（交通信息工程及控制專業(yè)論文）動車組牽引計算建模及軟件仿真.pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 摘要 列車牽引計算可以解決城際鐵路和城市軌道交通在運營和設(shè)計中一 系列主要技術(shù)問題。如：牽引重量、列車運行速度和區(qū)間的運行時分、列 車制動距離、制動限速、制動能力以及機車能耗等。這些a j 題的解決對于 路網(wǎng)規(guī)劃、選線設(shè)計、行車及信號設(shè)備布置、機車設(shè)計和選型、機車合理 操縱、實施列車監(jiān)控、制定安全規(guī)章和事故分析都有重要的作用。 本文研究的主要內(nèi)容是多質(zhì)點列車牽引計算模型的建立和針對c r h 2 型動車組的牽引計算軟件的仿真。本文先從分析國內(nèi)外已有的牽引計算模 型出發(fā)，在了解了國內(nèi)外牽引計算的發(fā)展過程和發(fā)展趨勢以后，通過對牽 引計算所研究的作用在列車上的三種外力：牽引力、阻力和制動力的分析， 舉例對c r h 2 型動車組進行了多質(zhì)點模型下的受力分析，并給出了力學(xué)方 程組。再結(jié)合后面建立的運動方程，論證了在多質(zhì)點模型下，車鉤力是完 全可以求解出來的。車鉤力的解決可以更好的分析列車在坡道和曲線上受 力的情況，更能真實的反映出列車的實際運行狀態(tài)。對于高速下的列車監(jiān) 控和a t p ( a u t o m a t i o nt r a i np r o t e c t i o n ) 保護提供了更真實的數(shù)據(jù)。 文中的后半部分針對目前應(yīng)用的新車型c r l t 2 型動車組進行了牽引計 算電算軟件的設(shè)計在有了前面多質(zhì)點模型的幫助下，c r l t 2 型動車組牽 引計算電算軟件初步設(shè)計完成，并進行了測試。得到了較滿意的結(jié)果。 關(guān)鍵詞：牽引計算；多質(zhì)點模型；牽引計算電算軟件 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i 頁 a b s t r a c t i r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o nc a ns o l v ei n t e r - c i t yr a i la n du r b a nr a i lt r a n s p o r t i no p e r a t i o na n dd e s i g no fas e r i e so fk e yt e c h n i c a li s s u e s s u c ha s - t r a c t i o n w c i g l l t s p e e da n di n t e r v a lt r a i no p e r a t i n gh o u r s ，t h et r a i nb r a k i n gd i s t a n c e ， b r a k i n gs p e e d ，b r a k i n gc a p a c i t ya n dl o c o m o t i v ee n e r g yc o n s u m p t i o n t h e r e s o l u t i o no ft h e s ei s s u e sf o rn e t w o r kp l a n n i n g ，s e l e c t i o na n dd e s i g no fl i n e ， t r a f f i ca n ds i g n a le q u i p m e n tl a y o u t ，d e s i g na n ds e l e c t i o no fm o t o r c y c l e s ， m o t o r c y c l er e a s o n a b l ec o n t r o l ，m o n i t o r t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h et r a i n ， d e v e l o ps a f e t yr e g u l a t i o n sa n da c c i d e n ta n a l y s i sh a sa ni m p o r t a n tr o l e t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st h ee s t a b l i s h m e n ta b o u tam u l t i - p a r t i c l e m o d e lo ft r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ns o f t w a r eo nc r h 2e l e c t r i c m u l t i p l eu n i tr a i l c a rs e t f i r s tt h i sp a p e ra n a l y z e st h eo l dc a l c u l a t i o nm o d e la t h o m ea n da b r o a d ，u n d e r s t a n d i n gt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s o ft r a c t i o n c a l c u l a t i o na n df u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d sa th o m ea n da b r o a d ，t h e n , a n a l y s i s t h et h r e ef o r e i