由于各被牵引车辆在公铁牵引时,均处于无动力的自由状态,故系统的受力可表示为:
F t=F a+F b
其中,F t——牵引车提供动力;
F a——牵引车所受阻力:
F b——被牵引车所受阻力:
被牵引车阻力F b
F b按产生原因可以分为基本阻力和附加阻力两种;按运动状态可分为起动阻力W q和运行阻力。
起动基本阻力
N
W q=∑(m k∙g∙w qk)
K=1
m k——第k节被牵引车的质量(t);
w qk——第k节被牵引车的起动单位基本阻力(N/kN),电力、内燃车取5N/kN; N——被牵引列车的节数;
g——9.81m/s2.
故:
W q=m∙g∙w q=200×9.81×5=9.81KN
运行基本阻力——基本阻力+附加阻力
基本阻力(轴承摩擦、车轮在钢轨上滚动、车轮与钢轨的滑动摩擦等)
w0=A+Bv+Cv2
其中:w0——被牵引车运行单位基本阻力(N/kN);
v——列车运行速度(km/h)。
被牵引车辆的运行基本阻力为:
N
W0=∑(m k∙g∙w0k)
K=1
附加阻力(坡道附加阻力、曲线附加阻力、隧道附加阻力等)
运行阻力:
动车组最大基本阻力:CRH2动车组w0=0.88+0.0074v+0.000114v2
电力机车基本阻力:8G型:w0=2.55+0.0083v+0.000212v2
内燃机车基本阻力:ND5型:w0=2.98+0.0202v+0.000033v2
牵引时速度为5km/h,不足10km/h按照10km/h计算。
得出w0最大为3.2N/kN.
按照牵引吨位200t计算:W0=200×9.8×(w0)=6.3KN
最大启动力:
F=μmg=0.25×200×9.8=490KN 最小启动力:
F 阻=w0mg=5×200×
9.8
1000
=9.8KN
小车可以提供的牵引力:
T=9549P
n
=
9549×6
2000
=28.7KN
F=4×T∙i
R
=4×
25×28.7
0.31/2
=18.5KN
按照MRT98提供的最大扭力T MAX=940计算,
F MAX=4×T MAX
R
=4×
940
0.31/2
=24.3KN
小车提供的牵引力大于最小启动阻力,小于最大粘着力,可以牵引小车。
根据受力分析,假设小车在负载启动时,前轮处于正好要打滑的临界状态,此时,前轮所受的地面反作用力,即G1=0;
前轮水平方向不受力,即Fa=0;
在启动的瞬间,假设受力点为M,此时,Fa的力臂la=0,Fb的力臂lb=0,G2的力臂h2=0;
根据力矩平衡:
F*h+Fa*la+Fb*lb+G1*a+G2*h2=G*1/2*a
其中,F=F牵
【此处按照牵规计算,F牵=9.81KN;按照招标文件启动牵引力为23KN】因此,23*880+Fa*0+Fb*0+0*2000+G2*0=G*1/2*1700;
故,G=23.812KN=mg;
故,m=2381.2kg;
>2381.2kg时,方可确保前轮不打滑,目前小因此,小车必须在自重m
小车
车自重m
=(3500~4000)kg>2381.2kg;
小车
由此可得,目前设计状态下,牵引200T机车,前轮不打滑。
在启动状态下:
计算后轮在负载启动时的瞬时受力F2=G2;
此时后轮主要受力来自于牵引产生的扭力,以及重力产生的扭力,假设相对于后轮牵引施加的扭力为Fb1=sinβ*cosβ*F;
重力施加的扭力为Gb2=sinα*cosα*G;
F2=G2=Fb1+Gb2=sinβ*cosβ*F+sinα*cosα*G=40.22KN;
此时,后轮承重m2=4.022T;
后轮单轮承重m21=2.011T;
后轮启动需要的扭矩T2=umg*r=1837Nm;
齿箱传动比i=1:19.9;
T2电=92.3Nm;
此时,电机输出功率P=T*n/9550=92.3Nm*1600rpm/9550=15.46KW;
此时,所需输入电流I=P/V=332A;
计算前轮在负载时的瞬时受力F1=G1;
前轮牵引施加的扭力为Fa1=sinγ*cosγ*F;
重力施加的扭力为Ga2=sinα*cosα*G;
F1=G1=Ga1-Fa1=10.79KN;
