电机车轮轨黏着摩擦特性研究.pdf

第3 3 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 3N 瓯5 2 0 0 4 年9 月q o u r n a lo fC h i n aU n i v e r ’s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y S e p ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 5 0 5 1 7 0 3 电机车轮轨黏着摩擦特性研究 张德坤1 ，葛世荣1 ，李伟1 ，刘利国，，徐国栋2 1 ，中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．大屯煤电公司徐庄矿，江苏徐州2 2 1 6 1 1 摘要矿用电机车在井下的使用中，机车轨道往往受到水分、煤泥等因素的影响，黏着系数大大 降低．本文在实验室建立了电机车的模拟实验台，分别在干燥、水分、煤泥、撒砂等工况下，在不同 电动机转速下对轮轨间的临界黏着系数进行研究，并对车轮“打滑”状态时的车轮实际转速进行 了测量．实验结果表明，临界黏着系数从大到小的工况顺序为撤砂、干燥、水分和煤泥状态，而且 其大小基本和电动机转速无关．车轮和轨道之间的相对滑动速度，煤泥状态时速度最大，其次为 有水分状态、黄砂状态，干燥状态最小．现场实验中也得到了类似结果． 关键词电机车；轮轨；黏着系数；转速 中图分类号T H1 1 7文献标识码A ， R e s e a r c ho nA d h e s i o na n dF r i c t i o n a lC h a r a c t e r i s t i c b e t w e e nR a i la n dE l e c t r i c a lL o c o m o t i v e ’SW h e e l s Z H A N GD e k u n l ，G ES h i I 。o n 9 1 ，L IW e i l ，L i uL i g u 0 1 ，X uG u o d o n 9 2 1 ．S c h o o lo fM a t e r ’i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．．X u z h u a n gC o l l i e r Y ，D a t u nC o a la n dE l e c t r i cI n c ．，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 6 1 I ，C h i n a A b s t r a c t F o rt h el o c o m o t i v eu n d e rt h em i n ea p p l i c a t i o n ，t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n tr e d u c e sg r 。e a t l y d u et ow a t e ro rc o a lm u do nt h eS U I ’f a c eo fr a i l ．W i t ht h et e s ts t a n ds e tu pi nl a b o i a t o r yt os i m u l a t e 1 0 c o m o t i v e ．t h ee x p e r i m e n t so nc r i t i c a la d h e s i o nc o e f f i c i e n ta r ’ed o n ew i t hv a I i e dC U r - r e n tf r e q u e n c y i nd “f e r ’e n to p e r ’a t i n gm o d e s ，s u c ha sd r ’Ys u i f a c e ，w a t e r ，c o a lm u da n ds a n dm o d e ，a n dt h ef a c t u a l r o t a t es p e e d so fw h e e l sa r em e a s u r e dw h e nt h et e s ts t a n ds k i d ．T h er e s u l to fe x p e r i m e n t ss h o w s t h a tt h eo p e r ’a t i n gm o d ew i t hm a x i m u mC I ’i t i c a la d h e s i o nc o e f f i c i e n ti ss a n dm o d e ，f o l l o w e db yd r Y m o d e ，w a t e r ，a n dc o a lm u dm o d ea n dt h er o t a t es p e e dh a sl i t t l ee f f e c to nt h ec o e f f i c i e n t ．