g n e r s ：t r a c t i o nf o r c e ，r e s i s t a n tf o r c ea n db r a k i n gf o r c et h a tp l a y ar o l eo ft r a i nb yt h et r a c t i o nc a l c u l a t i o ns t u d i e d ，a c c o r d i n ga n a l y z e dt h ef o r c e a b o u tam u l t i p a r t i c l em o d e ls u c ha sc r h 2e l e c t r i cm u l t i p l eu n i tr a i l c a rs e t ， g i v e sm e c h a n i c a le q u a t i o n c o u p l e rf o r c ei sf u l l ys o l v e db yt h ee s t a b l i s h m e n t o fm o t i o ne q u a t i o n sa n dm e c h a n i c a le q u a t i o na b o u tam u l t i - p a r t i c l em o d e l s o l v e dc o u p l e rf o r c ec a na n a l y z ef o r c e sw h e nt h et r a i nm o v e do nt h er a m p a n dc u r v er a i l ，a n dr e f l e c t st h et r u es t a t eo ft h et r a i no p e r a t i o n i tc a np r o v i d e t h et r u ed a t af o rt h em o n i t o r i n gd e v i c e sa n d 冊o nt h eh i g h - s p e e dt r a i n t h el a t t e rp a r to ft h ea r t i c l ed e s i g n e das o f t w a r ea b o u tc r h 2e l e c t r i c m u l t i p l eu n i t r a i l c a rs e t st r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o n w i t ht h e h e l po fa m u l t i p a r t i c l em o d e l i tw a sc o m p l e t e dt h a td e s i g nt h es o f t w a r ea b o u tc r h 2 e l e c t r i cm u l t i p l eu n i tr a i l c a rs e t st r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o n ，a n dh a dr e c e i v e d t h es a t i s f a c t o r yr e s u l ta f t e rd e b u g g i n g 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第m 頁 k e y w o r d s ：t r a c t i o nc a l c u l a t i o n ；am u l t i - p a r t i c l em o d e l ；s o f t w a r ea b o u t t r a c t i o nc a l c u l a t i o n 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 1 1 牽引計算概述 第1 章緒論 11 1 牽引計算研究的內(nèi)容 列車牽引計算是一門鐵路應(yīng)用科學(xué)。它研究的內(nèi)容包括： ( 1 ) 作用在列車上的外力，包括列車牽引力、列車阻力、列車制動力。 ( 2 ) 列車運動與力的關(guān)系一列車運動方程式。 ( 3 ) 研究與列車運動有關(guān)的一系列實際問題的解算方法，包括列車運 行速度與時間的計算、能耗量約計算、牽弓l 重量的計算、列車制動問題的 解算、列車牽引試驗、列車合理操縱等問題。 這些問題的解決是提高列車的運行速度和牽引重量，保證列車的運行 安全和盡量節(jié)約能耗，以及擴大運輸能力、提高運輸效益的重要內(nèi)容因 此，必須講究科學(xué)的管理模式、經(jīng)濟會理的機車操級方式。并且要研究弼 車牽引重量、運行速度、制動距離以及機車能耗等相關(guān)因素?？傊诒?證行車安全的前提下，多拉快跑，節(jié)省能耗，是進行牽引計算研究的初衷。 1 1 2 牽引計算的主要用途 列車牽引計算的用途主要表現(xiàn)在以下幾個方面： ( 1 ) 鐵路運輸：為了使鐵路做到安全、高速、重載、高效，在每次大 提速和運行圖修訂過程中，列車的區(qū)間運行時分、區(qū)間目標速度、列車牽 引重量、限制坡度、制動能力等運營必需的技術(shù)數(shù)據(jù)，都需要牽引計算和 牽引試驗來確定。 ( 2 ) 機車運用：為了節(jié)約簏源，優(yōu)化操作，建立安全、節(jié)能、準點、 以及停車準確的運行模擬模型以提供給司機學(xué)習(xí)指導(dǎo)用，需要牽引計算 西南交通大拳碩士研究生學(xué)位論文第2 頁 結(jié)果的支持和幫助。 ( 3 ) 選線設(shè)計：為了滿足輸送能力和通過能力的要求，達到近期和遠 期的運營目標，需要合理的選擇線路、布置車站和機務(wù)段、確定線路的平 縱斷面。