1、第三章矿用电机车第一节概述矿用电机车4 4.1.1 概述概述一一、矿用电机车的作用矿用电机车的作用 矿用电机车主要用于井下运输大巷和地面的长距离运输。它相当于矿用电机车主要用于井下运输大巷和地面的长距离运输。它相当于铁路运输中的电气机车头，牵引着由矿车或人车组成的列车在轨道上行铁路运输中的电气机车头，牵引着由矿车或人车组成的列车在轨道上行走，完成对煤炭、矸石、材料、设备、人员的运送。走，完成对煤炭、矸石、材料、设备、人员的运送。二、原理、使用条件牵引电机驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使机车在轨道上运行。在这种运行方式下，它的牵引力不仅受牵引电机功率的限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约。
2、机车运输能行驶的坡度有限制，一般为3，局部坡度不能超过30。三、矿用电机车的形式及分类三、矿用电机车的形式及分类 按电能来源电机车分为矿用直流架线式电机车(ZK型)和矿用蓄电池式电机车(XK型)。按电机车的黏着质量分类，架线式电机车有：1.5t、3t、7t、10t、14t、20t几种；蓄电池式有2t、2.5t、8t、12t几种。按电机车的轨距分为600mm、762mm、900mm三种 按电压等级，架线式电机车有100（97）V、250V、550V三种；蓄电池式电机车有40/48V与110/132V两个等级 一、直流架线电机车架线式电机车的供电方式如图4-1所示。中央变电所引来的高压电缆供给牵引
3、变流所三相交流电源，经变压器降压，再经低压电缆4送到变流设备，将交流变为直流，正极接在架空线上，负极接在轨道上。架空线是沿运行轨道上空架设的裸导线，机车上的受电弓与架空线接触，将电流引入车内，经车上的控制器和牵引电动机，再经轨道流回。因此架线式电机车的轨道必须按电流回路的要求接通。架线式电机车直流架线式电机车有构造简单，操作方便、用电效率高、投资费用和运转费用低廉等优点，但是它只能在有架线的巷道内运行，受电弓与架线接触处易发生火花，故不能用于有瓦斯爆炸危险的矿山。图4-l 架线式电机车的供电系统 1-牵引变流所；2-馈电线；3-馈电点；4-架空线；5-受电弓；6-运输轨道；7-回电点；8-回电
4、线；9-矿车；牵引电机车 架线式电机车运行时，维护管理简便，运输费用低。受电弓与架空线间难免产生火花，煤矿安全规程规定，只能在低沼气矿井进风（全风压通风）的主要运输巷道内使用，巷道支护必须使用不可燃性材料。蓄电池式电机车由车上携带的蓄电池供电，有防爆型电池，可用于瓦斯含量大的矿井。运输线路不受限制，但需要充电设施，蓄电池放电到规定值时需更换且本身自重较大。蓄电池式电机车蓄电池式电机车 蓄电池式电机车是用蓄电池供给电能的。蓄电池充电一般在井下电机车库运行。电机车上的蓄电池组用到一定程度后，就把它取下换上充好电的。因此，每台电机车必须配备2-3套蓄电池组。优点：无火花引爆危险，适合在有瓦斯的矿井使
5、用；不须架线，使用灵活，对于产量小、巷道不太规则的运输系统和巷道掘进运输很适用。缺点：须设充电设备；初期投资大；用电效率低，运输费用较高。蓄电池式电机车的工作原理蓄电池式电机车的工作原理 蓄电池式电机车的工作过程蓄电池提供的直流电经隔爆插销、控制器、电阻箱进入电动机，驱动电动机运转。电动机通过传动装置带动车轮转动，从而牵引列车行驶。蓄电池式电机车三、电机车的基本部件三、电机车的基本部件 矿用电机车是由机械设备和电气设备两大部分组成。二、井工矿用电机车机械结构及电气设备二、井工矿用电机车机械结构及电气设备（一）（一）井工矿井工矿用电机车机械结用电机车机械结构构机械设备包括机械设备包括车架、轮对、
6、轴车架、轮对、轴承和轴箱、弹簧承和轴箱、弹簧托架、制动装置托架、制动装置、加砂装置、齿、加砂装置、齿轮传动装置及联轮传动装置及联接缓冲装置等接缓冲装置等。车架是机车的主体，是安装的基础,包括:车梁、缓冲器和轴卡。电机电机车上所有设备都安装在车架上，车上所有设备都安装在车架上，车架又用弹簧托架和铁棒支承在车架又用弹簧托架和铁棒支承在轴承上。轴承上。车梁：矿车的主要承载部件。缓冲器：直接承受牵引力和冲击。轴卡：车架与轮对的连接体，目前多采用插销式。(一一)车架车架 轮对是由两个压装在轴轮对是由两个压装在轴上的车轮和一根车轴所上的车轮和一根车轴所组成。组成。车轮是由轮心车轮是由轮心2 2和轮圈和轮圈
