CN109101670A - 一种窄轨览车牵引制动系统的设计方法 - Google Patents
一种窄轨览车牵引制动系统的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种窄轨览车牵引制动系统的设计方法，包括以下步骤：(1)设定计算依据；计算依据包括线路条件、环境条件和整车参数；(2)阻力计算；包括运行单位基本阻力、附加阻力、列车起动时的总阻力、列车平道运行总阻力、列车速度v＝5km/h时的总阻力、列车速度v＝10km/h时的总阻力；(3)列车牵引特性计算；包括列车最大起动牵引力、牵引电机起动转矩、牵引电机功率、电机最大转速；(4)对牵引电机进行选型；(5)牵引及电制动校核；包括牵引性能计算和电制动性能计算；(6)计算黏着系数校核。本发明对于窄轨览车的制动系统设计合理，能够设计出可靠的制动系统，提升窄轨览车运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及有轨览车，尤其是一种窄轨览车牵引制动系统的设计方 法。
背景技术
小火车作为游乐场供小朋友玩耍的娱乐设施(不是游乐场用小火车， 而是真正跑在轨道上的火车，成人可乘坐，是用于户外的观光火车)，其 自身应具备安全规范，该安全规范除硬件设施外，还包括牵引/制动系统， 目前的窄轨览车缺少系统的牵引/制动的计算来保证其运行的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种窄轨览车牵引制动系统的设 计方法，能够系统合理的设计窄轨览车制动系统，使其制动系统更可靠。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种窄轨览车制动系统的设计方法，包括以下步骤：
(1)设定计算依据；计算依据包括线路条件、环境条件和整车参数， 窄轨览车的编组方式包括机车和四节拖车，所述机车包括司机室和动车， 所述整车参数包括：动轮轮径D、空车载荷额定载荷仿煤水车计算质量P、牵引质量G、仿蒸汽机车车头重量G1、客车重量G2、 最高运行时速、额定运行速度、0～5km/h平均加速度a1、0～10km/h平 均加速度a2；
(2)阻力计算；包括仿蒸汽机车车头运行单位基本阻力w”01、仿煤水车 运行单位基本阻力w”0、客车运行单位基本阻力w”02、起动单位基本阻力、 附加阻力、列车起动时的总阻力、列车平道运行总阻力、列车速度 v＝5km/h时的总阻力、列车速度v＝10km/h时的总阻力；
(3)列车牵引特性计算；包括列车最大起动牵引力、牵引电机起动转 矩、牵引电机功率、电机最大转速；
(4)对牵引电机进行选型；
(5)牵引及电制动校核；包括牵引性能计算和电制动性能计算；牵引 性能计算包括平直道起动性能、列车在起动时加速度、最大爬坡性能、 平均加速度计算；
(6)计算黏着系数校核。
作为改进，步骤(1)中，线路条件包括线路轨距为762mm、最小 曲线半径为100m和最大坡度：为33‰；环境条件包括正常工作海拔不 超过1000m、环境温度在-10℃～+40℃之间、最湿月月平均最大相对湿度 不大于90％和年均降雨量不大于1500mm。
作为改进，步骤(1)中，动轮轮径D，按照新轮/半磨耗/旧轮： 550/530/510mm；空车载荷36.8t、额定载荷45.2 t、仿煤水车(机车)计算质量：P＝11t、牵引质量：G＝5.8+7.1×4＝34.2t、 仿蒸汽机车车头重量：G1＝5.8t、客车重量：G2＝7.1×4＝28.4t、最高运行 时速：10km/h、额定运行速度：5km/h、0～5km/h平均加速度a1≥0.1m/s2、0～10km/h平均加速度a2≥0.08m/s2、常用制动制动距离≤50m、传 动比μc为28.78、传动效率为96。
作为改进，步骤(2)中，
仿蒸汽机车车头运行单位基本阻力：w”01＝2.23+0.0053v+0.000675v2；