而曲線和坡段會直接影響到牽引計算的結(jié)果，這就需要通過比較 牽引計算的結(jié)果，來選擇線路。 ( 4 ) 通信信號：通信信號設(shè)備的布置，町以直接影響到線路的限速位 置的變化，從而影響到牽引計算的結(jié)果。反之，通過比較牽引計算的結(jié)果， 可選擇合適的通信信號設(shè)備的布置。 ( 5 ) 運輸經(jīng)濟：通過上面4 點的介紹，可以了解到牽引計算對于設(shè)各 的投資和運營支出都有很大影響。因此，需要通過牽引計算中得到的技術(shù) 參數(shù)，來進行技術(shù)經(jīng)濟比較、可行性研究u ，。 1 。2 國內(nèi)外牽引計算研究現(xiàn)狀 12 1 國外研究現(xiàn)狀 國外軌道交通系統(tǒng)發(fā)展得較早，牽引計算的理論和實踐成果也比較 多在列車操作模擬、列車運行仿真、列車自動駕駛等領(lǐng)域中，牽引計算 理論都得到了很人的發(fā)展，尤其是在列車自動控制領(lǐng)域。 對于列車牽引計算與操縱仿真領(lǐng)域，國外比較成熟的系統(tǒng)有北美的 t p c ( t r a i np e r f o r m a n c ec a l c u l a t o r ) 系統(tǒng)，r a i l s i m 系統(tǒng)( 鐵路模擬 系統(tǒng)) ，歐洲的t r a i n s t a r 系統(tǒng)，日本的u t r a s 系統(tǒng)等。 ( 1 ) t p c 系統(tǒng)利用線路平縱斷面以及列車編組，計算列車運行時分， 評價機車牽引性能以及其它各相關(guān)因素，如列車編組、線路條件等變化后 產(chǎn)生的效果。它可咀計算分析列車在長大上坡道、長大下坡道的啟動以及 停車制動性能，也包括列車最大的牽引重量。r a i l s i m 系統(tǒng)以t p c 系統(tǒng)為 基礎(chǔ)，可以精確模擬多個鐵路系統(tǒng)中多種列車的運行； ( 2 ) t r a i n s t a r 系統(tǒng)是一個機車工程師輔助系統(tǒng)，提供了一個智能列 車控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將w a b c 導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)和列車模擬技術(shù)相結(jié)合，提供 了智能輔助系統(tǒng)為達到改善機車操縱，降低能耗，增加安全性等目標， 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁 其關(guān)鍵技術(shù)是提供了自適應(yīng)的列車行為預(yù)測，可以在當前運營條件下預(yù)測 列車的運動行為，并預(yù)測牽引和制動問題； ( 3 ) 日本的u t r a s 系統(tǒng)是日本交通控制實驗室在上世界8 0 年代開始研 制的具有通用意義的鐵路牽引計算和模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)對新干線的交 通控制系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了列車牽引計算、列車模型對運營的影響分析、 延誤恢復(fù)及分析、不同通信信號制式的影響分析、多列車運行能力及效果 評價等功能。 對于列車的自動控制和列車的自動駕駛研究中，a t o 作為列車自動控 制系統(tǒng)的一個重要予系統(tǒng)，利用車載固化信息和地面信息實現(xiàn)對列車牽 引、制動的控制，使列車經(jīng)常處于最優(yōu)的運行狀態(tài)，提高列車的正點率， 節(jié)約能耗。如日本的新干線、德國的i c e 系統(tǒng)、法國的t g v 系統(tǒng)等，都采 用了自動控制系統(tǒng)因為只有自動控制系統(tǒng)，才能達到列車運行所要求的 安全、正點、高速、停車準確等比普通線路要求高得多的目標，而a t c 系統(tǒng)中的自動駕駛系統(tǒng)的核心算法的理論基礎(chǔ)就是牽引計算理論m 。 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對于牽引計算的研究相對落盾于國外。但發(fā)展速度很快，從最初 的人工計算圖解法，到現(xiàn)在的以多質(zhì)點列車模型為基礎(chǔ)的自動計算，一共 經(jīng)歷了三個階段：人工計算和圖解法、單質(zhì)點列車模型的電算法、多質(zhì)點 列車模型的電算法。 ( 1 ) 人工計算和圖解法的特點是采用單質(zhì)點的簡化物理模型，而且必 須假設(shè)有各種換算的取值條件。該方法的問題在于無法對復(fù)雜的牽引和制 動過程進行精確計算，而只能按等效原則采用“假算”的方法。在不考慮 列車縱向動力學(xué)，不求過程，只求結(jié)果，如只考慮安全的制動距離的簡單 要求下，尚能符合設(shè)計、運用部門的需要，并且具有簡單易學(xué)的優(yōu)點 ( 2 ) 單質(zhì)點的列車模型電算法的發(fā)展主要是由于在人工計算中，對制 動距離要分段計算，過程相當煩瑣，期間要涉及許多計算公式的應(yīng)用。于 是就采用電算的方法，按計算流程將相關(guān)的計算公式遍成電算程序，輸入 需要的計算條件并采用按時問或速度分段積分計算制動距離和時間。該方 法只是在計算方式上以電算代替了手工計算，從而有效的提供了計算速度 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁 和精度，但沒有改變單質(zhì)點列車模型的基本計算原理。 ( 3 ) 多質(zhì)點列車模型詳細電算法的發(fā)展，是由于高速、重載列車技術(shù)的 迅速發(fā)展，特別是2 0 0 k m h 以上高速列車技術(shù)的發(fā)展，使原有的簡化計算 方法已不能滿足要求，這主要是因為原有的簡化計算方法存在以下幾個主 要問題： 計算功能有限，無法完成調(diào)速審4 動計算特別是重載列車長大下坡道的 運行計算，也不能對普通列車空電聯(lián)合制動或高速列車的復(fù)合制動方式進 行計算； 不能精確模擬實際列車的牽引_ 和制動操縱運行，包括司機自動制動和 單獨制動的復(fù)合作用； 對于設(shè)計部門要求的線路縱斷面設(shè)計不能精確計算； 空走時間的換算方法不能正確反映列車實際運用的制動減速變化情 況： 不能進行列車縱向動力學(xué)的精確計算。 基于以上的坂因，提出了多質(zhì)點列車模型，該模型的特點是將列車視 為非剮性連接的多質(zhì)點震動系統(tǒng)，并用節(jié)點分塊計算各車輛之間的車鉤 力采用該模型進行列車牽引計算具有以下的幾個優(yōu)點： 可以按實際列車的編組情況進行逐輛編組的詳細計算，包括對不同車 型、制動機和緩沖裝置、空中車輛的混編均可模擬； 對線路斷面包括坡道和曲線均可精確模擬，而不需要簡化計算： 可考慮多個變量函數(shù)并進行實時模擬，如對制動機、緩沖裝置的性能 和列車管壓力剃度均可仿真，而受假設(shè)條件和限制少； 有相當完善的人機接口功能，可隨時觀察和研究列車的運行過程，并 便于今后迸一步開發(fā)自動操縱和列車縱向動力學(xué)的計算功能。 由于多質(zhì)點電算方法具有上述特點，把它作為牽引計算的發(fā)展方向， 已經(jīng)被國內(nèi)外所廣泛采用”，。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁 1 3 本文主要研究的內(nèi)容及意義 1 3 1 本文的研究意義 近年來，隨著城市規(guī)模的擴大，人們生活水平的提高，舾決大城市間 交通問題的一個重要途徑就是大力發(fā)展以動車組為代表的高速軌道交通 系統(tǒng)。這是由于，高速城際軌道交通系統(tǒng)有著運量大，對環(huán)境影響小，單 位能耗低以及乘坐舒適、安全等優(yōu)點。 但是，對于我國目前的高速城際軌道交通系統(tǒng)大多采用成套的國外設(shè) 備而言，我國卻沒有關(guān)于高速軌道交通系統(tǒng)的成套技術(shù)規(guī)范。列車牽引 計算規(guī)程( 簡稱牽規(guī)) 是城際鐵路的牽引計算國家規(guī)范，對于動車組 是不完全適合的。因此，進行動車組牽引計算的研究是有定的意義。 1 3 2 本文的研究內(nèi)容 現(xiàn)有的牽引計算的模型和軟件主要是針對普通鐵路線路上的機車車 輛設(shè)備進行設(shè)計，而針對高速的動車組的牽引計算模型和軟件比較少為 了能夠更好的發(fā)揮高速動車組的性能，有必要編制一套專門針對動車組的 牽引計算軟件，同時，期望這套軟件能夠不僅只對c r h 2 型動車組適用， 也可適用于其它車型，如c r h l ( 龐巴迪) 、c p d - 1 3 、c r h 5 等車型 總的說來，本論文的主要研究內(nèi)容包括兩個方面： 一方面是針對動車組這類車型，建立多質(zhì)點模型，并根據(jù)此模型進行 牽引計算，從而得到較單質(zhì)點模型更準確的牽引計算結(jié)果數(shù)據(jù)和曲線： 另一方面，根據(jù)建立的動車組多質(zhì)點牽引計算模型，編寫出牽引計算 電算軟件，并通過已有的動車組車型的特性參數(shù)，驗證在線路仿真條件下 的牽引計算結(jié)果的正確性，以及對比不同車型的動車組的牽引計算結(jié)果。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁 第2 章牽引計算的力學(xué)模型 牽引計算的基礎(chǔ)是列車的受力模型和受力分析。一般情況下，對于手 工計算，由于計算能力的限制，對整列車采用單質(zhì)點的剛性模型，這樣的 計算模型顯然是精度不高的；對于計算機計算，一般簡稱為電算，利用計 算機的特點，可以采用多質(zhì)點的剛性質(zhì)點鏈模型，這樣計算出來的結(jié)果， 精度較單質(zhì)點模型的計算結(jié)果要離。 只有在分析清楚列車受力的基礎(chǔ)上，才能弄清楚列車運動學(xué)的客觀規(guī) 律，描繪出列車運動的各種曲線，把握列車運動的實質(zhì)，為工程應(yīng)用和科 研提供理論基礎(chǔ)。 2 1 牽引力 2 1 1 牽引力的產(chǎn)生 1 牽引力的定義 牽引力是由動力傳動裝置產(chǎn)生的、與列車運動方向相同、導(dǎo)致列牟運 行并可由司機根據(jù)需要調(diào)節(jié)的外力。 2 牽引力的產(chǎn)生 由定義可以知道，產(chǎn)生牽引力需要2 個條件： ( 1 ) 有可以將其它形式的能量轉(zhuǎn)換為動能的能量轉(zhuǎn)換裝置； ( 2 ) 能夠產(chǎn)生輪軌粘著力。 動力裝置產(chǎn)生的機械能( 熱力牽引) 或直接由接觸網(wǎng)獲得的電能( 電力牽 引) ，通過傳動裝置使動輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的扭矩( 肋，在動輪輪周形成切線力 ( ) ，如圖2 1 所示，依靠輪軌問的粘著產(chǎn)生由鋼軌作用于動輪輪周上的 反作用力( 一，從而使列車發(fā)生平移運動。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁 m 0 j 。j ； 圖2 - i 牽引力的產(chǎn)生 這種由鋼軌作用于動輪輪周上的切向外力，即為牽引力。扭矩與牽 引力，的關(guān)系為： f 。m ( 2 一1 ) r 式中矗吲i 輪的半徑， 如果動輪的標稱半徑是尼，動輪磨損限制為馬則動輪的計算半徑為： r - 民一a ( 2 - 2 ) 2 1 2 牽引力的計算 按照牽規(guī)的規(guī)定，機車牽引力以輪周牽引力為計算標準，即以輪 周牽引力來衡量和表示機車牽引力的大小 在實際使用中，一般根據(jù)已知的牽引特性曲線( 一般由生產(chǎn)廠家或通 過牽引試驗得到) ，然后采用線性插值法或曲線擬和的方法，得到速度與牽 引力的刈成關(guān)系，即對應(yīng)于某一速度下的牽引力的人小。 