7、3 3热压装配成的。轮心是热压装配成的。轮心是用铸铁或铸钢制成，轮用铸铁或铸钢制成，轮圈是用钢轧制而成。这圈是用钢轧制而成。这种结构的优点是轮圈磨种结构的优点是轮圈磨损后可以更换，而不致损后可以更换，而不致使整个车轮报废。使整个车轮报废。矿用电机车采用双主动矿用电机车采用双主动轴。轴。(二二)轮对轮对(三三)轴承和轴箱轴承和轴箱车轴通过轴承和轴箱承受车架及其上全部设备的重力。轴箱安装车轴通过轴承和轴箱承受车架及其上全部设备的重力。轴箱安装在车轴两端的轴颈上。在车轴两端的轴颈上。矿用电机车的轴箱：矿用电机车的轴箱：箱内装有一对滚柱轴承箱内装有一对滚柱轴承4，箱壳两侧的滑槽箱壳两侧的滑槽9与车架相
8、配，与车架相配，在不平的轨道上运行时，轮在不平的轨道上运行时，轮轴能在车架中上下移动。轴能在车架中上下移动。轴箱之上部有弹簧托架，轴箱之上部有弹簧托架，此弹簧托架可起缓冲作用。此弹簧托架可起缓冲作用。在箱壳上部有安装弹簧托在箱壳上部有安装弹簧托架铁棒的座孔架铁棒的座孔8。(四四)弹簧托架弹簧托架弹簧托架的作用是缓和运行中对机车的冲击和震动。弹簧托架的作用是缓和运行中对机车的冲击和震动。矿用电机车的均衡托架：矿用电机车的均衡托架：前轴（右轴）上的弹簧托架是单独作用，后轴（左轴）上的弹簧托前轴（右轴）上的弹簧托架是单独作用，后轴（左轴）上的弹簧托架的一端固定在车架上，另一端用均衡梁架的一端固定在车
9、架上，另一端用均衡梁1 1连接，均衡梁连接，均衡梁1 1的中点用铰的中点用铰轴安在车架上。轴安在车架上。均衡梁的作用：均衡梁的作用：当有一个车轮上的负荷增加时当有一个车轮上的负荷增加时（例如轨道局部突起），能通过（例如轨道局部突起），能通过均衡梁的作用把负荷分配到另一均衡梁的作用把负荷分配到另一个车轮上去一部分，以避免一个个车轮上去一部分，以避免一个车轮过载，一个车轮欠载。车轮过载，一个车轮欠载。(五五)制动装置制动装置制动装置是为了在运行中迅速减速和停车之用。制动装置是为了在运行中迅速减速和停车之用。制动装置有制动装置有机械的和电气的机械的和电气的两种，电气制动装置不能使电机车完两种，电气制
10、动装置不能使电机车完全停住，因此每台电机车都装有机械制动装置。全停住，因此每台电机车都装有机械制动装置。机械制动装置按操作方式分有机械制动装置按操作方式分有手动的和气动的手动的和气动的两种。两种。电机车机械制动装置：电机车机械制动装置：四个车轮的内侧各装一个闸四个车轮的内侧各装一个闸瓦瓦9（或（或10），闸瓦铰接在制动），闸瓦铰接在制动杆杆7或或8上。每侧的两个制动杆的上。每侧的两个制动杆的下端用正反扣调整螺丝下端用正反扣调整螺丝11相连，相连，此调整解丝用来调整闸瓦与车轮此调整解丝用来调整闸瓦与车轮轮面的间隙。两个制动杆用连杆轮面的间隙。两个制动杆用连杆12连接，连杆连接，连杆12的顶端铰接
11、在车的顶端铰接在车架上，作为固定支点。架上，作为固定支点。拉杆拉杆6的左右移动使闸瓦进行制动或松闸。拉杆的左右移动使闸瓦进行制动或松闸。拉杆6的动作是由手轮的动作是由手轮1经经螺杆螺杆2和螺母和螺母4组成的螺旋副传递的。螺杆装在车架的孔内，手轮和螺杆组成的螺旋副传递的。螺杆装在车架的孔内，手轮和螺杆只能转动不能移动。只能转动不能移动。螺母螺母4固定在均衡固定在均衡杆杆5的中间，螺母不的中间，螺母不能转动只能移动。能转动只能移动。均衡杆均衡杆5的作用是的作用是将螺旋副的推力平均将螺旋副的推力平均地传给两个拉杆地传给两个拉杆6。(六六)加砂装置加砂装置加砂装置的作用：加砂装置的作用：向机车车轮前的
12、钢轨上撒砂，以增大粘着系数向机车车轮前的钢轨上撒砂，以增大粘着系数。加砂装置包括有四个砂箱，这四个砂箱由司加砂装置包括有四个砂箱，这四个砂箱由司机室中上下两个手柄操纵，一个手柄操纵两机室中上下两个手柄操纵，一个手柄操纵两个砂箱。两个手柄均靠弹簧复位。个砂箱。两个手柄均靠弹簧复位。如图如图4-8所示，当拉动一个手柄时，手柄臂所示，当拉动一个手柄时，手柄臂将拉杆将拉杆1向左拉，于是摇臂向左拉，于是摇臂2将拉杆将拉杆3向上提，向上提，锥体锥体4向上，与砂箱底之间拉开一条缝，砂子向上，与砂箱底之间拉开一条缝，砂子由此缝流出，经出砂导管由此缝流出，经出砂导管5落在轨面上。落在轨面上。砂箱中装有颗粒不大于
