘客乘坐的舒适性。（5）具有紧急制动性能，遇有紧急情况时，能使列车在规定距离内安全停车。紧急制动除可由司机操纵外，必要时还可由行车有关人员利用紧急按钮(紧急阀)进行操纵。此外，列车
33、在运行中发生列车分离、制动系统故障等危急行车安全的事故时，应能自动产生紧急制动作用。2.3.2 列车制动力形成的机理分析 目前，城市轨道交通中除了橡胶车轮列车和磁悬浮列车等特殊交通系统外，绝大部分列车采用的是钢轨钢轮的走行方式。因此，首先要来研究钢轨与钢轮之间的相互关系，以及它们在运行中的各种工况。轮对由一根车轴与两个车轮组成，其在钢轨上运行时，一般承受垂直荷载、纵向荷载和横向荷载。垂直荷载来自车辆对轮对的正压力，纵向荷载主要来自牵引及制动，横向荷载来自车辆的蛇行运动。牵引时，牵引电动机通过传动机构将牵引动力传递给动车的动力轮对（动轮对），通过车轮和钢轨的相互作用产生使车辆运动的反作用力。根据
34、物理学中有关机械摩擦的理论，轮轨间的切向作用力就是静摩擦力。而最大静摩擦力就是钢轨对车轮的反作用力的法向分力与静摩擦系数的乘积。稳态前进的非动力轮对的车轮在不制动时，其纵向切向力平衡轴承阻力和蛇行时的惯性力。因此，无论是动轮对还是从动轮对都存在着纵向切向力，它导致了轮轨之间的纵向相对运动。但实际上，事情并非那么简单，动轮与钢轨间切向作用力的最大值与物理学上的最大静摩擦力相比要小一些，情况也更复杂一些。在分析轨道车辆的轮轨关系时，通常必须引入两个十分重要的概念，即黏着和蠕滑。1.黏着 图2-5所示为某城市轨道交通列车的动车以速度v在直线线路上运行时，它的一个动轮对的受力情况（图中忽略了其内部的各
35、种摩擦阻力，为了更清楚地表示该图中的各种关系，我们把实际上相互接触的车轮与钢轨稍稍分开画出）。1.黏着 在图2-5中，Pi为作用在钢轨上的正压力，又称为轮对的轴重；Mi为牵引电动机作用在动轮对上的驱动转矩，可以用一对力（Fi和Fi）形成的力偶代替。力Fi和Fi分别作用在轮轴中心的O点和轮轨接触处的O点，其大小为：式中，Ri为动轮半径。在正压力Pi的作用下，车轮与钢轨的接触部分紧紧压在一起。1.黏着 Fi使车轮上的O点具有向左运动的趋势，并通过O点作用在钢轨上。fi 表示车轮作用在钢轨上的力，fi=Fi。由于轮轨接触处存在着摩擦力，车轮上O点向左运动的趋势将引起向右的静摩擦力fi，即钢轨对车轮的
36、反作用力，fi =fi。因此，车轮上的O点受到两个相反方向的力Fi和fi的作用，而且fi=Fi。所以，O点保持相对静止，轮轨之间没有相对滑动，在力Fi 的作用下，轮对做纯滚动运动。由于正压力而保持车轮与钢轨接触处相对静止的现象称为黏着，黏着状态下的静摩擦力fi称为黏着力。1.黏着 轮轨间的黏着与静力学中静摩擦的物理性质十分相似。驱动转矩Mi产生的切向力Fi增大时，黏着力fi也随之增大，并保持与Fi相等。当切向力Fi增大到某个数值时，黏着力fi达到最大值。此后，切向力Fi如果再增大，fi反而迅速减小。试验证明，黏着力fi的最大值fmax与动轮对的正压力Pi成正比，其比例常数称为黏着系数，用表示，
