列车牵引计算课程设计

车辆工程专业

专业课程设计

说明书

班级__ 机1105班

学号_ _

学生姓名_____ 辛振伟 __

指导教师_ ____王海花__________

2015年 3 月30日

目录

一、课程设计目的---------------------------------------------------------3二、课程设计要求---------------------------------------------------------3三、课程设计任务---------------------------------------------------------3四、线路纵断面的设计和简化-----------------------------------------5

1、线路纵断面的设计-----------------------------------------------5

2、线路纵断面的化简计算

-----------------------------------------6

五、牵引质量的计算和验算--------------------------------------------8

1、计算牵引质量------------------------------------------------------8

2、验算并确定区间牵引质量--------------------------------------8

六、合力表与合力曲线---------------------------------------------------9

1、概述-------------------------------------------------------------------9

2、合力计算表---------------------------------------------------------9

3、合力图--------------------------------------------------------------12

七、计算制动距离和运行时间---------------------------------------15

1、计算列车制动距离---------------------------------------------15

2计算列车运行时间

------------------------------------------------17

八、相关计算代码-------------------------------------------------------22

九、参考文献--------------------------------------------------------------23

一、课程设计目的：

在综合学习车辆工程专业课程基础上，通过课程设计这一环节融合所学知识来巩固和实践所学专业主干课程。

二、课程设计要求：

1、认真分析课程设计的题目、任务以及所给设计条件，根据所学知识进行计算。

2、根据条件计算并确定列车牵引质量，运行速度，运行时间等，并进行合理性分析。

3、根据计算结果，利用软件绘制合理曲线、时间、速度曲线。

三、课程设计任务：

1、已知条件

（1）机型及主要参数：

SS7型电力机车，单机牵引。轴式B0-B0-B0，机车功率（持续制）4800KW，整备质量138t，轴重23t，启动牵引力485KN，额定牵引力351KN，额定速度（客/货）53/44 km/h，最高速度（客/货）135/100 km/h，机车长度22016mm，转向架固定轴距2880mm，空气制动机DK-1型，机车电制动（再生制动）4000KW。

（2）线路条件：

(1)甲——乙区段为单线，全长15km；

(2)线路允许速度：80km/h;

(3)正线道岔限速：60km/h;

(4)侧线道岔限速：45km/h;

(5)自然条件：区段海拔未超过500m，环境温度20℃，无大风。

(6)到发线有效长度750m；

线路设计要求：运行区间总长10—15km，原始坡段不少于15个，区间各坡道的最大坡度差不小于千分之二十，必须有曲线和隧道（数量不限）。（3）车辆编组：

可根据知悉的实际情况确定，如货物列车组成为：C60型车占80%，自重19吨，载重50吨，换长，GK型制动机；N12型占20%，自重吨，载重60吨，换长，K2型制动。S10型车1辆，自重18吨，K1型制动，换长.。

2、求：

（1）按照要求设计线路纵断面图。

（2）计算牵引质量，校验并确定区段牵引质量，计算列车换算制动率。（3）编制合力表，绘制合力曲线。

（4）化简线路纵断面，列出化简计算表。

（5）计算运行时间及制动距离。

（6）绘制列车运行速度图及车运行时分图。

（7）编制点算程序计算，并计算及绘制合力曲线图和速度、运行时分图，编程语言不限。

3．编写计算说明书要求：

（1）说明书全文力争简单明了，整洁清晰，层次分明，词语通常，计算部分先列公式后带入参数，各参数要说明代表意义和出处，符号及绘制标记符合铁道部《leche牵引计算规程》的规定。

（2）设计文档须有前言、目录、设计计算、相关程序、参考文献等，设计以及计算过程用Word2003进行编辑，使用A4纸打印。

（3）本设计须提交电子文档（文件名以学号+姓名命名），封面格式统一，图形、文字需使用相关计算机软件。

四、线路纵断面的设计和简化

1.线路纵断面设计：

2.线路纵断面化简计算表

(1)分析实际纵断面，对实际纵断面进行分组

1号和15号坡道在车站范围内，不与站外其他坡道单元合并。2-5号合并为一个单元；6-8号合并为一个单元,9-10号合并为一个单元,11-12号合并为一个单元，13-14号合并为一个单元。