13、砂箱中装有颗粒不大于1mm的干砂。的干砂。(七七)齿轮传动装置齿轮传动装置在小型矿用电机车上，一般是用一台牵引电在小型矿用电机车上，一般是用一台牵引电动机通过传动齿轮同时带动两个轴的传动方动机通过传动齿轮同时带动两个轴的传动方式。式。在中型矿用电机车上，用两台牵引电动机分别带动两个轴。传动装置为一级在中型矿用电机车上，用两台牵引电动机分别带动两个轴。传动装置为一级齿轮减速。齿轮减速。牵引电动机的一侧用抱轴承牵引电动机的一侧用抱轴承1安在车轴上，另一侧用机壳上的挂耳安在车轴上，另一侧用机壳上的挂耳2通过弹簧通过弹簧吊挂在车架上。吊挂在车架上。这种安装方式既能缓和运行中对这种安装方式既能缓和运行中
14、对电动机的冲击和震动，又能保证传电动机的冲击和震动，又能保证传动齿轮处于正常啮合状态。动齿轮处于正常啮合状态。在在14t及及20t电机车上，由于采用电机车上，由于采用高旋转速度、尺寸较小、功率较大高旋转速度、尺寸较小、功率较大的牵引电动机，所以采用二级齿轮的牵引电动机，所以采用二级齿轮减速。齿轮在减速箱内工作，既能减速。齿轮在减速箱内工作，既能提高其传动效率，又能增加其寿命。提高其传动效率，又能增加其寿命。电动机的一端用凸缘与减速箱联接，电动机的一端用凸缘与减速箱联接，另一端用机壳上的挂耳通过弹簧挂另一端用机壳上的挂耳通过弹簧挂在车架上。在车架上。(八八)联接缓冲装置联接缓冲装置矿用电机车的前
15、后两端都有联接和缓冲装置。矿用电机车的前后两端都有联接和缓冲装置。为了能牵引具有不同联接高度的矿车，联接装置一般是做成为了能牵引具有不同联接高度的矿车，联接装置一般是做成多层出口的。多层出口的。缓冲装置有缓冲装置有刚性和弹性刚性和弹性两种。两种。蓄电池式电机车用弹性缓冲装置，以减轻对蓄电池的冲击。蓄电池式电机车用弹性缓冲装置，以减轻对蓄电池的冲击。架线式电机车用刚性缓冲装置。架线式电机车用刚性缓冲装置。Page 25二、电气设备电气设备包括牵引电动机、控制器、启动电阻、受电弓、自动开关与照明等。(一一)牵引电动机 目前矿用电机车都采用直流串激电动机作牵引电动机，与其他激磁方式的直流电动机比较，
16、直流串激电动机的优点：(1)串激电动机启动时，能以不大的电流获得较大的启动转矩，因而在要求相同的启动转矩条件下，可采用较小功率的电动机。Page 26 (2)串激电动机的转矩和旋转速度随着列车运行阻力及行驶条件而自动地进行调节。这种特点是由于串激电动机具有软的牵引特性(见图4-24)所决定的。当电机车上坡行驶或负荷较大时，需要较大的牵引力，随着牵引力的增大，电动机的转速会自动地降低。这样，既保证了运行安全，又不致从电网吸取过大的功率。Page 27Page 28 (3)两台串激电动机并联工作时，负荷分配比较均匀。由于两台电动机特性有差异或前后车轮直径不相等，两台电动机的转速不等，会引起各电动机
17、负荷电流不相同，但由于其牵引特性较软，因而负荷电流差异很小，约在510范围内。这样，可以避免个别电动机在运转中因负荷不均匀而产生严重过负荷现象。(4)当架空电网的电压变动时，只影响串激电动机的转速，而不影响其转矩。这样，就使得当架空电网的电压降很大时，电机车也能启动。Page 29n 此外，串激电动机构造简单、体积和质量都较小，也是其重要的优点。n 但是，串激电动机也有缺点，如调整性能差等。Page 30n 牵引电动机的特性：指运行速度v,轮缘牵引力F以及效率与电枢电流之间的关系，即速度特性=f1(I)，牵引力特性F=f2(I)及效率特性=f3(I)，这些特性均用曲线表示。图4-24及图4-2
18、5分别为ZQ-21型及ZQ-24型牵引电动机的特性曲线。n牵引电动机的功率分长时功率和小时功率。长时功率：指在电机绝缘材料的允许温升条件下电机长时运转时能够输出的最大功率，主要取决于电机的散热能力。Page 32 小时功率：指在允许温升条件下，电机连续运转一小时的最大功率，它是牵引电动机的额定功率，它主要取决于电机的绝缘材料和冷却性能的好坏。n 与功率相对应的电流牵引力和转速也有长时制和小时制之分。Page 33（二）启动电阻n 作用:是限制牵引电动机的启动电流。n 组成:通常由几个单独的电阻元件组成，因连接方式不同，电阻值大小也不相同。矿用电机车一般采用带状电阻。启动电阻是牵引电动机进行启动
19、、调速和电气制动。n(三)控制器n 作用:操纵牵引电动机及电机车运行.即控制和换向n(四)受电弓n 作用:从架空线上取用电能n 分类;构造可分为弓式和接触式n(五)自动开关与照明装置n 自动开关、前后照明灯等直流牵引电动机司机控制器启动电阻自动开关Page 38 第三节电机车的电气制动 电机车的电气制动是指对牵引电动机进行启动、调整、断电运行、电气制动及换向运行等控制。一、矿用电机车的启动 牵引电动机在静止时电枢绕组内没有反电势，而绕组本身电阻又很小，因此，如果在启动时把牵引电动机直接接至全电压电网，则在静止的电动机各绕组中通过的电流很大，会引起绕组很快发热甚至烧毁。此外，还会产生很大的转矩，