37、即 式（2-22）表明，在轴重一定的条件下，轮轨间的最大黏着力由轮轨间系数的大小决定。当轮轨间出现最大黏着力时，若继续加大驱动转矩，一旦切向力Fi大于最大黏着力，车轮上的O点将向左移动，轮轨间出现相对滑动，黏着状态被破坏。这时，车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，钢轨对车轮的反作用力由静摩擦力变为滑动摩擦力，其值迅速减小，并使车轮的转速上升，造成空转。当车轮出现空转时，轮轨间只能依靠滑动摩擦力传递切向力，因而传递切向力的能力大大减小，并且会造成车轮踏面和轨面的擦伤。因此，牵引运动应尽量防止出现车轮的空转。1.黏着 黏着系数是由轮轨间的物理状态确定的。加大每个轮对作用在钢轨上
38、的压力，即增加轴重，可以提高每个动轮对的黏着力和牵引力。但是，轴重也受到钢轨、路基和桥梁等各种条件的限制，不可能无限制的增加。城市轨道交通列车由于采用动车组形式，动轮对数量比一般铁路列车多，动力和黏着力比较分散，牵引力总量又很容易达到，与铁路列车的动轮对和牵引力都集中在机车头的情况相比，城市轨道交通列车利用黏着条件就相对好得多，因而对保护轮轨间的正常作用是很有利的。2.蠕 滑 传统理论认为，车轮相对钢轨滚动时，接触面处于一种干摩擦的黏着状态，除非制动力或牵引力大于黏着力时才会转入滑动摩擦状态。但是现代研究表明，由于车轮和钢轨都是弹性体，滚动时轮轨接触处会产生弹性变形，这种新的弹性变形会使接触面
39、发生微量滑动，称为蠕滑。对蠕滑进行研究和分析可以进一步深化对黏着的认识。在车轮上正压力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，形成椭圆形的接触面。从微观上仔细观察，两个接触面是粗糙不平的。由于切向力的作用，车轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面间产生新的弹性变形，接触面间出现微量滑动，即蠕滑。2.蠕 滑 蠕滑的产生主要是由于在车轮接触面的前部产生压缩，后部产生拉伸；而在钢轨接触面的前部产生拉伸，后部产生压缩。随着车轮的滚动，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。如图2-6所示，切向力在接触面上形成两个性质不同的状态和区域：接触面
40、的前部，轮轨间没有相对滑动，称为滚动区，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。当切向力增大时，滑动区面积增大，滚动区面积减小；当切向力超过某一极限值时，滚动区面积为零，只剩下滑动区，整个接触面间出现相对滑动，轮轨间的黏着被破坏，车轮在钢轨上开始明显打滑，即出现空转。蠕滑是滚动体的正常滑动。车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，牵引时车轮的滚动圆周速度将比其轮心前进速度大。这两种速度之间的差值称为蠕滑速度，并以一个无量纲比值蠕滑率来表示蠕滑的大小，即2.蠕 滑式中，为车轮转动的
41、角速度；Ri为车轮的半径；v为车轮轮心前进速度。轮轨间由于摩擦产生的切向力反过来作用于驱动机构，随着切向力的增大，驱动机构内的弹性应力也增大。当切向力达到极限时，由于蠕滑的积累波及整个接触面，发展成为真滑动；积累的能量使车轮本身加速，这时驱动机构内的弹性应力被解除。由于车轮的惯性和驱动机构的弹性，在轮轨间出现滑动黏着再滑动再黏着的反复振荡过程，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。3.制动力的形成 与牵引运行类似，制动力的形成也是通过轮轨间的黏着产生的。为了降低列车运行速度或者为了停车，必须用外力将列车动能移走。这个移走列车动能的过程称为制动。一般城市轨道交通列车的制动方式有三类