仿煤水车运行单位基本阻力：w”0＝1.02+0.0053v+0.000426v2；
客车运行单位基本阻力：w”02＝1.82+0.001v+0.000145v2；
起动单位基本阻力：w”q＝3.5N/kN；
仿煤水车：w'q＝5N/kN；
客车：w”q＝3.5N/kN。
作为改进，步骤(2)中，附加阻力包括：
坡道附加阻力：wi＝i，式中i为坡道坡度，上坡取正值，下坡取负值； 曲线附加阻力式中R为曲线半径，窄轨游览车按目前线路实际 最小曲线半径100m计算，wr＝6N/kN；
加算附加阻力和加算坡度：
作为改进，步骤(2)中，
列车起动时的总阻力：
列车平道运行总阻力：
w＝(Pw”0+G1w”01+G2w”02)g＝744+3.44v+0.093v2；
列车速度v＝5km/h时的总阻力：
列车速度v＝10km/h时的总阻力：
作为改进，步骤(3)中
列车最大起动牵引力：
F1＝wq+(1+γ)(P+G)×0.1＝19.7+(1+0.06)×45.2×0.1＝24.4kN；
牵引电机起动转矩：
式中:牵引力Fq＝24.4kN；电机个数N＝4；电机起动转矩Mq；齿轮传动 效率齿轮传动效率ηc＝0.96；传动比μc＝28.78；带入求得每个牵引电机起动转矩牵引电机功率；电机最大转速：
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
本发明对于窄轨览车的制动系统设计合理，能够设计出可靠的制动 系统，提升窄轨览车运行的可靠性。
附图说明
图1为电机牵引特性曲线图。
图2为电机电制动特性曲线图。
图3为整车牵引特性曲线图。
图4为列车电制动曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
本发明窄轨游览车采用6节编组，由1节仿真蒸汽机车车头、1节仿 真煤水车及4节仿古车辆组成。仿真蒸汽机车车头和仿古车辆无动力， 列车组动力由仿真煤水车提供。
窄轨览车制动系统的设计方法：
1计算依据
1.1线路条件
线路轨距：762mm
最小曲线半径：100m
最大坡度：33‰
1.2环境条件
1)海拔：正常工作海拔不超过1000m；
2)环境温度：在-10℃～+40℃之间；
3)相对湿度：最湿月月平均最大相对湿度不大于90％(该月月平均 最低温度为25℃)；
4)年均降雨量不大于1500mm。
1.3依据文件与标准
0201A001928《窄轨游览车设计任务书》
TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》
GB/T 18165-2008《小火车类游艺机通用技术条件》
1.4基本参数
根据0201A001928《窄轨游览车设计任务书》，结合窄轨游览车特点， 从运量、成本、载运环境等角度考虑，整车设计方案参数如下：
车辆类型：窄轨小火车；
编组方式：仿古车头(司机室)+煤水车(动车)+4×客车(拖车)；
动轮轮径D(新轮/半磨耗/旧轮)：550/530/510mm；
空车载荷36.8t；
额定载荷45.2t；
仿煤水车(机车)计算质量：P＝11t；
牵引质量：G＝5.8+7.1×4＝34.2t；
仿蒸汽机车车头重量：G1＝5.8t；
客车重量：G2＝7.1×4＝28.4t；
最高运行时速：10km/h；
额定运行速度：5km/h；
0～5km/h平均加速度a1(平直道，半磨耗，AW2)：≥0.1m/s2；
0～10km/h平均加速度a2(平直道，半磨耗，AW2)：≥0.08m/s2；
常用制动(10km/h～0km/h平道)制动距离：≤50m；
传动比μc：28.78；
传动效率：0.96。
2阻力计算
2.1运行单位基本阻力
2.1.1仿蒸汽机车车头运行单位基本阻力
按TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》中的空货车单位基本阻力 公式：
w”01＝2.23+0.0053v+0.000675v2
式中ω”01为仿蒸汽机车车头单位基本阻力N/kN；v为速度km/h。