假設(shè)點( n ，一和( 固是牽引特性曲線上已知的兩點，點( 助為兩 點間速度n 已知的牽引力待求點。根據(jù)線性插值法，該點的牽引力為： e 五+ 絲當蚴( 2 - 3 ) 也一”i 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 責 實際應(yīng)用中，常用到單位重量牽引力一， 骨 。茲( 2 - 4 ) 式中單位重量牽引力( n k n ) ： f f 一總牽引力( k n ) ； f 一列車總質(zhì)量( t ) ； g 一重力加速度( m s 2 ) 。 由于是以輪周牽引力為計算標準，所以，需要考慮到輪周上的切線力 大于輪軌間的粘著力的時候，動輪就會發(fā)生空轉(zhuǎn)。在這里，把所能實現(xiàn)的 最大輪周牽引力稱為粘著牽引力。在提高牽引力的時候，需要考慮到粘著 牽引力，也就是說，除了通過提高機車功率，同時也要提高輪軌間的粘著 牽引力 2 2 阻力 列車阻力是阻礙列車運行，不可控制的外力。 列車的阻力主要由兩部分構(gòu)成，基本阻力和附加阻力。 基本阻力包括列車零部件間的運動阻力、運行中的空氣阻力、以及車 輪與鋼軌摩擦和沖擊造成的阻力 附加阻力包括坡道附加阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力。 2 2 1 基本阻力 構(gòu)成基本阻力的因素有以下幾個方面： 1 車軸軸承摩擦阻力 它與軸承類型、潤滑情況和運行速度有關(guān)。一般來說，滾動軸承比滑 動軸承的摩擦力要小得多，所以采用滾動軸承是發(fā)展商速鐵路必須的；在 冷天時候，潤滑油黏度升高，對減少軸承摩擦力是不利的，所以潤滑油既 要有足夠的潤滑，同時黏度不能能太高：列車剛啟動時候，基本阻力較大， 啟動以后會顯著減小，而隨著速度的繼續(xù)升高，車輛震動加劇，滾子與軸 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁 承的相對滑動加劇，基本阻力又會有所增加。 2 輪孰問的滾動摩擦阻力 這是絕對剛性的物體是不存在的，輪軌間總會有形變發(fā)生，尤其當鋼 軌溫度升商，其硬度降低，列車運行阻力就會增大，所以，采用商質(zhì)量的道 床、軌枕是減少列車運行基本阻力的方法 3 輪軌問的滑動摩擦力 車輪的圓錐形踏面、輪對組裝不正、同一輪對的車輪直徑不等以及機 車車輛的蛇行運動都會導(dǎo)致輪軌間的縱向滑動和橫向滑動，從而引起輪軌 問的滑動摩擦力。 4 輪軌問沖擊震動產(chǎn)生的阻力 軌道接縫、鋼軌不平、車輪擦傷等因索引起的車輛震動和沖擊，都能 消耗掉列車的能量，形成運行中的阻力。 5 空氣阻力 列車在運行中，會出現(xiàn)列車頭部的正壓和尾部負壓，從而形成壓力差， 也就是壓差阻力；在壓力差的作用下，會形成渦流，產(chǎn)生渦流損失；同時 列車表面與空氣摩擦，產(chǎn)生表皮摩擦阻力。根據(jù)機車車輛的動力學(xué)試驗， 列車運行空氣阻力的大小與列車的流線化程度、表面租穩(wěn)度以及外露和突 出部是否屏蔽整流等因素以及列車長度有關(guān)。其計算公式可以表示為： 形一c ，f p v 2 1 2 ( 2 5 ) 式中 睨一空氣阻力( n ) ； c 一空氣阻力系數(shù)； f 列車迎風面的截面積( 神； p 一空氣密度( k g m 3 ) ； v 一列車相對風的速度( m s ) 瞄，。 其中空氣阻力系數(shù)c ，又與酋車的空氣阻力系數(shù)、尾車的空氣阻力系 數(shù)、除了酋車和尾車外的列車靜空氣阻力系數(shù)有關(guān)。它們的關(guān)系如下： c 乙c n + c 1 2 + c i ， ( 2 5 ) 式中c ，一空氣阻力系數(shù)； c 。一首車空氣阻力系數(shù)： c 。：一尾車空氣阻力系數(shù)； c 。一除了首車和尾車外的列車的空氣阻力系數(shù)m - 。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁 由式( 2 5 ) 可以看出，空氣阻力是列車速度的平方的函數(shù)。當列車速 度不高的時候( y c 2 0 0 1 a n h ) ，空氣阻力在基本阻力中占的比例很??；當 列車高速運行時候( v ，2 0 0 k i n h ) ，空氣阻力就成為基本阻力的主要部 分。但是，由于對空氣阻力系數(shù)的計算缺乏具體的理論推導(dǎo)，一般都是根 據(jù)具體的列車編組情況和線路條件，通過多次試驗測得。 這里只是從牽引計算的角度考慮，把空氣阻力看做是阻礙列車運行的 基本阻力，也就是把空氣阻力看做與列車運行方向在一條直線上的力來分 析。可實際情況下，空氣阻力與列車運行方向是有交叉角度的，由于這個 角度的存在，使列車還要受到側(cè)向空氣阻力的作用。由于側(cè)向力的存在， 使列車產(chǎn)生了一個側(cè)向顛覆的力矩。因此，對側(cè)向力的研究對行車安全至 關(guān)重要?？墒鞘艿嚼碚撍降南拗疲话闱闆r下認為，對于2 0 m s 的風速 條件下，直線上列車運行速度不超過2 1 0 k m h ，曲線上列車運行速度不超 過1 7 0 k m h ；對于1 5 m s 的風速條件下，直線上列車運行速度不超過 2 6 0 k m h ，曲線上列車運行速度不超過2 1 2 k m h 。 從以上的分析可以看出，構(gòu)成列車基本阻力的因素很多，而且有的因 素是不能用定量的理論公式來計算的，所以，為了簡化基本阻力的計算， 一般都是通過大量的牽引試驗，針對具體的車型和編組，找到能夠近似的 表征列車基本阻力的公式。 