(2)化简坡道的坡度千分数

i

h =H2?H1

L h

?1000其中H1和H2为化简坡道始末点的标高，Lh为化简坡道的长度，L h=

∑L

i

。

(3)化简坡段“加算坡度”的计算

曲线换算坡度千分数ir=600

L h ∑L r

R

半径R，长度为Lr的曲线单位附加阻力为600/R；

隧道换算坡度千分数is=∑w s?L s

L s

w s为通过隧道时单位附加阻力且w s=*L s（隧道内无限制坡道），L s为隧道长度。

（4）化简后加算坡度千分数i hj=i h+i r+i s

ihj值不同方向有正负之分，计算时按上下行分别计算。i

h

与列车的运行方向有关，上坡

为正，下坡为负，而i

r 和i

s

始终未正值。

整个纵断面化简的计算过程填写在计算表中，如下表：表1

五、 牵引质量的计算和验算

1. 计算牵引质量：

在第3简化坡道上，坡度最大，故为限制坡道，按限制坡道计算牵引质

量公式：

3x

‘’03

x ‘

y j 10g ）i （10

g ）i （---??+???+??=ωωλP P F G

其中由SS7电力机车的基本参数可得：

j

F ——计算牵引力KN ，取 KN

P ——机车计算重量 t ,取138 t

y

λ——牵引使用系数 取

‘0ω ’‘0ω——计算速度下的机车，车辆单位基本阻力 N/KN

x i ——限制坡道的加算坡度千分数 取9

G ——牵引质量，t

g ——重力加速度（取2s m

）

机车单位基本阻力

‘0

ω=+

j V +2

j V

货车滚动轴承单位基本阻力

’

‘0ω=+j V +2

j V

由SS7型机车最小计算速度Vjmin=48km/h ，取

j

V =48km/h ，

‘

ω=KN ，

’

‘0ω=KN ，G=

根据《迁规》规定，货车牵引质量化为10的整数倍，所以去G=2930t 。

2. 校验并确定区间牵引质量

（1）、车辆编组

按照计算牵引质量G=2930t 进行车辆编组，C60型32辆车占80%，N12型8辆占20%。（车辆采用高磷闸瓦计算，列车管空气压力为500kPa,制动初速度V 0=80km/h ）

（2）、按车站到发线有效长度验算牵引质量

列车最大计长 L MAX =(Le-Lj-Lf)/11 其中 Le ——到发线有效长 m ，取750m ； Lj ——机车全长 m ，取22m ；

Lf ——附加制动距离 m ，取100m ；

列车长度=*11*32+*11*8+22=，满足附加制动距离的预留。

六、 合力表与合力曲线

1. 概述

作用在列车上的合力，即牵引力F y 、阻力W 、制动力B 的代数和，以C 表示，即C =F y ?F ?F ，为了计算和分析方便，通常采用单位合力来计算，其值为 C =

(F F ?F ?F )?103

(F +F )?F

=F F ?F ?F （N/KN ）

式中 F F 为列车单位牵引力，w 为列车单位阻力，b 为单位制动力。

2. 合力计算表

第一部分：牵引工况

速度v 由0开始每隔10km/h 取一速度带入计算表，v =0和v =10km/h 必须列入，然后每隔10km/h 直到机车最大速度v =80km/h 并列出有关的关键点，进行有关各项计算。 第一栏：机车牵引力，从SS7型电力机车计算数据表中查出不同速度下的最大牵引力。 第二栏：绘制最大合力曲线时的牵引力y F

第三栏：机车运行时的单位基本阻力w 0’，在阻力计算中，

v <10km/h 均按v =10km/h 计算。 第四栏：车辆运行时的单位基本阻力w 0”，货车为滚动轴承货车

第五栏：列车运行时的基本阻力，3'

'0'0

010g ）（-???+?=ωωG P W 第六栏：牵引运动时作用于列车上的合力0W F C -=

第七栏：牵引运动时作用于列车上的单位合力为g

)(10c 3

?+?=G P C

第二部分：惰行工况

第八栏：惰行时作用于列车上的单位合力为g

103

00?+?=）（G P W ω

第三部分：制动工况

第九栏：换算摩擦系数h ? 采用高磷闸瓦，制动初速度为80km/h 查表即可 第十栏：列车单位制动力为h h 1000b θ?=

第十一栏：常用制动时的列车单位合力b 5.0c 0+=ω 第十二栏：电阻制动力，可查表得出

第十三栏：在计算小半径曲线众多的长大坡道区段的有关问题时，因机车在小半径曲线上全力使用动力制动时易产生滑行，为避免滑行，通常不使用最大制动电流，在这种情

况下最好也取的“使用系数”，比较符合实际，故单位电阻制动力为g

109.0b 3

d d ?+??=）（G P B

第十四栏：电阻制动力时的列车单位合力d 0b 9.0c +=ω

列车换算制动力h θ =∑K

F (P +

G )?g

=∑F F ′+∑F F ”

(F +F )?g

=840+40?250

(138+2930)?9.81=0.36

式中∑K h 、∑K h ’、∑K h ”,分别为全列车、机车、车辆换算闸瓦压力总和，KN 。

表2 SS7型电力机车合力计算表

计算条件：SS7型电力机车，P=138t ，G=2930t ，h θ=，V 0=80 km/h

3、合力曲线图

按一定比例将合力表中的机车不同工况下各速度的单位合力值，在直角坐标系中分别标出，连成圆滑的线即可。各工况下单位合力计算式： （1）、牵引工况

g

)(10c 3

?+?=G P C =

（2）、惰性工况

g

10300?+?=）（G P W ω=

（3）、常用

制动工况

b 5.0

c 0+=ω=

2930

138)000125.00048.092.0(*2930)000348.00038.040.1(*13822++++++υυυυ+180h ?