2.1.2仿煤水车运行单位基本阻力
由于整车动力由仿煤水车提供且煤水车转向架为B0-B0轴式，按 TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》中的SS8型电力机车单位基本阻 力公式：
w”0＝1.02+0.0053v+0.000426v2
式中ω”0为仿煤水车单位基本阻力N/kN；v为速度，km/h。
2.1.3客车运行单位基本阻力
按TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》中参考25B、25G型单位基 本阻力公式：
w”02＝1.82+0.001v+0.000145v2
式中ω”02为客车单位基本阻力N/kN；v—为速度km/h。
2.2起动单位基本阻力
按TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》，仿蒸汽机车车头(滚动轴 承货车)取w”q＝3.5N/kN；
仿煤水车(电力机车)取w'q＝5N/kN；
客车标准中未规定,故参照车头取w”q＝3.5N/kN。
2.3附加阻力
2.3.1坡道附加阻力
机车、车辆的单位坡道附加阻力wi(N/kN)，其数值等于坡道坡度的 千分数，即：wi＝i；式中i为坡道坡度‰，上坡取正值，下坡取负值。
2.3.2曲线附加阻力
因目前暂无线路条件资料，单位曲线附加阻力wr(N/kN)按列车长 度小于或等于曲线长度时的公式计算：式中R为曲线半径m。窄 轨游览车按目前线路实际最小曲线半径100m计算，wr＝6N/kN。
2.3.3隧道附加阻力
窄轨游览车运行线路上无隧道，不考虑。
2.3.4加算附加阻力和加算坡度
单位加算附加阻力表示因线路条件产生的单位附加阻力之和，即
wj＝wi+wr；又因坡度附加单位阻力在数值上等于该坡道的坡度千分 数，故可以用一个相当的坡道附加阻力代替所有因线路产生的附加阻力， 这个相当的坡道称为加算坡道。加算坡道的坡度千分数为ij＝i+wr。
2.4列车起动时的总阻力
假设列车在33‰坡道及100m曲线上起动,速度v＝0km/h。
wq＝[Pw”0+G1w”01+G2w”02+GAW2ij+Pw'q+G1w”q]g·(kN)
式中:
仿蒸汽机车车头单位基本阻力：
w”01＝2.23+0.0053v+0.000675v2＝2.23N/KN；
仿煤水车单位基本阻力：
w”0＝1.02+0.0035v+0.000426v2＝1.02N/KN；
客车单位基本阻力：
w”02＝1.82+0.01v+0.000145v2＝1.82N/KN；
加算坡道坡度千分数ij＝33+6＝39；
仿蒸汽机车车头起动单位基本阻力：w”q＝3.5N/Kn；
客车起动单位基本阻力：w”q＝3.5N/KN；
仿煤水车起动单位基本阻力：w'q＝5N/KN；
重力加速度g取9.81m/s2。
将上述各值带入求得列车起动总阻力
wq＝(11×1.02+5.8×2.23+28.4×1.82+45.2×39+11×5+5.8×3.5+28.4×3.5)×0.00981 ＝19.7kN
2.5列车平道运行总阻力
w＝(Pw”0+G1w”01+G2w”02)×g＝744+3.44v+0.093v2(N)。
2.6列车速度v＝5km/h时的总阻力
假设列车在33‰坡道及100m曲线上运行，列车运行时的阻力
式中：
仿蒸汽机车车头单位基本阻力：
ω”01＝2.23+0.0053v+0.000675v2＝2.23N/KN；
仿煤水车单位基本阻力：
ω’0＝1.02+0.0035×5+0.000426×25＝1.05N/KN；
客车单位基本阻力：
ω”02＝1.82+0.01000×5+0.000145×25＝1.83N/KN；
加算坡道坡度千分数ij＝33+6＝39；
重力加速度g取9.81m/s2；
将上述各值带入求得列车速度v＝5km/h时的总阻力：
2.7列车速度v＝10km/h时的总阻力
