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高炉铁水罐扩容后内燃机车牵引力与制动力计算一、背景介绍为了提高提高铁区铁水的通过能力，降低铁水罐的运输次数，攀钢钒计划将高炉铁水罐进行扩容，根据扩容方案，改造后铁水罐车为35吨（取实际重量），铁水罐自重为43吨，载铁量为140吨（其中在装满且不带渣的情况下为165吨，所以在装满的情况下每个罐的最大重量为M最大：35+43+165=243吨，那么我们的内燃机车在牵引与制动方面是否也能满足实际生产需要呢？为此，我们将进行一系列计算来论证这个问题。
二、牵引力与起动牵引重量计算（一）、牵引力计算1、牵引力概念：内燃机车牵引力是通过万向轴传来的扭矩M作用于动轮，力矩M只能使动轮绕轴心旋转，但负载的动轮压在钢轨上，在钢轨给予动轮的摩擦力的作用下，动轮以轮轨的接触点为瞬时转动中心，沿着轨道滚动并推动机车前进。
在上述的机械功传递过程中，如果没有任何摩擦损失，则柴油机所作的功可以完全传到动轮上，实际上摩擦损失是不可避免的，扣除摩擦损失，实际表现在动轮上的牵引力，称为轮周牵引力，用符号F表示。
在进行牵引计算时，我国《列车牵引计算规程》规定，一般采用轮周牵引力进行计算。
2、牵引力：由于内燃机车牵引特性曲线图上的牵引力数值，都是在标准大气压状态下试验得出的。
当内燃机车运行在海拔较高、环境温度较高时，因大气的密度减小，机车的牵引力都有所下降，对此，《牵规》规定须对机车的牵引力乘以不同的修正系数加以修正。
本文中GK1型内燃机车牵引特性曲线图见《GK1型内燃机车使用与维护说明书》。
特别说明该型车起动牵引力为297.9KN。
3、起动牵引重量计算：①、机车起动时牵引重量当区间的限制坡度较小，有时机车的牵引重量就要受到起动地点的起动条件的限制。
这时，只有满足下列条件列车才能顺利起动。
G≤［Ｆ－Ｐ（ω〝＋ｉ）］／（ω〝〞＋ｉ）公式中F—起动计算牵引力计算内燃机车在3‰的坡道上能牵引的最大重量：在实际计算列车的起动阻力时，并不是按单车起动的条件来进行计算，因为司机可以用压缩车钩的方法起动列车，这时整个列车并非同时起动，而是逐渐的起动。
关于调整半挂车前悬的分析半挂车轴荷计算过程：按均布载荷计算，R1为牵引销支点，R2为悬挂中心支点，T为整车的载质量，L为车总长，L1为前悬，L2为当量轴距，L3为当量后悬。
根据力学平衡关系，对R2取矩R1*L2+(T/L)*L3*(L3/2)=(T/L)*(L1+L2)*(L1+L2)/2经推导，得：R1=T*(L1+L2-L3)/(2*L2)则R2=T-R1单轴载荷R＝R2/n （n为半挂车的轴数）半挂车轴荷比例，即R1的承载比例为：R1/T则R2的承载比例为：1-R1/T以我公司MCW9402Z型自卸半挂车为例：公告尺寸：总长13000mm，前悬1300mm，轴距6950+1310+1310，后悬2140mm则，当量轴距为8260mm，当量后悬为3450mm牵引销的轴荷分配比例为：［T*(1300+8260-3450)/(2*8260)］/T=36.6% 半挂车后轴分配比例为：1-36.6%=63.3%调整前悬后MCW9403Z型自卸半挂车为例：1.保证后悬载重总长13000mm，前悬1400mm，轴距6580+1310+1310，后悬2400mm 则，当量轴距为7890mm，当量后悬为3710mm牵引销的轴荷分配比例为：［T*(1400+7890-3710)/(2*7890)］/T=35.3% 半挂车后轴分配比例为：1-35.3%=64.6%2.保证前悬载重总长13000mm，前悬1400mm，轴距6680+1310+1310，后悬2300mm 则，当量轴距为7990mm，当量后悬为3610mm牵引销的轴荷分配比例为：［T*(1400+7990-3610)/(2*7990)］/T=36.2% 半挂车后轴分配比例为：1-36.2%=63.8%综上看出：半挂车按照正常的分配比例35：65，前悬调为1400mm 比较合理，并且对应2550mm宽的半挂车时，半挂车的前回转半径为1894mm，对应3000mm宽的半挂车时，半挂车前回转半径为2052mm，现根据国内牵引车厂家的参数情况，除柳特的双转向6*2牵引车特殊外，基本所有的双转向6*2牵引车的前间隙半径都超过2300mm。