（4）、电阻制动工况

d

0b 9.0c +=ω=

g

G P g G P F *)(10*}10**)]000125.00048.092.0(*)000348.00038.040.1(*[9.0{3

322++++++--υυυυ2930

138)

000125.00048.092.0(*2930)00032.00038.040.1(*13822++++++υυυυ

2930

138)000125.00048.092.0(*2930)000348.00038.040.1(*13822++++++υυυυ+

七、 计算制动距离和运行时间

1. 计算列车制动距离

e k z S S S += 其中：k S ——制动空走距离，m

e S ——有效制动距离，m

k S =F .FFF ?F F ?F F

其中：

0v ——制动初速度，有车辆编组和道路限制取80km/h ；

k t ——空走时间，s

当货物列车常用制动 k t =（3.6+0.00176?r ?n）×（1?0.032i F ） n ——为牵引辆数

r ——为列车管减压量Kpa

j i ——为制动地段加算坡度千分数，上坡度取j i =0

而有效制动距离 e S =∑4.17（V 12?F 22

）

1000F F F F F F +F 0+F F

其中：

1v ——速度间隔的初速度,km/h

2v ——速度间隔的末速度, km/h

h ?——换算摩擦系数

h θ——列车换算制动率，由前面计算取值

c β——常用制动系数，紧急制动时取值为1；常用制动根据减压量100kPa 查表

3-7可得值为

0ω——列车单位基本阻力

j i ——制动地段的加算坡度千分数

用上式计算有效制定距离，要分成若干个速度间隔，且不超过10km/h ，换算摩擦系数h ?和单位基本阻力0ω，均按照速度间隔的平均速度对应取值

（1）、 空走距离

空走时间k t =（3.6+0.00176?r ?n）×（1?0.032i F ） =+*100*40=

k S = F .FFF ?F F ?F F =*80*= ,m

（2）、有效制动距离距离

按分段计算有效制动距离，制动初速度降到零可分为8个速度间隔。 有h θ=，c β=，i j =0有效制动距计算过程如下表：

表3 有效制动距离计算表

（3）、制动距离

e k z S S S +==+=（m ）

2. 计算列车运行时间

根据合力曲线图和化简线路纵断面，分段累加计算列车运行速度和时间。且所应用公式： △S=F 2?F 1=

4.17?(F 22?F 12

)

F

△t=F 2?F 1=

30(F 2?F 1)

F

（1）列车在第一段运行所需的时间

列车在从甲站平直道上运动，合力较大，牵引工况下合力表4如下 表4

列车速度上升很快，当列车加速至40km/h 时，

△S 0-40=∑4.17?(F 22?F 12

)

F

=*100/+*300/+*500/+*700/ =

这个坡段长1000m ，还剩，该列车到达坡段终点通过试凑法

△F 40?48=*704/= m △F 40?49=*801/= m 设该坡段的终点速度为 km/h ，△F 40?48.7=*= m

基本与坡段长度相当，因此可以确定第一坡段的终点速度 km/h 。并以此进入第二坡段。 运行时间 △t=

30(10?0)12.5+30(20?10)10.95+30(30?20)10.22+30(40?30)9.73+30(48.7?40)

9.38

=24+++++= s

（2）列车在第二段运行所需的时间

列车以h 的速度进入2‰的第二坡道，机车任然牵引运行。合力图的速度坐标向上平移2个单位，并以此轴为基准轴。此时合力仍为正值，但速度较小，列车速度上升缓慢，再向上取速度间隔，计算走行距离。 △F 48.7?50=*（）= m △F 50?60=*1100/（）= m △F 60?70=*1300/（）= m

当速度增到70km/h 时，运行距离△S=++= m ，第二坡段剩余 m 。用试凑法 △F 70?76=*876/（）= m

△F 70?77=*1029/（）= m

故选取第二坡段终点速度 h △F 70?76.7=*（）= m 。

基本与坡段长度相当，因此可以确定第二坡段的终点速度 km/h 。并以此进入第三坡段。 运行时间 △t=

30(50?48.7)9.27?2+30(60?50)8.21?2+30(70?60)6.28?2+30(76.7?70)