假设列车在33‰坡道及100m曲线上运行，列车运行时的阻力：
式中：
仿蒸汽机车车头单位基本阻力：
w”01＝2.23+0.0053v+0.000657v2＝2.23N/kN；
仿煤水车单位基本阻力：
w'0＝1.02+0.0035×10+0.000426×100＝1.10N/kN；
客车单位基本阻力：
w”02＝1.82+0.01×10+0.000145×100＝1.93N/kN；
加算坡道坡度千分数ij＝33+6＝39；
重力加速度g取9.81m/s2；
将上述各值带入求得列车速度v＝10km/h时的总阻力：
w2＝(11×1.1+5.8×2.23+28.4×1.93+45.2×39)×0.00981＝18kN。
3列车牵引特性计算
3.1列车最大起动牵引力
设列车在33‰坡道及100m曲线上起动，起动时列车速度有0开始变 大，相当于加速度为正值，设列车起动时瞬时加速度为0.1m/s2，计算起 动时的总阻力wq＝19.7kN，则最大起动牵引力：
F1＝wq+(1+γ)(P+G)×0.1＝19.7+(1+0.06)×45.2×0.1＝24.4kN
式中为回转质量系数，按TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》 γ＝0.06。
3.2牵引电机起动转矩
根据牵引力和电机转矩之间的公式：
式中:
式中:
牵引力Fq＝24.4kN；
电机个数N＝4；
电机起动转矩Mq；
齿轮传动效率齿轮传动效率ηc＝0.96；
传动比μc＝28.78
带入求得每个牵引电机起动转矩
3.3牵引电机功率
当列车在33‰坡道及100m曲线上以v＝5km/h运行时，列车运行总阻 力为：
w1＝18.04kN；
假定列车匀速运行则，v＝5km/h时列车牵引力
F5＝w1+(1+γ)(P+G)×0＝18.04kN
此时列车牵引功率：
每个轴上功率：
按三相异步电机转矩与输出功率的关系
电机转速：
电机转矩：
求得每个电机输出功率：
3.4电机最大转速
按列车最大设计速度10km/h计算(当列车半磨损轮)，牵引电机最 大转速为：
4电机选型
根据0201A001928《窄轨游览车设计任务书》可知，整车电制动功率 应不小于62kW，结合本文件第4节计算内容，选择一款交流异步牵引电 机，电机的特性曲线如图1和2，其基本参数如表5-1：
表5-1电机参数表
5牵引/电制动校核
5.1牵引性能计算
5.1.1平直道起动性能
电机起动转矩60N.m，根据牵引力计算公式
式中：F1为列车启动牵引力，N为电机个数，Mq为电机启动转矩，ηc为齿轮传动效率，μc为齿轮传动比；D为轮径(按半磨耗轮计算)。
5.1.2列车在起动时加速度
从启动牵引力F1＝加速力+阻力角度考虑，设列车在平直道起动时加 算坡道坡度ij＝0，设列车在平直道起动时的阻力W3，则
w3＝(Pw'0+G1w”01+G2w”02+(P+G)ij+Pw’q+G1w”q+G2w”q)g×10-3＝(11×1.02+5.8×2.23+28.4×1.82+11×5+5.8×3.5+28.4×3.5)×0.00981＝2.45kN
F1＝(1+γ)(P+G)×amax+wq＝(1+0.06)×45.2×amax+2.45＝25kN
amax＝0.47m/s2。
5.1.3最大爬坡性能
列车在33‰坡道及100m曲线上起动时，从启动牵引力＝加速力+阻 力角度考虑，可求得车辆最大坡道起动加速度：
F1＝(1+γ)(P+G)×amax+wq＝(1+0.06)×45.2×a0+19.7＝25kN
a0＝0.11m/s2
5.1.4平均加速度计算
当F1＝25kN时，电机在0-1193r/min为60N·m恒转矩， 1193-1440r/min转矩从60N·m线性下降到50N·m，1440-3000r/min为 恒功区，5000r/min以后进入自然特性区。
电机转速在1193r/min时，车辆速度：
列车进入恒功点的速度为：
电机转速n1在3000r/min时，进入自然特性，计算此时的实际车速 为：