20、引起机械部分的损坏。为了限制启动时的电流冲击，并保持一定的电流数值，普遍采用在牵引电动机的电路中串接启动电阻和将两台牵引电动机串并联的方法进行启动。Page 392 2启动方法(1)(1)串接电阻的启动方法串接电阻的启动方法。架空线的电压为U，电动机绕组电阻为ra，电阻是Rp,电动机反向电势为E，则电枢电流为，papaRrncURrEUI2222其中，C-与电动机构造有关的常数；-工作磁通；n-电动机转速Page 40由上式可知，反电动势E随转数增加而增加，电枢电流逐渐减小。启动瞬时，E 为零，启动电流很大，为限制启动电流接入附加电阻。启动后，必须保持牵引力不变，需要相应地减小附加启动电流。P
21、age 41(2)(2)串并联启动方法。串并联启动方法。矿用电机车还采用了两台牵引电动机串并联启动的方法。开始启动时，第一步先将两台电动机串联，并加入启动电阻RP如图4-26所示，然后逐段切除电阻，直至RP=0。第二步是将两台电动机并联，加入适当的电阻Rp。然后逐段切除，直至两台电动机不带电阻并联运行，这时电机车即达到全速运行。Page 42Page 43二、牵引电动机的调速（一）（一）改变电动机的端电压改变电动机的端电压 (1)(1)串联电阻法。串联电阻法。电路内串联接入一个电阻，通过改变此电阻的数值来调节电动机的端电压。但是这个方法很不经济，因为在电阻器中将消耗大量的电能，所以电阻器实际上
22、只能作为启动之用，而不应该用来调速。(2)(2)串并联法。串并联法。改变两台牵引电动机的联接方式(串并联法)是一种经济的调速方法，但选种调速方法平滑性较差。因为矿用电机车对调速的要求不高，一般正常运行为并联(高速)，过道岔及弯道时为串联(低速)。Page 44Page 45 (3)(3)可控硅脉冲调速法。可控硅脉冲调速法。在牵引电动机的电路中串联可控硅元件，利用可控硅断续供电改变电动机端电压的平均值，以达到调速的目的。（二）改变电动机的磁场强度 单电机小型矿用电机车采用这种方法。(1)(1)改变激磁绕组的匝数。改变激磁绕组的匝数。为了改变激磁绕组的匝数，需要把激磁绕组分为两组，如图4-27(a
23、)，当两组激磁绕组全部接入主电路时，磁场强度最大，电动机旋转速度最低。当只有一组激磁绕组接入主电路时，由于激磁绕组的匝数减少，因此，磁场被削弱，电动机旋转速度增高。Page 46Page 47 (2)(2)改变激磁绕组的接线。改变激磁绕组的接线。改变激磁绕组的连接方式，如图4-27(b)所示。串联时为满磁场，电动机旋转速度最低。激磁绕组并联时将削弱磁场，电动机旋转速度增高。这种方法的优点是经济性和平滑性好。但调速范围有一定的限制。Page 48三、三、电气制动电气制动 矿用电机车的电气制动大多数是采用动力制动，或称能耗制动。原理：根据牵引电动机在一定工作条件下可以转变为发电机运转的可逆性。当牵
24、引电动机转变为发电机工作时，列车的动能转变为电能，这时，电流将转变为相反的方向，使电动机轴上产生制动力。在进行电气制动的过程中，将产生的电能直接消耗在电阻器上。Page 49 动力制动的优点：不从电网吸取电能，线路比较简单，同时产生的机械冲击也不大。缺点：制动过程中，电动机中有电流通过，因此电机绕组的温升要增大，故牵引电动机的功率比不用动力制动者增加1520。此外，采用动力制动不能达到完全停车，还需使用闸瓦制动。Page 50n 要实现动力制动必须解决两个问题：要实现动力制动必须解决两个问题：一是制动前后串激磁场中的电流方向不能改变，否则会产生去磁作用而失去制动力；二是在制动时两台电动机均变成
25、串激发电机，其负荷为同一个制动电阻器，相当于两台串激发电机并联运行，而串激发电机的并联运行是不稳定的。为了解决上述两个问题，必须采用两台电机的激磁绕阻必须采用两台电机的激磁绕阻交叉联接线路或交叉一桥式联接线路。交叉联接线路或交叉一桥式联接线路。目前ZK型架线式电机车的电气制动线路都是采用交叉一桥式联接线路。第五节第五节 列车运行理论列车运行理论列车运行理论是研究作用于列车上的各种力与其运动状态的关系以及机车牵引力和制动力的产生等问题。一、列车运行基本方程式一、列车运行基本方程式 在讨论列车运行基本方程式时，为简化起见，假定电机车与矿车之间、矿车与矿车之间的联接都是刚性的，因而在运动的任何瞬间列