T h e s i m i l a r r e s u h sw e I eo b t a i n e di ns i t et e s t ． K e yw o r d s e l e c t r 。i cl o c o m o t i v e ；r a i la n dw h e e l ；a d h e s i o nc o e f f i c i e n t ；r o t a t i o nv e l o c i t y 电机车是煤矿轨道车辆运输的一种牵引设备， 电机车是依靠牵引电机驱动车轮转动，并且借助车 轮与轨面之间的摩擦力，使机车在轨道上运行．牵 引力的大小受两方面因素的制约牵引电机的功 率；车轮与轨面间的摩擦力 黏着力 ．黏着力的大 小靠轮轨接触斑的相互作用传递切向力来实现的， 也可以理解为轮轨滚动过程中所产生的滚动摩擦 力．在电机车的设计和使用中，轮轨间的黏着系数 是一个非常重要的参数，决定着电机车牵引力和制 动距离的大小[ 1 - 5 ] ． 矿用电机车运行时，特别是在井下作业B 寸，往 往会受到潮湿、煤泥等工况条件的影响，导致了电 机车黏着系数的降低，从而也使电机车的牵引力不 足或制动距离过长，以至于不得不使电机车的牵引 收稿日期2 0 0 3 1 1 0 3 基金项目国家杰出青年科学基金项目 5 0 2 2 5 5 1 9 ；高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划项目 作者简介张德坤 1 9 7 1 一 ，河北省沧州市人，中国矿业大学副教授，T 学博士，主要从事材料摩擦学方面的研究．． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 矿车数减小，否则会造成电机车在牵引启动时或制 动停车时出现“打滑”现象． 1轮轨黏着系数测定实验模型的建立 为了研究矿用电机车在不同工况条件下黏着 系数的变化情况，在实验室叉寸电机车进行了简化模 拟，如图1 所示为模拟测量电机车临界黏着系数和 滑动摩擦系数的系统示意图．其工作原理为用一 根短钢丝绳，一端连接在固定桩上，另～端和拉力 传感器相连接，而传感器的另一端和电机车模拟实 验台尾部连接．电机车模拟实验台是矿用电机车简 化缩小的模型，由一功率为0 ．7 5k W 的交流电动 机驱动，电动机的转速通过变频器调节．电动机通 过链轮结构减速后，由大链轮直接带动轮对转动， 当轮对和轨道接触后便可直接运行．当实验台向前 运行一段距离时，由于受到尾部钢丝绳的限制，车 轮便在轨道上出现“打滑”，拉力传感器通过计算机 采集系统记录下实验台在开始运行到瞬间“打滑” 时牵引力的大小，即临界静摩擦力的大小，从而可 、，机车模型 图1电机车模拟实验系统 F i g ．1 S c h e m a t i c so fs i m u l a t el o c o m o t i v et e s ts y s t e m 藕 烁 氅 瑙 0l234567 89 珧 a 摩擦系数变化曲线 以计算出临界黏着系数的大小． 实验工况干摩擦、带有水分、带有煤泥、撤砂． 利用变频器进行调速，频率分别为1 5H z ，2 0H z ， 2 5H z 和3 0H z ．同时用光电式转速表通过计算机 采集系统记录下不同变频频率下车轮的空转转速 和车轮和轨道在相互滑动时轮的实际转速的变化 情况．车轮的空转转速分别为2 6 0r p m ，3 7 5I p m ， 4 5 5r p m 和5 5 0r p m ．模拟实验台的车轮直径为 2 0 0I n m ，重量为8 5K g ． 2 轮轨临界黏着特性研究 图2 a ，b 为轮轨干燥状态下，变频频率为2 5 H z 时摩擦系数和转动速度的变化曲线．曲线表明， 摩擦系数基本在0 ．3 ～0 ．4 之间及附近变化，相当 于钢与钢之间的滑动磨损，而且摩擦系数稳定值的 变化和车轮转动速度无关．在初始滚动时，随转速 的增加，摩擦系数由小增大，并达到最大值；当速度 基本稳定后，摩擦系数降低并趋于稳定，频率在2 5 H z 时，最大摩擦系数分别达到了0 ．5 9 ，后随速度 稳定后也稳定在0 ．4 左右．在车轮和轨道接触时电 机车实验台的转动速度为2 7 5r p m ，比空载转动时 速度低得多，主要原因是受外载摩擦力的影响． 图3 a ，b 为轮轨间带有煤泥状态时，变频频率 为2 5H z 时摩擦系数和转动速度的变化曲线．曲线 表明，在轨道带有煤泥状态时，车轮与轨道之间的 摩擦系数降低得很多，其摩擦系数在0 ．2 以下．由 墨 斟 瑙 需 辞 “一h ，、．。 