三章矿用电机车课件.ppt
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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
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