26、车中各部分的速度或加速度都是相同的，把整个列车当做平移运动的刚体看待与实际情况虽有差异，但其结果对应用影响不大。列车运行有以下三种状态：(1)(1)牵引状态牵引状态，列车在牵引电动机产生的牵引力作用下加速启动或匀速运行；(2)(2)惯性状态，惯性状态，牵引电动机断电后列车靠惯性运行，一般这种状态为减速运行；(3)(3)制动状态，制动状态，列车在制动闸瓦或牵引电动机产生的制动力矩作用下减速运行或停车。(一一)牵引状态的列车运行基本方程式牵引状态的列车运行基本方程式 列车在牵引状态(加速运行)下，沿着运行方向作用在列车上有牵引力F、静阻力Fj、惯性阻力Fa。根据力的平衡原理，列车在牵引状态下的力平
27、衡方程式为：1.1.惯性阻力惯性阻力 列车在平移运动的同时，还有电动机的电枢、齿轮以及轮对等部件的旋转运动。为了考虑旋转运动对惯性阻力的影响，用惯性用惯性系数来增大平移运动的惯性阻力。系数来增大平移运动的惯性阻力。0ajFFF(4-1)因此，惯性阻力Fa可用下式表示:式中：M为电机车和矿车组的全部质量，m=(P+Q)1000 kg；md为电机车质量；mz为矿车组质量；为惯性系数；a为列车加速度。将m值及值代式(42)，得：amFa)1(4-3)(4-2)ammFzda)(11002 2静阻力静阻力 列车运行的静阻力包括基本阻力、坡道阻力、静阻力包括基本阻力、坡道阻力、弯道阻力、道岔阻力及气流阻
28、力弯道阻力、道岔阻力及气流阻力等。对于矿用电机车，由于运行速度低，后三者都不予考虑，只考虑基本阻力和坡道阻力。(1)(1)基本阻力基本阻力 基本阻力是指轮对的轴颈与轴承间的摩擦阻力、车轮在轨道上的滚动摩擦阻力、轮缘与轨道间的滑动摩擦阻力以及列车在轨道上运行时的冲击震动所引起的附加阻力等。通常基本阻力是经过试验来确定的。有了阻力系数以后，基本阻力可按下式计算：式中：F0为基本阻力,N；g为重力加速度，取9.8 ms2；为列车运行阻力系数。(2)(2)坡道阻力坡道阻力 坡道阻力是列车在坡道上运行时，由于列车重力沿坡道倾斜方向的分力而引起的阻力。gmmFzd)(10000(4-4)设为坡道的倾角，则
29、坡道阻力为：在计算时，如列车为上坡运行，上式右端取“+”号，如为下坡，则取-号。一般情况下，电机车运行轨道的倾角都很小，因此sintan，而tan=i。式中i为轨道坡度()。将前面两式代入式(4-5)，即得：sin)(1000gmmFzdiigmmFzdi)(1000(4-5)(4-6)列车运行的静阻力应为基本阻力和坡道阻力之和列车运行的静阻力应为基本阻力和坡道阻力之和，即：将式(4-3)和式(4-6)代入式(4-1)，便得到牵引电动机所必须产生的牵引力为：上式就是列车在牵引状态下的运行基本方程式，利用这个方程式可求出在一定条件下机车所必须给出的牵引力，或者根据电机车的牵引力求出列车中的矿车数
30、。gimmFzdj)(1000ijFFF0(4-7)(4-8)1.1)(1000agimmFzdj二、电机车的牵引力二、电机车的牵引力 如图4-28所示，主动轮对受到牵引电动机传来的转矩M，使车轮以轮轴为中心旋转.M=FC.D/2FC车轮作用于轨道接触点上的力.由于M的作用，轮对将有绕中心c作顺时针方向旋转的趋势，而轮缘上的同轨面接触的那一点O，相对于轨面来说，有向左滑动的趋势，因此在轮缘上的点受到轨面所给的切向摩擦反力F0，其方向是向右的；由于摩擦阻力FO的作用，使轮缘上同钢轨接触的那一点O不会在轨面上向左滑动。理想情况下，整个轮对将以O点为瞬时中心向前滚动，即轮对作纯滚动运动。而轮对中心c
31、点作向前的平移运动。此时，列车的一部分运行阻力将通过电机车的联接器、车架及轴箱作用在轮对的中心c点，这就是图中的Fc。由上述分析可以看出，主动轮对得到一个转矩M以后轨面对接触点o产生了一个摩擦反力F0，它的方向与列车运行方向相同。正是这个摩擦反力F0克服了列车的运行阻力FC而使列车向前作平移运动。对于电机车来说，F0是牵引列车向前运动的外力，称为牵引力或轮缘牵引力。F0与FC因大小相等方向相反，且作用在两条平行线上，形成一对力偶。该力偶与转矩M大小相等而方向相反，使转矩M得以平衡，从而使轮缘上的o点不致于沿轨面滑动。这样，就使轮与轨面互相接触的那一点好像粘着在一起一样，所以F0称为粘着力。由式