42、，即摩擦制动（包括闸瓦制动和盘式制动）、动力制动（包括再生制动和电阻制动）和电磁制动（包括磁轨制动和涡流制动）。其中，摩擦制动和动力制动都是通过轮轨黏着产生制动力的。下面以闸瓦制动为例，说明通过轮轨黏着产生制动力的过程。图2-7所示为一个轮对利用闸瓦制动产生制动力的示意图3.制动力的形成 假设一个轮对上有两块闸瓦，在忽略其他各种摩擦阻力的情况下，轮对在平直道上滚动惰行。若每块闸瓦以压力压向车轮踏面，闸瓦和踏面间引起与车轮转动方向相反的滑动摩擦力2Kk（k为车轮踏面与闸瓦间的滑动摩擦系数）。对于列车来说，该摩擦力是内力，不能使列车减速，可是它通过轮轨间的黏着引起与列车运动方向相反的外力，以此来实
43、现列车的减速或停车。滑动摩擦力2Kk对车轮的作用效果相当于制动转矩Mb，即3.制动力的形成 用类似牵引力形成的分析方法，转矩Mb可以用轴心和轮轨接触处的力偶（Bi，Bi）代替。力偶的力臂为车轮半径Ri，作用力Bi=Bi=MbRi=2Kk。轮轨接触处因轮对的正压力Pi而存在黏着，切向力Bi将引起钢轨对车轮的静摩擦反作用力B，B=Bi=2Kk。B作用在车轮踏面的O点处，作用方向与列车运行方向相反，是阻止列车运行的外力，称为制动力。制动力B也是轮轨间的黏着力，因而也受到黏着条件的限制，即式中，Pi为动车或拖车轮对的轴重；i为制动时轮对间的黏着系数。整个列车的总闸瓦制动力为所有轮对闸瓦制动力之和。3.
44、制动力的形成 制动力的大小可以采用增加或减小闸瓦的压力来调节，但不得大于黏着条件所允许的最大值。否则，车轮被闸瓦“抱死”，车轮与钢轨间产生相对滑动，车轮的制动力变为滑动摩擦力，数值立即减小，产生滑行。滑行是与牵引时的空转相对应的一种黏着状态被破坏的现象。滑行时，制动力大大下降，制动距离增加，还会造成车轮踏面与钢轨的擦伤，因此必须尽量避免。动力制动产生制动力的过程与摩擦制动产生制动力的过程基本类似，只是动力制动的制动转矩是由电动机（这时电动机处于发电机状态）产生的，而不是由闸瓦产生的。但它们都是通过轮轨黏着产生的。因此，牵引力、摩擦制动力和动力制动力都是黏着力，它们与黏着关系密切。充分利用好黏着
45、条件，不仅是牵引必须注意的，对于制动来说也是同样重要的。滑行和空转都是必须避免的。3.制动力的形成 唯一不受黏着条件限制的制动是电磁制动。电磁制动有两种形式，即磁轨制动和涡流制动。磁轨制动是将带有磨耗板的电磁铁落在钢轨上，接通励磁电流，使电磁铁紧紧吸附在钢轨上，并通过磨耗板与轨面产生制动力。涡流制动的电磁铁没有磨耗板，它将电磁铁落在距轨面710 mm处，电磁铁与钢轨间的相对运动引起电涡流作用形成制动力。磁轨制动在欧洲的轻轨车辆或有轨电车上经常能看见，主要用于紧急制动；磁轨制动应用最多的是高速列车和磁悬浮列车。4.黏着控制的必要性和黏着控制系统 现代城市轨道交通列车上多装有防空转检测保护装置，使