列車單位重量基本阻力的一般公式為： w om a + 枷+ 刪2 ( 2 6 ) 式中列車單位基本阻力( n k n ) ； ，一列車運行速度( k i n h ) ； 口，b ，c 一與車輛類型有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)m 。 2 2 2 附加阻力 附加阻力是由線路或隧道等原因形成的阻力，包括坡道附加阻力、曲 線附加阻力和隧道附加阻力。 1 坡道附加阻力 坡道阻力是列車在坡道運行時，列車的重力沿軌道下坡方向的分力。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 1 頁 圖2 - 2 坡道附加阻力 如圖2 - 2 所示。坡道附加阻力( 形) 為： 彬一m g s i n 0 ( 2 7 ) 式中彬坡道附加阻力( 1 ( n ) ； 材一列車質(zhì)量( t ) ； g 一重力加速度( m s ) 在實際應(yīng)用中，s i n o 不容易得到，而t a n o 在工程設(shè)計中已經(jīng)給出 在實際線路中，坡道夾角0 都比較小，超過3 0 的坡度不多見。所以可 以用t a n o 近似的代替s i n o 。牽規(guī)中規(guī)定坡道的坡度f ，是坡道高度差與 坡道水平長度的比值，用其千分數(shù)表示，規(guī)定取兩位小數(shù)。 同樣的，在牽引計算中，我們常用到單位重量坡道阻力( 嵋) ，它可 以這樣計算得n - 1 l ， m - 衛(wèi)x 1 0 0 0 一1 0 0 0 s i n 0 1 0 0 0 t a n 0 一i( 2 - 8 ) m g 式中 j ；一單位重量坡道附加阻力( n k n ) 。 從式( 2 - 8 ) 中，可以看出單位重量坡道附加阻力在數(shù)值上等于坡道的 坡度千分數(shù)值 2 曲線附加阻力 列車在曲線運行時遇到的阻力大于在同樣條件下的直線運行時的阻 力，其增大的部分叫曲線附加阻力，簡稱曲線阻力。引起曲線阻力的原因 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 2 頁 主要是由于列車在曲線運行時，輪軌間的縱向和橫向滑動、輪緣與鋼軌內(nèi) 側(cè)面的摩擦增加、轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向和側(cè)向力的作用，上下心盤等部分摩擦加劇。 由于曲線阻力的影響因素很多，目前難以用理論推導(dǎo)計算公式，所以 牽規(guī)中規(guī)定，在標準軌距的圓曲線上運行的列車，其單位重量曲線附 加阻力試驗公式為： w ，。受塑( 2 9 ) 尺 式中w 一單位重量曲線阻力( n k n ) ； r 曲線半徑( m ) 。 3 隧道附加阻力 列車在隧道中運行時，空氣阻力要比在空曠地帶中大，空氣阻力增加 的部分稱為隧道附加阻力，簡稱隧道阻力。隧道阻力與隧道長度、隧道截 面積、列車截面積、列車外形等因素有關(guān)當前，從理論上計算隧道阻力 的尚不成熟，通常采用經(jīng)驗公式或者試驗數(shù)據(jù)替代，一般計算單位重量隧 道附加阻力的公式為： m = 0 0 0 0 1 3 , ( 2 - l o ) 式中m 一單位重量隧道附加阻力( n k n ) ； 厶一隧道長度( m ) n ， 對于地鐵而言，由于在計算基本阻力時候已經(jīng)考慮了隧道阻力的影 響，所以不用單獨計算：對于輕軌而言，可以采用式( 2 - 1 0 ) 進行計算。 綜上所述，列車單位重量附加阻力的計算可以用下式來表示： w 1 一+ m + m ( 2 1 1 ) 式中w ，一單位重量附加阻力( n k n ) 。 2 3 制動力 列車制動力是由制動裝置產(chǎn)生的、與列車運行方向相反、阻礙列車運 行的、司機可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)的外力。 根據(jù)產(chǎn)生制動力方法的不同，可以分成以下幾種制動方式：摩擦制動、 動力制動、電磁制動。其中摩擦制動中又包括了閘瓦制動、盤形制動；動 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 3 頁 力制動包括了電阻制動、再生制動、液力制動；電磁制動包括磁軌制動、 軌道渦流制動、盤式渦流制動。根據(jù)c r h 2 型動車組采用電空聯(lián)合制動的 方式，著重討論再生制動和空氣制動。 2 3 1 再生制動 當列車處于制動工況時，輪對上的牽引電機變成發(fā)電機，消耗列車的 動能，并轉(zhuǎn)化為電能，將轉(zhuǎn)換出來的電能直接反饋回牽引電網(wǎng)，這樣的制 動方式就稱為再生制動。 電制動力的計算，一般參考列車電制動特性曲線，采用線性插值法進 行取值。具體計算方法參考式( 2 3 ) ，只要將其中的牽引力換成對應(yīng)的制動 力即可。再生制動的計算也就是用上面的方法計算。 由于電制動的特性是在列車速度較低時候，隨著速度的降低而降低 的，在列車速度較高的時候，隨著速度的提高而提高。因此，在進站制動 等列車速度較低的時候。需要空氣制動來配合。 2 3 2 空氣制動 以壓縮空氣為動力，通過空氣制動機將閘瓦壓緊車輪踏面由摩擦產(chǎn)生 制動力，也有通過壓緊裝在車軸或車輪上的制動盤產(chǎn)生摩擦形成制動力。 前者一般用于普通列車，后者用于準高速或高速列車。這兩種制動方式都 屬于空氣制動。 空氣制動是通過閘瓦與車輪踏面產(chǎn)生摩擦，進而阻止車輪的轉(zhuǎn)動，使 車輪在軌道上產(chǎn)生滑動的趨勢，造成輪軌間沿軌道方向產(chǎn)生相互作用力， 則軌道對車輪的作用力( e ) ，就是產(chǎn)生的制動力。 一般情況下，空氣制動的制動力為： 日，一k 妒。 ( 2 1 2 ) 式中e 一空氣制動力( k n ) ： k 一閘瓦壓力( k n ) ： 純一閘瓦與車輪踏面間的摩擦系數(shù)m ，。