此时,前轮承重m1=1.079T;
前轮单轮承重m11=0.5385T;
此时前轮需要扭矩T1=492Nm;
齿箱传动比i=1:19.9;
T1电=24.72Nm;
此时,电机输出功率P=T*n/9550=24.72Nm*1600rpm/9550=4.14KW;
此时,所需输入电流I=P/V=86.3A;
因此,加速启动时所需总扭矩T=4658Nm;
所需总电流I总=332A*2+86.3A*2=836.6A。
在连续运行状态下:
由于如果能够正常启动的话,连续运行时就无需考虑前轮打滑问题,计算时,可直接考虑作为一个整体进行计算。
此时,小车施加的扭力,可仅考虑牵引力施加的力;
故,F总=Fa+Fb;
前轮Fa=sinγ*cosγ*F;
后轮Fb=sinβ*cosβ*F;
此时,牵引所需的相对作用力F=F牵=9.7KN;
故,Fa=2.39KN;
Fb=4.78KN;
F总=7.17KN;
此时驱动轮所需的总扭矩T=1456Nm;
齿箱传动比i=1:19.9;
T电=73.2Nm;
此时,电机输出功率P=T*n/9550=73.2Nm*1600rpm/9550=12.3KW;
此时,所需输入电流I=P/V=255.5A。
在空载运行状态下:
由于小车在空载状态下一般为在公路上行驶,故摩擦系数将随路面状态不同而变化,这里取中间值u=0.025;
并且由于启动加速时间较短,这里仅计算以10km/h运行过程中所需的电量;
F=umg=0.025*4000*10=1KN;
故,此时总扭矩T=155Nm;
齿箱传动比i=1:25;
T电=6.2Nm;
此时,电机输出功率P=T*n/9550=6.2Nm*2000rpm/9550=1.30KW;
此时,所需输入电流I=P/V=1.30KW/48V=27A。
空载制动:
制动时小车总重m=4000kg;
胶轮与钢轨粘着系数fa=0.4;
车轮与钢轨粘着力计算:Fh=fa*m*g=0.4×4000×9.8=15.68KN;
F推=F减=ma a=15.68/4=3.92m/s2
2as=v2s=(1.3)2/2/3.92=0.2m
空载时可以提供最大的减速度为3.92m/s2,最小的制动距离为0.2m。
负载制动分析:
制动时机车及小车总重m=204T;
假定机车做匀减速运动,减速度a=0.07m/s2;
减速时间20S,减速距离约28m;
小车自重m1=4T;
胶轮与钢轨粘着系数fa=0.4;
制动时,下车所受推力:
F推=F减-F阻;
其中,F减=ma=204t×0.07=14.28KN;
F 阻=w0mg=5×200×9.8
1000
=9.8KN;
F推=14.28-9.8=4.48KN;
车轮与钢轨粘着力计算:
Fh=fa*m1*g=0.4×4000×9.8=15.68KN; Fh>F推;
因此,在正常状态下,可以有效制动不打滑;
假定Fh=F推
F减=F推+F阻=15.68+9.8=25.48KN a=
F减
m
=
25.48
204t
=0.12
按照初始速度为5km/h计算:
t=v/a=5/3.6/0.12=11.5s
s=7.9m
按照初始速度为4km/h计算:
t=v/a=4/3.6/0.12=9.25s
s=5.1m
制动力矩验算:
制动时所需总扭矩T= F推×r=15.68×0.155=2430.4Nm(按照Fh=F推);
齿箱传动比i=1:25;
T电=97.22Nm;
单个驱动轮电机扭矩T电单=24.3Nm;
T电单<T制=60Nm;
因此,所选型号驱动电机制动满足制动需求。
由此,若选用MRT98的驱动装置,
启动时最大扭矩2600Nm>1837Nm;
额定扭矩540Nm>连续运行485.2Nm;
制动时最大扭矩2600Nm>941Nm;
制动时电机额定扭矩60Nm>24.3Nm;
额定电机功率6.5KW,实际启动时电机输出功率15.46KW,连续运行时电机输出功率3.075KW,然而,由于电机在启动时可以持续2min内4倍功率输出,而启动时间仅为20s,所以该电机可以满足需求;
上述数据均满足需求,可以选用MRT98的驱动装置。