32、(4-17)可知，当列车运行阻力增加时，必然引起转矩M的增加，也就是说牵引电动机必须给出更大的转矩。同时，轮缘牵引力也必须同时增大，以平衡列车运行阻力使列车向前运动。但是，无论是电动机的输出转矩，还是粘着力都不能无限制地增大。电动机输出的牵引力牵引力(由转矩转换成的轮缘牵引力)受到电受到电动机的温升条件限制动机的温升条件限制。粘着力，它本质上是摩擦力，受到摩擦条件或者粘着力，它本质上是摩擦力，受到摩擦条件或者叫做粘着条件的限制。叫做粘着条件的限制。单个主动轮对能够产生的最大轮缘牵引力为：式中；即电机车分配在单个主动轮对上的正压力，KN；为粘着系数。(4-18)0max1000PFo为了使主动轮
33、对的轮缘上同轨面的接触点在轨面使主动轮对的轮缘上同轨面的接触点在轨面不发生相对滑动不发生相对滑动，该主动轮对产生的轮缘牵引力F0应满足：这就是单个轮对的粘着条件单个轮对的粘着条件。以上分析是就一个主动轮对而言的，对于整台电机车，能够产生的最大轮缘牵引力为：式中：Pn为机车作用在全部主动轮对上的粘着重力，KN，若电机车的全部轮对均为主动轮，则其粘着重力等于电机车的总重量。01000PFo(4-19)(4-20)nPF1000max 式中：F为电机车为克服列车运行阻力所必须提供的牵引力，由式(4-8)根据不同运行状态求出。公式中关键的参数是粘着系数公式中关键的参数是粘着系数。在理想状态下，也就是在
34、车轮沿轨道作纯滚动运动的情况下，粘着系数应为静摩擦因数。三、制动力三、制动力 闸瓦制动器的结构如前所述，制动运行时，作用在机车上的力有惯性力惯性力，静阻力静阻力和制动力制动力。如图4-29所示，用一个制动轮对来说明制动力的产生。P0g为制动轮对所分配的电机车重力；N0为轨面对轮对的法向反力，显然，P0g=N0。当闸瓦施以正压力N1(作用在轮缘的均布力，以集中力代之)时，轮缘即产生切向滑切向滑动摩擦力动摩擦力T0，其方向与车轮旋转方向相反。轮缘即产生切向滑动摩擦力切向滑动摩擦力T0式中：为制动闸瓦与轮缘问的滑动摩擦因数，取决于闸瓦衬垫的材料、运行速度及闸瓦比压；在T0的作用下。车轮受到一个逆时针
35、方向的转矩。在这一转矩作用下，车轮轮缘上同轨面的接触点O有沿轨面向前滑动的趋势。因而轨面对轮缘将产生一个切向静摩擦力B0，它的方向与车轮旋转方向相同，根据转矩平衡条件B0R-T0R=O得出：10NT(4-22)00TB(4-23)由此可见，B0就是电机车一个制动轮所产生的制动力。在B0和静阻力Fj的作用下，轮对即列车减速运行，减速度为b，因而产生制动的惯性力随Fa、B0及Fj一起与Fa正好平衡。当T0增大时B0相应地增大，因而减速度也增加，使列车能较快地制动住。然而，制动力B0受粘着条件的限制。一个制动轮对能够产生的最大制动力为：(4-24)0max01000PB整台电机车能够产生的最大制动力
36、为：式中：P0为一个制动轮对的制动重力，KN；Pz为整台电机车的制动重力，KN；对于全部轮对均装有制动闸的电机车，此质量即为电机车总质量，即Pz=P；为制动状态的粘着系数。在理想状况下，即在制动车轮保持纯滚动的情况下，制动状态的粘着系数值应为静摩擦因数值。(4-25)zPB1000max 然而，对于电机车的四个车轮来说，有的做纯滚动，有的既滚动又滑动。因此，制动制动状态的粘着系数值介于静摩擦因数值与滑动状态的粘着系数值介于静摩擦因数值与滑动摩擦因数值之间。摩擦因数值之间。如果闸瓦的压力N1继续增加，以致使整个电机车的制动力超过式(4-25)的数值，即把车轮抱死时，则制动车轮轮缘。点将沿轨面向前
37、滑动。这时，制动力约减少一半，制动减速度大大降低，制动距离却增大了。因此，闸瓦压力不能过大，台理的闸瓦压力应使制动力为：如果闸瓦最大总压力为Nmax，总摩擦力为Tmax，对于整台电机车来说，式(4-22)可以变为：对整台电机车来说，由式(4-23)可得到：(4-26)maxmaxNTmaxmaxTB(4-28)(4-27)zPB10000 把式(4-25)及式(4-27)代入式(4-28)，可求得：或 式中：为闸压系数。考虑到对于铸铁闸瓦，0.180.20，=0.090.17，故=0.50.94，为了保证车轮不被包死，闸压系数值不应超过0.9。zzPPN10001000max(4-30)(4-