一、10吨架线电机车牵引能力计算1、 按重列车上坡起动条件11.075()n qq p g p i gψαω≤-++式中－重车组质量，tn p —电机车粘着质量，n p=p ＝10P —电机车质量 g －重力加速度， m/s 2q ψ—电机车撒沙起动的粘着系数，取q ψ＝0.24α—列车起动加速度，m/s 2，α＝0.04 m/s 2，q ω—重列车起动阻力系数，取0.012i —运输线路平均坡度‰，一般取i ＝3‰1109.80.24101.0750.04(0.0120.003)9.8⨯⨯≤-⨯++＝113.79t2、 按牵引电动机允许温升计算。
2(dp ατ≤-式中：d F —电机车等值牵引力，可取电机车长时牵引力，d F ＝4.32 KNα—电机车调车时电能消耗系数，取大于2公里为1.10y ω—重列车运行阻力系数，取0.0075d i —等阻坡度，‰，对于滚动轴承的矿车，d i 一般为＝2‰τ—相对运行时间。
11T T τθ=+＝202030+＝0.4 式中θ—调车及停车时间，min ，一般取20～30 min T1-列车往返一次运行时间，min 26010.75L T ν⨯=＝22600.7516⨯⨯⨯＝20 L —加权平均运输距离，km 。
ν—机车平均速度，km/h,取机车长时速度16 km/h 。
210 1.10.4(0.0075≤-＝105.2t3、 按重列车下坡制动条件，列车制动时速度按列车长时运行速度，则制动减速度为20.03858vb l=＝0.2469式中：b —列车制动减速度，m/s 2v —电机车长时运行速度，取16km/h 合4.44m/s l - 允许的制动距离，取40m 按列车下坡制动条件，求重车组质量，31.075()z Zp g p b y i gψω≤---式中：zp －电机车的制动质量，为电机车的全部质量p ，10t Zψ —制动时的粘着系数，按撒沙时取0.17b —制动减速度0.2469y ω—重列车运行阻力系数，取0.00753109.80.1710 1.0750.2469(0.00750.003)9.8⨯⨯≤-⨯--＝65.28综上制动距离条件限制牵引重量为J=65.28吨二、8吨蓄电池机车计算1、按重列车上坡起动条件11.075()n qq p g p i gψαω≤-++式中－重车组质量，tn p —电机车粘着质量，n p=p ＝8P —电机车质量 g －重力加速度， m/s 2q ψ—电机车撒沙起动的粘着系数，取q ψ＝0.24α—列车起动加速度，m/s 2，α＝0.04 m/s 2，q ω—重列车起动阻力系数，取0.012i —运输线路平均坡度‰，一般取i ＝3‰189.80.2481.0750.04(0.0120.003)9.8⨯⨯≤-⨯++＝91t2、 按牵引电动机允许温升计算。
列车牵引计算列车牵引计算（calculation of railway train traction）分析计算铁路列车运行参数及相关问题的学科，用以解算列车质量、运行速度、运行时间、制动以及能源消耗等有关问题。
它以力学和试验为基础而重在应用。
列车牵引计算不仅是运输组织的依据，也是机车运用、动力选择、铁路选线、铁路设计、经济评估以及信号机布置等的基础，是铁路重要的专业基础学科之一。