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 4 頁 由上式可以看出，空氣制動的制動力與閘瓦壓力、閘瓦與車輪踏面問 的摩擦系數(shù)有關(guān)，而閘瓦壓力受到輪軌間最大靜摩擦系數(shù)的制約，不可能 無限增大，所以提高空氣制動能力的關(guān)鍵就是提高閘瓦與車輪踏面聞的摩 擦系數(shù)。 由于在電空聯(lián)合制動的方式下，電制動優(yōu)先，空氣制動只在緊急制動 情況下驗證。其計算方法可以按照牽規(guī)的計算方法計算，也口j 按照具 體動車組中空氣制動裝置的說明進行計算。 2 4 合力 通過本章前3 節(jié)的受力分析，我們可以確定出列車的所受的合力為： c 一只一w o h ，j b ( 2 一1 3 ) 式中c 一列車所受的含力( k n ) ： 只一列車的總牽引力( k n ) ； 睨一列車所受的基本阻力( k n ) ； 彤：一列車所受的附加阻力( k n ) ； 口一列車所受的制動力( k n ) 。 由上式可以得出，作用在列車上的合力是列車總的牽引力、列車基本 阻力、列車附加阻力、以及列車制動力的代數(shù)和。 同樣，可以得到列車單位重量合力( c ) ： c旦。f-vo-wj-b一wo一，一b(2-14)4 bm c i - 一w 一 ，一 gm g ” 式中c 一列車單位重量合力( n k n ) ； 吖一列車總質(zhì)量( t ) ； g 一重力加速度( m s ) ： b 一單位重量制動力( n k n ) 。 對應(yīng)于列車運行時候的三種不同工況，列車單位重量合力的組成也有 三種情況： 1 牽引工況 c 一一w o 一 ( 2 1 5 ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 5 頁 2 惰行工況 c 。一一 t 0 1 2 ；圈轉(zhuǎn) 慣量0 0 5 ；新輪徑為8 6 0 m m ，舊輪徑為7 9 0 m ；空走時間為2 3 s ；牽引特 性曲線如圖6 - 2 所示：制動特性曲線如圖6 - 3 所示，制動減速度如表6 - 2 所示。 l 撕 】 j j ： ：m 1 - 一一 1- ， 是=1 1 z埋 。_0 婦 t 能bhs ) ， ， 、 三 r ： ， 蘭b 乜一 j， 一 i - 一 f ， - 、 葦 = h 一 恕 ： _ j 止p一、 、 - -h l e虬i “淹 i 豐 f 一 ， _ 。一_ 、 、1 - 一、 1 一f ， 一、 - 一 _一 一 - 、 1 - 一 、j 、 一、1 1 - 鼻一 - i ， ， 一 j 一t - ， - r 】i ij “q 鋤j 。 ，噸生 l ：姐： 0 ll 矩遘i ， 1 l一 一 ， 1 h ； 廿l 。j ，j l 蔓都 i _l - 一 1 【 -i 。 rh $ a建l 一 ：c 4 j ： 一 i n 12 “量j t噼nh 皇。；，磐遣度i m ，熙 盈6 - 2c r h 2 型動車組牽引特性曲線 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 0 頁 表6 屯c r h 2 型動車組制動減速度 速度vo 7 0 k m h7 0 1 1 8k m h 1 1 8 2 6 0k m h 1 n0 1 6 6 7o 2 0 7 2 0 0 0 0 5 7 8 7 vo 1 7 6 5 一o 0 0 0 3 1 8 5 v 4 n0 4 5 8 30 5 7 5 8 一o 0 0 1 6 7 8 2 v0 4 7 8 0 一0 0 0 0 8 4 9 3 v 7 n0 7 4 7 20 9 3 3 6 0 0 0 2 6 6 2 0 v0 7 8 4 4 0 0 0 1 3 9 7 7 v 快速 1 1 2 2 21 4 0 1 7 0 0 0 3 9 9 3 lv1 1 7 9 0 0 0 0 2 1 0 5 4 v 功睪因素蕺蘋t x ) 之、 麓麓壓 1 1 1 0 0 x 1 0 v ) 悸 ； ：4 m生n 機：m 12 0 5壁 l 電機電譴 ) lp! 建te ：20 3 6 ( t i l s 尼ii ) 接齄同n 壓 2 25 k l 盧 - 輪ji 徑；屯機軸功率 3 0) k w ，臺j i l 1 生氣豺動，j 亡l址大耐罐度0 1 1 m ， ：i 也 h 壓f 一、 i 、 斛再生制動； i i i 一 一一 j l 電n 電漉卜 ， l i 。 _ 一于 l 一， 一- _ 一 產(chǎn) j i 輩h 卜 b - 一- # p = i 叻書斟致卜士一 一 掣 _ 。一l一! i l 轉(zhuǎn)茬率l ， ， 7 j 一一一 1 0 0 蕊魔k _ 帥) b o 蓬6 - 3c p 5 1 2 型動車組制動特性曲線 6 2 測試的結(jié)果與輸出 根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，輸入已在計算機上安裝好的軟件數(shù)據(jù)輸入模塊中， 運行程序進行計算。得到的數(shù)據(jù)與手工計算的數(shù)據(jù)進行對比，如表6 3 所示。需要說明的是，手工計算采用的計算模型是單質(zhì)點模型。由表中的 數(shù)據(jù)不但可以比較出軟件的計算爭取與否，還可以比較出單質(zhì)點模型和多 質(zhì)點模型計算結(jié)果的區(qū)別。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 1 頁 表6 3 手工計算與計算機電算結(jié)果數(shù)據(jù)的比較 計算 區(qū)間區(qū)間走行平均最大牽引 起始距離時間速度速度時間牽引率 方法 位置( m )( s )( k i n h )( k m h )( s ) 3 7 5 8 3 22 0 0 3 7 5 1手算 a ( 0 ) 8 ，7 0 0 電算 3 6 08 5 42 0 03 6 0l 3 7 81 9 1 2 0 0 1 4 1 o 3 5手算 8 ，7 0 09 ，1 0 0 電算 3 6 01 9 62 0 01 3 0o 3 2 1 9 91 9 32 0 09 20 4 1 手算 1 7 ，8 0 04 ，6 0 0 電算 1 8 0 1 9 72 0 07 0o 3 8 1 6 01 8 92 0 08 1o 4 9 手算 2 2 ，4 0 06 。