根据加速度、速度、时间的关系
AW2工况下：
(1)0～4.1km/h恒转矩运行段：
式中：F为牵引力，W为平道阻力，仿煤水车(机车)计算质量P＝11t。
牵引质量G＝5.8+7.1×4＝34.2t；γ为回转质量系数，取0.06
计算得：t1＝8.1s。
(2)4.1～5km/h，转矩线性下降阶段：
此阶段牵引力由25kN线性下降为：
故此阶段平均牵引力为：
计算得：t2＝1.95s。
(3)5～10km/h，恒功率阶段：
计算得：t3＝19.5s。
0～5km/h平均起动加速度为：
0～10km/h平均加速度为：
由于车辆最大运行速度为10km/h，故不需要对自然特性阶段进行计 算。
当列车新轮，速度为10km/h时，牵引电机转速值为：
满足牵引电机最大转速要求。
整车的牵引特性曲线如图3所示，
故障运行能力：
由图3可得当车辆损失1/2动力时可在AW2，10‰坡道阻力工况下起 动。
5.2电制动性能计算
根据牵引电机制动特性，
恒转矩阶段，制动力B0为：
B0＝19.46kN
恒功率阶段，输出功率P为：
P＝6.5×4×0.96＝27.1kW
电制动力为：
(1)0～5km/h，恒转矩特性，制动力为19.46kN；
(2)5～10km/h，恒功率特性，制动功率P为27.1kW。 列车制动力计算公式为：
B总＝B+W
式中：B总为总制动力，B为电制动力，W为基本阻力；
列车常规制动，从10km/h减速至5km/h：
计算得t1＝18.5。
列车常规制动，从5km/h减速至0km/h：
B+W＝19460+744+3.44v+0.093v2
计算得t1＝18.5s；
列车常规制动，从5km/h减速至0km/h：
B+W＝19460+744+3.44v+0.093v2
计算得t2＝6s
所以AW2工况列车纯电制动，10km/h～0km/h的平均制动减速度为：
列车电制动，5km/h～0km/h的平均制动减速度为：
列车在AW2工况下，电制动从10km/h减速到0km/h所用的距离
满足常用制动(10km/h-0km/h)制动距离不大于50m要求。
列车从10km/h到0km/h的制动距离超过了GB/T 18165-2008《小火 车类游艺机通用技术条件》8.9节中“制动距离不大于15m”的要求，故 车辆需要其他制动方式。
列车电制动曲线(未包含其他制动)如图4所示。
5.3计算黏着系数校核
按TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》中5.2.1.1条规定：国产 各型电力机车的计算粘着系数
又因游览车在森林里运行，其运行环境常是细雨、下雾等潮湿天气， 故计算粘着系数应降低30％计算。所以窄轨游览车的计算粘着系数为 μ’j＝μj×0.7＝0.252。
电力机车计算粘着牵引力：
Fμ＝Pμ×g×μ'j
因为游览车煤水车重心位于煤水车的中心，故每个动轮的轮重一致 为
为保证列车在启动时不出现打滑现象：
则PL≥1.264t，Pμ≥10.1t，故Pμ取值为11t；
Pμ＝11t，g＝9.81m/s2；
因为游览车煤水车重心位于煤水车的中心，故每个动轮的轮重一致 为
5.3.1计算粘着牵引力
表6-1计算粘着牵引力
5.3.2计算粘着电制动力
表6-2计算粘着电制动力
6结论和建议
根据计算已选牵引电机能满足整车性能要求，在起动和电制动时车 辆牵引/电制动力小于计算粘着牵引/电制动力，满足列车运行要求。
Claims (7)
1.一种窄轨览车制动系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设定计算依据；计算依据包括线路条件、环境条件和整车参数，窄轨览车的编组方式包括机车和四节拖车，所述机车包括司机室和动车，所述整车参数包括：动轮轮径D、空车载荷额定载荷仿煤水车计算质量P、牵引质量G、仿蒸汽机车车头重量G1、客车重量G2、最高运行时速、额定运行速度、0～5km/h平均加速度a1、0～10km/h平均加速度a2；