铁路列车是一个有相当长度的、非均质的、近似弹一粘性接的复合系统、并与轨道及周围空气（电力牵引时还与接触网）形成耦合，所以列车运行是一种复杂的、综合的、多自由度的运动。
但在列车牵引计算中一般都简化为质点或近似均质刚体在纵向力的作用下沿着线路纵断面平行运动，再经修正求解。
这种工程计算方式可以满足列车稳态运行（指各车轴之间相对移极小的状态）时的精度要求而被广泛采用。
列车在轨道上运行时，存在不同方向和不同大小的外力和内力作用。
列车牵引计算主要研究直接影响列车运行的作用力，即与列车运行方向平行的纵向外力与外力的分力，包括可由司机控制的牵引力与制动力以及司机不能控制的阻力。
牵引力与列车运行方向相反，是阻止列车运行的外力。
列车牵引运行时，作用于列车的合力是牵引力减去阻力，通常称为加速力；列车惰行时，只有阻力构成减速力；而列车制动时，制动力加上阻力产生更大的减速力。
牵引力由动力与传动装置引起并与列车运行方向相同的外力。
牵引动力（机车或动力车）将电能（电力牵引时）或燃料的化学能（热力牵引时）转变为使动轮旋转的内力矩，最终通过轮轨粘着关系形成轮周牵引力的外机械功（非轮轨接触式的磁悬浮列车、气垫列车等除外），在每一层的转换中都有不同份额的能量损失。
总的能量损失越小，机车（或动力车）的效率就越高。
轮周牵引力减去机车阻力后就是直接牵引车列的车钩牵引力。
中国采用轮周牵引力为列车牵引计算的标准。
理想牵引特性曲线图牵引动力最高负荷时的理想牵引特性曲线主体是一条恒功率线，也就是轮周牵引力F 与运行速度υ呈等轴双曲线关系，即F·υ＝常数（见图），但低速段受粘着条件限制（称为粘着牵引力）或起动电流或扭器转矩限制，高速时受最高速度（即构造速度）的限制，见上图中阴影线。
前言ST9430型鹅颈式半挂车主要是为了装运大中型设备而设计的。
该列车牵引车采用斯太尔1491·280/S29/6×4型半挂牵引车。
支承装置、车轴装置及制动系统等，各承受的负荷基本上与已定型产品的设计相吻合，这几部分不再重新进行计算，本设计计算书只对该列车的动力性有关技术参数，半挂车车架强度进行计算。
一、列车的基本技术参数（一）汽车列车1、外形尺寸(长×宽×高)(空载)(mm) 16500×3200×29552、整备质量(Kg) 21840前桥载质量(Kg) 4560中桥载质量(Kg) 8130后桥载质量(Kg) 91503、装载质量(Kg) 300004、最大总质量(包括驾乘2人)(Kg) 51970前桥载质量(Kg) 5440中桥载质量(Kg) 16680 后桥载质量(Kg) 29850 （二）半挂车1、外形尺寸(长×宽×高)(空载)(mm) 12830×3200×17702、平台尺寸(长×宽)(mm) 9000×32003、整备质量(Kg) 12980牵引销(Kg) 3830后轴(Kg) 91504、装载质量(Kg) 300005、满载质量(Kg) 42980牵引销(Kg) 13130后轴(Kg) 298506、轴距(mm) 9890+12207、轮距(mm) 1680/9158、前悬(mm) 4509、承载面高度(空载)(mm) 86010、前回转半径(mm) 98411、间隙半径(mm) 2356（三）牵引车1、车型斯太尔1491·280/S29/6×42、整备质量(Kg) 88603、轴距(Kg) 2925+13504、轮距(mm)前轮 1939后轮 18005、牵引座前置距(mm) 3006、牵引座接合面高度(mm) 14907、牵引座 90#8、最大功率(马力/转/分) 280/2400 9、最大扭距(公斤·米/转/分) 109/1400二、列车的动力性计算㈠、列车动力性参数及计算公式 1.发动机扭距M eM e =M emax － (n M －n e )2N ·m式中M emax ——发动机最大扭距，1068N ·M ； M ——发动机最大功率时对应的扭距，M p =9550 =9550× =820N ·M ；n M －发动机最大扭距时对应的转速，1400r/min ； n P －发动机最大功率时对应的转速，2400r/min ； n e －发动机转速。