38、29)zPB1000max三、列车组成的计算 计算列车组成计算列车组成就是确定车组应由多少辆矿车组成。列车组成的计算按三个条件来进行，这三个条件是：n电机车的粘着条件电机车的粘着条件；n牵引电动机的允许温升条件牵引电动机的允许温升条件；n列车的制动条件。列车的制动条件。按这三个条件计算的结果取其最小者按这三个条件计算的结果取其最小者。(一)按电机车的粘着质量计算重车组质量 按此条件计算时需要考虑到最困难的情况，即电机车牵即电机车牵引重车组沿上坡启动引重车组沿上坡启动车轮不打滑车轮不打滑。根据式(4-8)可得电机车牵引重车组沿平均坡度的直线轨道上城启动时所需给出的牵引力为：另外，根据电机车的粘着
39、条件，即把式(4-33)代入式(4-21)之后得到：n所以：1000()()1.075 zzpFPQiga1000()()1.075 100zzpnPQigaP g()1.075nzzpPgQPi ga（4-34）(4-33)粘着质量够不够大？(二)按牵引电动机温升条件计算重车组质量温升条件温升条件机车经一个往返运行，牵引电机的机车经一个往返运行，牵引电机的温升不超过允许值；温升不超过允许值；实质上就是按照电动机的等值电流不超过长时电实质上就是按照电动机的等值电流不超过长时电流的条件流的条件。机车往返一次，包括牵引重车组、空车组和在车机车往返一次，包括牵引重车组、空车组和在车场调车作业。检查牵
40、引电机的温升是否超过允许场调车作业。检查牵引电机的温升是否超过允许值，可以用值，可以用检查电机的等值牵引力是否超过电机检查电机的等值牵引力是否超过电机长时牵引力代替。长时牵引力代替。等值牵引力可以用均方根法来求得。牵引电动机的输出功率有小时制和长时制之分：牵引电动机的输出功率有小时制和长时制之分：小时制功率：电机连续运行一小时，所能输出的最小时制功率：电机连续运行一小时，所能输出的最大功率，它是电动机的额定功率。大功率，它是电动机的额定功率。长时制功率：电机在允许温升下，电动机长时连续长时制功率：电机在允许温升下，电动机长时连续运行时，所能输出的最大功率。运行时，所能输出的最大功率。电机车的牵
41、引力、车速及电流也都与功率相对应的电机车的牵引力、车速及电流也都与功率相对应的小时制和长时制之分。小时制和长时制之分。休止时间，min,一般取18-22分钟调车系数。1000米取1.4，1000-2000米取1.25,2000 米取1.1522z zk kdyF tFtFT（4-35）kzyttTn 为了使计算进一步简化，假定列车是在理想的等阻坡度上运行。在等阻坡度上运行，在等阻坡度上运行，重列车下坡时的运行阻力等于空列车上坡时重列车下坡时的运行阻力等于空列车上坡时的运行阻力。（的运行阻力。（0.2%）虽然这个假定与实际情况有出入，但由于一般平均坡度与等阻坡度比较接近，所以计算还是比较准确的。
42、因有这个假定，故上式中重列车与空列车牵引力相等，即：zkFF（4-36）将式(4-36)代入式(4-35)，即得：因 令则式(4-37)为：zkdzyttFFTyzkTttyyTTdzFF（4-40）（4-38）（4-39）（4-37）而：将式(4-41)代入式(4-40）中即得：为了使牵引电动机温升不超过允许温升，电机车的等值牵引力应不大于长时牵引力，即：1000()()zzzdFP Qi g1000()dzzdFQPig dchFF（4-41）（4-42）（4-43）将式(4-43)代入式(4-42)中，即得按牵引电动机温升条件计算的重车组质量为：列车运行时间为：1000()chzzdFQ
43、Pi g 2100060ypLTv（4-44）（4-45）chPVV75.0nnnAAALALALAL212211(三)按制动条件计算重车组质量 为了安全起见，煤矿安全规程规定：运送物料时列车的制动距离不得超过运送物料时列车的制动距离不得超过40m40m，运，运送人员时不得超过送人员时不得超过20m20m。这个距离是根据电机车照明灯的有效照射距离来制定的。制动距离是指从司机开始拨动闸轮或电闸手把到机车完全停止的距离。在计算重车组质量时必须遵守这一规定，并应按最不利的情况，即按重列车下坡制动时，即按重列车下坡制动时，制动距离不超过规定值制动距离不超过规定值。列车开始制动时的速度为长时速度vch，
44、则制动时的减速度b为：由式(4-15)可以求得当重列车沿直线轨道下坡制动时电机车的制动力为：式中：为平均坡度，；z为重列车运行阻力系数。（4-46）1000()1.075()zpzBPQbig（4-47）ZchlVb22Pi将式(4-26)代入上式得：由上式得出按制动条件计算重车组质量的公式为：式中：Pz为电机车的制动质量，对于矿用电机车，它等于电机车的全部质量P，t；为制动时的粘着系数，如撒砂时取0.17。1000()1.075()1000zpzzPQbigP g1.075()zzpzPgQPbig（4-48）按上述三个条件分别求出重车组质量之后，应取三者中之最小者来确定车组中的矿应取三者中