4.91?2

=+++= s

（3）列车在第三段运行所需的时间

列车以h 的速度进入9‰的第三坡道，机车任然牵引运行。合力图的速度坐标向上平移9个单位，并以此轴为基准轴。此时合力为负值，列车速度下降，再向下取速度间隔，计算走行距离。

△F 76.7?70=*（）/（）= m △F 70?60=*（-1300）/（）= m

第三坡道剩余距离，在误差范围内，第三坡道终点速度为60km/h ，并以此进入第四坡道。 运行时间 △t=

30(70?76.7)4.91?9

+30(60?70)

6.28?9=+= s （4）列车在第四段运行所需的时间

列车以60km/h 的速度进入‰的第四坡道，机车惰性运行。合力图的速度坐标向下平移个单位，并以此轴为基准轴。此时合力为正值，列车速度上升，再向上取速度间隔，计算走行距离。

△F 60?70=4.17?1300

?1.835+9.5= m △F 70?80=4.17?1500?2.065+9.5= m

列车达到线路限制速度80km/h ， 采取制动运行 △F 80?70=4.17?（?1500）

?30.715+9.5

= m

第四坡道剩余距离为 m ，

再惰性运行，速度增加 △F 70?72=4.17?284

?1.965+9.5= m ，

满足误差范围，列车以72km/h 进入第五坡道，在第四坡道运行时间： △t=30(70?60)?1.835+9.5+30(80?70)

?2.065+9.5+30(70?80)

?30.715+9.5+30(72?70)

?1.965+9.5=+++ = s

（5）列车在第五段运行所需的时间

列车以72km/h 的速度进入‰的第五坡道，机车牵引运行。合力图的速度坐标向上平移个单位，并以此轴为基准轴。此时合力为正值，列车速度上升，再向上取速度间隔，计算走行距离。 △F 72?80=4.17?1216

4.614?2.4= m 此坡道呢剩余距离为 = m ，

再惰性运行，速度下降，采用凑值法 △F 80?78=4.17?316

?2.17?2.4= △F 80?79=4.17?159?2.18?2.4= 取第五坡段的终点速度h ，△F 80?78.6=4.17?222.04

?2.17?2.4= 列车在第五坡段上运行时间： △t=30(80?72)4.614?2.4+

30(78.6?80)

?2.17?2.4

=+= s

（6）列车在第六段运行所需的时间

列车以h 的速度进入‰的第六坡道，机车惰性运行。合力图的速度坐标向下平移个单位，并以此轴为基准轴。此时合力为负值，列车速度下降，再向下取速度间隔，计算走行距离。 △F 78.6?77=

4.17?（?248.96）

?2.13+1.5

= m

此坡道呢剩余距离为 = m ，运用试凑法

再牵引运行，速度上升，△S 77?80=4.17?471

4.324+1.5= m ，符合误差范围，故第六坡段终点速度为80km/h ，并以此进入第七坡段。 列车在第六坡段上运行时间： △t=

30(77?78.6)?2.13+1.5+30(80?77)

4.324+1.5

=+= s

（7）列车在第七段运行所需的时间

由上边已经算出的制动距离可知：空走距离为= m 。并采取惰性运行，速度下降，运用试凑法求运行距离为 △F 80?79=4.17?（?159）?2.18= m △F 80?78.8=4.17?（?190.56）

?2.18

= m △t=

30(78.8?80)

?2.18

= s △F 78.8?0为有效制动阶段。

31

.633*20

-8.78222

221=

-=s v v a =2m/s a 2s

t == s

列车在第七坡段运行时间 △t=+= S

表5 列车运行时间计算表

八、相关计算代码（matlab）

V=[0 10 20 30 40 50 70 80];

F=[ 212];

P=138;

G=2930;

O=;

Qh=[ ];

FY=*F;

W01=+*V+*V.^2;

W02=+*V+*V.^2;

W0=(P*W01+G*W02)**;

C=FY-W0;

c=C*1000/(P+G)/;

w0=W0*1000/(P+G)/;

b=Qh*O*1000;

c1=w0+*b;

figure(1);

plot(V,c);

xlabel('列车运行速度V');

ylabel('单位合力');

title('牵引工况合力图');

figure(2);

plot(V,w0)

xlabel('列车运行速度V');

ylabel('单位合力');

title('惰性工况合力图');

figure(3);

plot(V,c1);

xlabel('列车运行速度V');

ylabel('单位合力');

title('常用制动工况合力图');

九、参考文献

[1] 饶忠.列车牵引计算[M]. 北京：中国铁道出版社，2010.

型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[2] 张曙光.SS

4

[3] 孙中央.列车牵引计算实用教程[M]. 北京：中国铁道出版社，2005.

[4] 朱喜锋.机车总体结构及设计[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[5] 张平.MATLAB基础与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[6] 张德丰雷小平.详解MATLAB图形绘制技术[M].北京：电子工业出版社2010.