内燃机与配件0引言近年来，半挂汽车列车在我国公路交通运输中的作用越来越重要，其研究受到研究人员越来越多的关注[1]。
由于试验条件限制和安全性问题，目前关于半挂汽车列车转向控制的研究，多数是基于数学建模仿真研究开展的。
为确保仿真结果的可靠性，所建立模型的精度非常关键。
本文主要提出了一种基于Trucksim 模型输出结果验证MATLAB/SIMULINK 车辆模型可靠性的方法。
1半挂汽车列车简化运动学模型以TruckSim 软件中的3A Cab Over w/3A Euro Trailer 半挂汽车列车为研究对象，图1和图2分别为其横摆运动和侧倾运动示意图。
图中，o i （i=1，2）为牵引车或挂车质心，v x i 、v y i （i =1，2）为牵引车或挂车的纵向和横向车速，茁i （i =1，2）为牵引车或挂车质心侧偏角，鬃觶i （i=1，2）为牵引车或挂车的横摆角速度，h i s （i =1，2）为牵引车或挂车簧上质量质心高度，h i r （i=1，2）为牵引车或挂车簧上质量的侧倾中心高度；F i f/m/r（i=1，2）分别为牵引车或挂车前、中、后轴所受到的侧向力；啄1f 为牵引车前轮转角输入，啄2f/m/r 分别表示挂车前、中、后轴的车轮转角输入；o i r （i =1，2）为牵引车或挂车侧倾中心，以字母右下角1代表牵引车，2代表挂车。
由车辆受力图可得车辆坐标系下牵引车与挂车的动力学方程分别为：式中，a 1、b 1为牵引车质心o 1至前轴和中间轴的距离，c 1、d 1为牵引车上的铰接点o 至其中间轴和后轴的距离；m 1、m 2分别是挂车的总质量和簧上质量；a 2为挂车铰接点o 至其质心o 2的距离，b 2为挂车质心o 2至其前轴的距离，c 2、d 2为挂车中间轴至其前后轴的距离；I 1zz 、I 2zz 分别为牵引车与挂车的整车质量绕其横摆轴线的转动惯量；I 1sxx 、I 1sxz 和I 2sxx ，I 2sxz 分别为牵引车和挂车的簧上质量绕其侧倾轴线的转动惯量和关于其质心的横摆侧倾惯性积；K *1和K *2分别为牵引车与挂车的侧倾刚度；C *1与C *2分别为悬架阻尼；F 1ox ，F l oy 与F 2ox ，F 2oy 分别为作用在牵引车与挂车铰接点上的横向力和纵向力；K 12为牵引车与挂车的相对侧倾刚度。
第一章专用汽车的总体设计1 总布置参数的确定1.1 专用汽车的外廓尺寸（总长、总宽和总高）1.1.1 长①载货汽车≤12m②半挂汽车列车≤16.5m1.1.2 宽≤2.5m（不含后视镜、侧位灯、示廓灯、转向指示灯、可折卸装饰线条、挠性挡泥板、折叠式踏板、防滑链以及轮胎与地面接触部分的变形等）1.1.3 高≤4m（汽车处于空载状态，顶窗、换气装置等处于关闭状态）1.1.4 车外后视镜单侧外伸量不得超出汽车或挂车最大宽度处250mm1.1.5 汽车的顶窗、换气装置等处于开启状态时不得超出车高300mm1.2专用汽车的轴距和轮距1.2.1 轴距轴距是影响专用汽车基本性能的主要尺寸参数。
轴距的长短除影响汽车的总长外，还影响汽车的轴荷分配、装载量、装载面积或容积、最小转弯半径、纵向通过半径等，此外，还影响汽车的操纵性和稳定性等。
1.2.2 轮距轮距除影响汽车总宽外，还影响汽车的总重、机动性和横向稳定性。
1.3专用汽车的轴载质量及其分配专用汽车的轴载质量是根据公路运输车辆的法规限值和轮胎负荷能力确定的。