45、之最小者来确定车组中的矿车数。车数。车组中的矿车数可由下式求得：n 应当指出，由以上方法确定的车组中的矿车数，仅仅是从电机车牵引的技术可能性出发的，最有利的矿车数还要以实际条件和技最有利的矿车数还要以实际条件和技术经济比较作为基础。术经济比较作为基础。0zQZGG（4-49）四、列车组成的验算 按上述方法确定了重车组质量后，还要验算实际的电动机的温升和列车制动距离。n 原因是：按温升条件计算重车组质量时，是按等阻坡度等阻坡度，并以加权平均运输距离加权平均运输距离为条件计算的；按制动条件计算重车组质量时，是用电机车的长长时速度计算的减速度时速度计算的减速度。需要按在平均坡度平均坡度且在最长距离运
46、行时最长距离运行时，验算其等值电流是否超过长时电流。并且按实际运行速度和实际所得到的减速度速度和实际所得到的减速度验算其制动距离是否符合煤矿安全规程规定。为什么要进行验算呢？为什么要进行验算呢？(一)验算实际电动机温升n按平均坡度按平均坡度i ip p及最长运输距离及最长运输距离L Lmaxmax来验算。首先，计算出牵引重列车和空列车达到全速稳态时电机车的牵引力：然后再算出每台牵引电动机的牵引力：01000()()zzdFPZ GGig()zzdFFNn()kkdFFNn 01000()()kkdFPZ GGig根据 查牵引电动机的特性曲线，得重列车和空列车的电动机电流 及速度 ，得平均运行速
47、度kkPzzpVVVV75.075.0KzII 和KzVV 和KzFF和n重列车及空列车以其平均运行速度在最长运输距离上的运行时间为：n这时，便可用以下公式计算一个运输循环的牵引电动机的等值电流值：max,1000(min)60zz pLtvmax,1000(min)60kk pLtv（4-50）kzkkZZdtttItII22 如果电动机的等值电流值不超过它的长时电流值，即：则电动机的等值电流不会发热到超过它的允许温升，故合适。如果如果I Id dIIchch，则需减少车组中的矿车数，则需减少车组中的矿车数，并重新进行计算，直到等值电流不超过长时电流为止。dchII（4-51）(二)验算制动
48、距离n 按重列车重列车运行速度及最大制动减速度验算制动距离。重列车下坡制动时，电机车必须给出的制动力可由式(4-47)求出，即：而电机车接粘着条件能够给出的最大制动力可按式(4-26)求出，即：01000()1.075()pzBP Z G Gbigmax1000zBP g（4-52）令B=Bmax，则可求得制动时的减速度为：n列车的制动距离为：即：00()()0.11()zzpPPZ GGibPZ GG22zzvlb2000.055()()()zzzzpvPZ GGlPPZ GGi（4-53）（4-54）（4-55）上式计算出的制动距离不能超过40m，若超过40m时，可采用限制列车速度或减少列
49、车中的矿车数等措施解决。五、电机车台数的确定 矿井(或水平)所需电机车台数，应按该矿井(或水平)投产初期和生产后期分别进行计算。投产时按前期计算的台数配置电机车台数，以后随生产的发展再陆续增添。生产后期所需的机车台数是进行供电设备(包括牵引变流所及牵引电瓶等)计算的依据。(1)列车往返一次所需的时间：(2)一台电机车在一个班内可能往返的次数：(3)每班运输货载所需列车次数：,10001000(min)6060z pK pLLTvv6 0btnT12bkk k AnZG（4-55）（4-56）（4-57）电机车每班工作的小时数，电机车每班工作的小时数，不运人取不运人取7小时，运送人小时，运送人员
50、取员取7.5小时。小时。运输不均匀系数矸石系数bAK每班外运矸石量12每班运煤量t/班(4)每班运人所需列车次数 当主要行人平巷的水平距离大于1.5 km时，上下班要用车辆运送人员，矿井一般均为两翼开采，两翼每班运送人员按一次考虑，共计两次nr=2次班；运距小于1.5 km时，不用车辆运送人员nr=0。(5)每班列车运输的总次数：(6)工作电机车台数：0knnn00nNn（4-58）（4-59）(7)矿井电机车总台数：0bN NN（4-60）六、蓄电池式电机车的计算特点 除按粘着条件、电动机温升条件及制动条件确定车组质量外，对蓄电池式电机车还应按电池组的容量来确定车组质量。(1)在一个往返周期