46、动车在空转刚刚发生时就能检测出来，并能自动采取措施，消除空转，以保证列车正常运行。（1）黏着控制的必要性。城市轨道交通列车在设计时虽然充分考虑了轮轨之间的黏着作用，但是没有黏着控制系统的动车只能靠其自然特性运行，难以运用到黏着极限，即使短时达到较大的牵引力也难以维持，因为轮对空转随时可能发生，因此只能远离黏着极限使用。同样，在列车制动时，若无防滑行保护装置，一旦制动力大于轮轨黏着极限就会出现滑行，将导致轮对擦伤和制动距离增加。因此，在现代车辆的控制中，一般都设有黏着控制系统防空转/滑行保护系统。（2）黏着控制系统。目前，国内外常见的黏着控制系统主要是校正型和蠕滑率控制型两大类。城市轨道交通的动
47、车要求具有良好的防空转和防滑行性能，大多采用校正型黏着控制系统。4.黏着控制的必要性和黏着控制系统 当城市轨道交通列车产生空转时，会产生如下信号：空转轮对转速不正常地大幅度上升；空转牵引电动机电流不正常地大幅度下降；串联电路中一台电动机的端电压迅速上升，而另一台电动机的端电压迅速下降；轮对空转前有某种一定频率的扭振。黏着控制系统通过检测装置测得上述空转信号。当动车牵引力超过黏着值，空转或空转趋势达到一定程度时，黏着控制系统快速并深度削减动轮驱动转矩，使空转得到强烈的抑制；进入黏着恢复区后，迅速恢复牵引力；当回升到空转前转矩的一定比例时，再以缓慢速率增长，以便寻找一个黏着极限点。采用这种短时超越
48、黏着的最大值，又不让空转发展的简单办法，可使轮轨经常处于高黏着区，而每次校正削减造成的牵引力损失都减到最小。5.影响黏着系数的因素 由于黏着系数与制动有相当重要的关系，所以长期以来，影响黏着系数的主要因素就成为世界上众多科技专家研究的方向。对轨道黏着系数的研究主要依靠试验。不同轨道的黏着系数不同，需要经过大量试验和对试验数据的计算分析才能得到。专家们的试验分析表明，黏着系数是一个由多因素决定的变数，当动车黏着重量确定后，黏着系数就是决定牵引力大小的因素。影响黏着系数的主要因素有以下几项：（1）动轮踏面与钢轨表面状态。干燥清洁的动轮踏面与钢轨表面黏着系数高，冰、霜、雪等天气的冷凝作用或小雨使轨面
49、轻微潮湿时轨面黏着系数低，大雨冲刷、雨后生成薄锈使黏着系数增大，油垢使黏着系数减小。（2）线路质量。钢轨越软，黏着系数越小；钢轨不平或直线地段两侧轨顶不在同一水平面，动轮所处位置的轨面状态不同，都会使黏着系数减小。5.影响黏着系数的因素（3）列车运行速度和状态。列车运行速度提高，加剧了动轮对钢轨的纵向和横向滑动及车辆振动，使黏着系数减小。特别是在轮轨表面被水污染的情况下，黏着系数随速度的增加而急剧下降。列车运行中由各种因素导致轴重转移，也影响着黏着系数，如列车过弯道时，车轮一侧增载，另一侧减载，造成黏着系数大幅降低。曲线半径越小，黏着系数越小。（4）动车有关部件的状态。各动轴上牵引电动机的特性
50、不完全相同，在同一运行速度下牵引力大的动轮将首先发生空转；各个动轮的直径不同，直径小的动轮发出的牵引力大，容易首先发生空转；各个动轮的动负荷不同，运行中动负荷轻的动轮将首先发生空转。空转必然导致动车的黏着系数减小。6.改善黏着的方法 改善黏着的方法主要有两大类：一大类是修正轮轨表面的接触条件，改善轮轨表面不清洁状态；另一大类是设法改善轨道车辆的悬挂系统，以减轻轮轨对减载带来的不利影响。通常采用以下改善黏着的措施：从车辆上往钢轨上撒沙；用机械或化学方法清洗钢轨、打磨钢轨；改进闸瓦材料，如用增黏闸瓦材料；改善车辆悬挂，减小轴重转移等。2.3.3 列车制动力计算 以闸瓦制动为例，如图2-8所示，制动