(2)阻力计算；包括仿蒸汽机车车头运行单位基本阻力w'0'1、仿煤水车运行单位基本阻力w'0'、客车运行单位基本阻力w'0'2、起动单位基本阻力、附加阻力、列车起动时的总阻力、列车平道运行总阻力、列车速度v＝5km/h时的总阻力、列车速度v＝10km/h时的总阻力；
(3)列车牵引特性计算；包括列车最大起动牵引力、牵引电机起动转矩、牵引电机功率、电机最大转速；
(4)对牵引电机进行选型；
(5)牵引及电制动校核；包括牵引性能计算和电制动性能计算；牵引性能计算包括平直道起动性能、列车在起动时加速度、最大爬坡性能、平均加速度计算；
(6)计算黏着系数校核。
2.根据权利要求1所述的一种窄轨览车制动系统的设计方法，其特征在于：步骤(1)中，线路条件包括线路轨距为762mm、最小曲线半径为100m和最大坡度：为33‰；环境条件包括正常工作海拔不超过1000m、环境温度在-10℃～+40℃之间、最湿月月平均最大相对湿度不大于90％和年均降雨量不大于1500mm。
3.根据权利要求2所述的一种窄轨览车制动系统的设计方法，其特征在于：步骤(1)中，动轮轮径D，按照新轮/半磨耗/旧轮：550/530/510mm；空车载荷(AW0)GAW0：36.8t、额定载荷(AW2)GAW2：45.2t、仿煤水车(机车)计算质量：P＝11t、牵引质量：G＝5.8+7.1×4＝34.2t、仿蒸汽机车车头重量：G1＝5.8t、客车重量：G2＝7.1×4＝28.4t、最高运行时速：10km/h、额定运行速度：5km/h、0～5km/h平均加速度a1≥0.1m/s2、0～10km/h平均加速度a2≥0.08m/s2、常用制动制动距离≤50m、传动比μc为28.78、传动效率为96。
4.根据权利要求3所述的一种窄轨览车制动系统的设计方法，其特征在于：步骤(2)中，
仿蒸汽机车车头运行单位基本阻力：w'0'1＝2.23+0.0053v+0.000675v2；
仿煤水车运行单位基本阻力：w'0'＝1.02+0.0053v+0.000426v2；
客车运行单位基本阻力：w'0'2＝1.82+0.001v+0.000145v2；
起动单位基本阻力：w'q'＝3.5N/kN；
仿煤水车：w'q＝5N/kN；
客车：w'q'＝3.5N/kN。
5.根据权利要求4所述的一种窄轨览车制动系统的设计方法，其特征在于：步骤(2)中，附加阻力包括：
坡道附加阻力：wi＝i，式中i为坡道坡度，上坡取正值，下坡取负值；
曲线附加阻力式中R为曲线半径，窄轨游览车按目前线路实际最小曲线半径100m计算，wr＝6N/kN；
加算附加阻力和加算坡度：
6.根据权利要求5所述的一种窄轨览车制动系统的设计方法，其特征在于：步骤(2)中，
列车起动时的总阻力：
wq＝[Pw'0'+G1w'0'1+G2w'0'2+GAW2ij+Pw'q+G1w'q']g×10-3＝19.7kN；
列车平道运行总阻力：
w＝(Pw'0'+G1w'0'1+G2w'0'2)g＝744+3.44v+0.093v2；
列车速度v＝5km/h时的总阻力：
w1＝(Pw'0+G1w'0'1+G2w'0'2+GAW2ij)g×10-3＝18.04kN；
列车速度v＝10km/h时的总阻力：
w2＝(Pw'0+G1w'0'1+G2w'0'2+GAW2ij)g×10-3＝18kN。
7.根据权利要求6所述的一种窄轨览车制动系统的设计方法，其特征在于：步骤(3)中
列车最大起动牵引力：
F1＝wq+(1+γ)(P+G)×0.1＝19.7+(1+0.06)×45.2×0.1＝24.4kN；
牵引电机起动转矩：
式中:
牵引力Fq＝24.4kN；
电机个数N＝4；
电机起动转矩Mq；
齿轮传动效率齿轮传动效率ηc＝0.96；
传动比μc＝28.78
带入求得每个牵引电机起动转矩
牵引电机功率；
电机最大转速：
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