1.3.1 各类专用汽车轴载质量限值（JT701-88《公路工程技术标准》）前轴轴载质量（kg ） ≤3000 ≤5000 ≤7000 ≤6000 后轴轴载质量（kg ） ≤7000≤10000≤13000≤240001.3.2 基本计算公式 A 已知条件a ） 底盘整备质量G 1b ） 底盘前轴负荷g 1c ） 底盘后轴负荷Z 1d ） 上装部分质心位置L 2e ） 上装部分质量G 2f ） 整车装载质量G 3（含驾驶室乘员）g ） 装载货物质心位置L 3（水平质心位置）h ） 轴距)(21l l l +B 上装部分轴荷分配计算（力矩方程式）g 2（前轴负荷）×（121l l +）（例图1）=G 2（上装部分质量）×L 2（质心位置）例图1g 2（前轴负荷）=12221)()(l l L G +⨯上装部分质心位置上装部分质量则后轴负荷222g G Z -= C 载质量轴荷分配计算g 3（前轴负荷）×)21(1l l +=G 3×L 3（载质量水平质心位置）g 3（载质量前轴负荷）=13321)()(l l L G +⨯装载货物水平质心位置整车装载质量则后轴负333g G Z -= D 空车轴荷分配计算g 空（前轴负荷）=g 1（底盘前轴负荷）+g 2（上装部分前轴轴荷） Z 空（后轴负荷）=Z 1（底盘后轴负荷）+Z 2（上装部分后轴轴荷） G 空（整车整备质量）=空空Z g + E 满车轴荷分配计算 g 满（前轴负荷）=g 空+g 3 Z 满（后轴负荷）=Z 空+Z 3 G 满（满载总质量）=g 满+Z 满 1.4专用汽车的质心位置计算专用汽车的质心位置影响整车的轴荷分配、行驶稳定性和操纵性等，在总体设计时必须要慎重全面考虑计算或验算，特别是质心高度是愈低愈好。
卡车常用计算公式1.1速度下列公式一般适用于基于发动机速度、轮胎类型和总体速比基础上的驾驶速度的计算：公式18：速度其中：V=驾驶速度，（km/h）n Mot=发动机速度，（1/min）U=轮胎滚动圆周，（m）I G=变速器传动比i V=分动器速比i A=驱动轴的最终传动比为计算理论最大速度（或设计最高速度），发动机速度增加4%。
因此公式如下:公式19：理论最大速度注意：该计算专门用于计算基于发动机速度和传动比基础上的理论最终速度。
该公式未考虑当驾驶阻力抵消驱动力的时候实际最大速度会低于这个速度的事实。
对实际可得速度的估算使用驾驶性能计算方法，其中一侧的空气阻力、滚动阻力和爬坡阻力与另一侧的牵引力相互抵消。
该计算方法可见1.8部分“驾驶阻力”。
对带有符合92/24/EEC规定的限速器的车辆，设计最高速度通常是85km/h。
计算示例：车辆：33.430 6×6 BB轮胎型号：315/80 R22.5滚动圆周： 3.280m低速档传动比：13.80高速档传动比：0.84在最大发动机扭矩时的最小发动机速度： 1.000/min最大发动机速度： 1.900/min在公路应用中分动器G 172的速比：1.007在非公路应用中分动器G 172的速比：1.652最终传动比： 4.00要求进行下列解答：1．在非公路应用中最大扭矩下的最小速度2．没有限速器的情况下的理论最大速度解答1：解答2：可能的理论速度是115km/h，但有限速器时限制速度为90km/h。
（必须要考虑时，因为公差的原因，速度实际设定为89km/h。
）1.2效率效率指动力输出与动力输入的比率。
由于动力输出总是小于动力输入，所以效率η总是＜1或＜100%。
公式20：效率当几个单元联接成一系列时，各自的效率相乘。
单个效率的计算示例如下：液压泵的效率η=0.7。
如果要求的公率输出P ab是20kW，功率输入P zu该是多少？解答：多个效率的计算示例如下：液压泵的效率η1=0.7。