1 0 0 電算 1 4 41 9 92 0 06 6o 4 5 1 2 11 9 22 0 06 70 5 6手算 2 8 ，5 0 05 ，1 0 0 電算 1 0 81 9 82 0 05 5o 5 l 1 6 41 9 12 0 07 30 4 5手算 3 3 ，6 0 06 ，6 0 0 電算 1 4 41 9 62 0 06 10 4 2 1 5 5 1 9 0 2 0 0 7 00 4 3 手算 4 0 ，2 0 06 ，9 0 0 電算 1 4 41 9 52 0 05 9o 3 8 手算 2 2 3 1 9 02 0 09 20 4 4 電算 4 7 ，1 0 09 ，6 0 0 2 1 61 9 92 0 0 7 10 3 8 手算 1 1 91 9 02 0 06 0o 5 1 電算 5 6 ，7 0 06 ，1 0 0 1 0 8 1 9 7 2 0 0 4 8o 4 2 手算 1 6 7 1 9 22 0 0 7 30 4 2 電算 6 2 ，8 0 08 ，2 0 0 1 4 41 9 62 0 05 5 o 3 5 手算 1 2 l1 8 92 0 06 30 4 2 電算 7 1 0 0 0 6 ，3 0 0 1 0 81 9 82 0 04 60 3 7 手算 1 5 81 9 32 0 07 10 4 6 電算 7 7 ，3 0 07 ，2 0 0 1 4 41 9 72 0 05 3o 3 9 手算 2 0 31 9 62 0 08 10 4 1 電算 8 4 ，5 0 08 ，7 0 0 1 8 01 9 92 0 06 50 3 2 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 2 頁 手算 1 6 01 8 6 2 0 0 7 1o 4 3 電算 9 3 ，2 0 07 。9 0 0 1 4 4 1 9 12 0 05 8o 4 1 手算 9 3 1 8 42 0 05 3o 5 3 電算 1 0 1 ，1 0 04 。3 0 0 7 2 1 9 32 0 03 00 4 1 9 11 9 1 2 0 0 5 4 o 5 5手算 1 0 5 ，4 0 04 ，3 0 0 電算 7 2 1 9 62 0 02 8 0 4 0 8 61 9 1 2 0 0 3 6 o 4 2手算 1 0 9 ，7 0 03 ，3 0 0 電算 2 1 9 72 0 02 80 4 0 手算 1 1 21 8 62 0 05 80 4 3 電算 1 1 3 ，0 0 0 5 ，7 0 0 1 0 8 1 8 92 0 04 4o 3 5 1 2 11 8 42 0 05 9o 。4 9手算 1 1 8 ，7 0 04 ，6 0 0 電算 1 0 81 9 l 2 0 04 10 3 3 1 2 3 1 8 32 0 06 30 4 9手算 1 2 3 ，3 0 05 ，4 0 0 電算 1 0 81 9 42 0 04 3o 。3 4 手算1 6 51 9 02 0 06 7o 3 6 電算 1 2 , 8 ，7 0 07 ，4 0 0 1 4 41 9 62 0 05 5o 3 5 手算 1 3 0 1 9 02 0 06 8o 5 1 電算 1 3 6 ，1 0 0 5 。4 0 0 1 0 81 9 52 0 04 5o 。3 6 手算 2 7 1 6 32 0 0 1 0 1o 3 7 電算 1 4 1 ，5 0 05 ，5 0 0 2 5 27 51 5 08 9o 3 2 手算 電算 1 4 7 ，0 0 0 從上表中，可以看出軟件達到了計算準確性要求，同時，電算方法采 用的多質(zhì)點模型，比手算方法采用的革質(zhì)點模型更能真實的反殃出動車組 的運行過程。多質(zhì)點計算模型能很好的反映出中間運行時惰行過程，而單 質(zhì)點模型基本看不到惰行過程；多質(zhì)點模型的牽引過程明顯比單質(zhì)點模型 的牽引過程短，同樣，多質(zhì)點模型的制動過程比單質(zhì)點模型也要短，這表 示如果用多質(zhì)點模型的計算結(jié)果數(shù)據(jù)作為動車組監(jiān)控設(shè)備的參考數(shù)據(jù)，會 比用單質(zhì)點模型的計算結(jié)果數(shù)據(jù)更能提高效率，節(jié)約能耗。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文鰓5 3 頁 在通過測試以后，根據(jù)已有的g r i l l 和c r i - 1 5 型動車組的資料，在同樣 的線路上，采用同樣的方法進行牽引計算，然后將計算可以進行如下的比 較，如表6 - 4 所示： 表6 4c r l t l 型、c r h 2 型和c r h 5 型牽引計算結(jié)果比較 走行時b j平均速度最大速度牽引時問 車型 牽引率 ( h )( k m h )( k i n h ) ( h ) c r h to 9 5 1 5 52 0 0o 3 2o 3 4 c r h 2 0 9 81 5 02 0 0o 3 4 o 3 5 c r h 50 9 11 6 2 2 0 0o 2 9o 3 2 從上表中，我們可以看出三種車型的性能不同之處有如下兩點： ( 1 ) c r h l 型車和c r h 5 型車的性能比較相近。兩者的平均運行速度都比 c r h 2 型車高； ( 2 ) c r h l 型車和c r h 5 型車牽引能耗都較c r i t 2 型車低。 這主要跟c r h l 型和c r i j 5 型車的牽引電機性能和編組情況有關(guān)。 ( 1 ) c r h l 型車和c r t t 5 裂車的編組都是5 動3 拖，這與c r h 2 型車的4 動4 拖相比