0123456789 ∥s b 转动速度变化曲线 图2 干燥状态下摩擦系数和转动速度的变化曲线 变频频率为2 5H z F i g ．2V a i i a t i o nC U I v eo fa d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n dr o t a t i o nv e l o c i t yi nd i ym o d e 16 14 1 ．2 10 O 8 O 6 0 4 0 2 0 0 0123 4 56 7 89 以 a 摩擦系数变化曲线 墨 斟 蚓 褥 落 t ／s b 转动速度变化曲线 图3 煤泥状态下摩擦系数和转动速度的变化曲线 变频频率为2 5H z F i g ．3 V a t ’i a t i o nC U I v eo fa d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n dr o t a t i o nv e l o c i t yi nc o a lm u dm o d e 姗瑚枷啪m∞o铷 6 5 4 3 2 1 O O O O 0 O 籁惭鞲避 万方数据 第5 期张德坤等电机车轮轨黏着摩擦特性研究 于摩擦系数的降低，车轮受到的阻力减小，其转动 速度明显增加，和处于相同频率下空载转速较为接 近．将4 种工况下临界黏着系数和稳定转动速度随 籁 垛 椭 德 变频频率的变化趋势描述成关系曲线，见图4 a ，b 所示． g e 赳 瑙 需 辩 6 0 0 5 5 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 频率／H z频率／H z a 临界黏着系数变化曲线 b 稳定转动速度变化曲线 图4临界黏着系数、稳定转动速度和频率之间的关系曲线 F i g 。4V a z i a t i o nC U l y e so fc I i t i c a la d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n ds t e a d yz o t a t i o nv e l o c i t yw i t hf r e q u e n c y 图4 a 曲线表明，在每种工况下，临界黏着系数 和频率变化关系不大，但是4 种工况下临界黏着系 数变化比较明显，干燥和黄砂状态时最大，其次是 水分状态，煤泥状态下黏着系数最小．图4 b 曲线表 明，在每种工况下，车轮和轨道之间的相对滑动速 度随变频频率的增加成比例增长，但它们都小于同 频率下的空转速度，煤泥状态时速度最大，其次为 有水分状态、黄砂状态，干燥状态最小．这说明车轮 和轨道之间的相对滑动速度与它们之间的摩擦力 有关，摩擦力越大，其运转速度越小；相反，摩擦力 越小，其运转速度越大． 3 现场实验 在现场采用上述的测量方法来研究矿用电机 车的黏着摩擦特性．用～量程为2t 的拉力传感器 测量电机车在驱动时的拉力变化．改变电机车的档 。4 。5 磊 襄磊 O 1 5 01 0 位，车轮转速分别为7 0z p m ，7 5r p m ，8 5r p m 和9 5 r p m ，电机车重量为7t ． 图5 a 为电机车在不同车轮转速下轮轨之间瞬 间“打‘滑”时的临界黏着系数的变化曲线．曲线表 明，现场实验结果和实验室模型测量结果基本～ 致，干燥、水分、撒砂状态下摩擦系数变化不大，临 界黏着系数在0 ．4 附近变化，而且和车轮转速无 关，煤泥状态摩擦系数最小，在0 ．1 5 以下变化． 图5 b 为电机车在不同车轮转速下车轮和轨道 之间存在相对滑动时的滑动摩擦系数的变化曲线． 曲线表明，干燥、水分、撒砂状态下，在7 0r p m 时由 于电机车的驱动力矩的限制，车轮处于停止状态， 测定摩擦系数较高；而其他3 个档位下，滑动摩擦 系数比临界黏着系数小，这说明轮轨之间一旦出现 相互滑动，摩擦系数会降低，导致牵引力不足．而煤 泥状态下，摩擦系数较小而且变化不很明显． 04 0 03 6 饕o 3 2 辎02 8 畿O2 4 02 0 O1 6 转动速度／r p m 转动速度h p m a 临界黏着系数变化曲线 b 滑动摩擦系数变化曲线 图5临界黏着系数、滑动摩擦系数随转速的变化曲线 F i g ．5 V a t i a t i o nC U l l v e so fC I i t i c a la d h e s i o nc o e f f i c i e n ta n ds c i d i n g { I i c t i o nc o e f f i c i e n tw i t hr o t a t i o nv e l o c i t y 4 结论 1 在干燥、水分、煤泥、撒砂工况下，临界黏着 系数从大到小的工况顺序为撒砂、干燥、水分和煤 泥状态，而且黏着系数大小基本和车轮转速无关． 车轮和轨道之间的相对滑动速度随变频频率的增 加成比例增长，但都小于同频率下的空转速度，煤 泥状态时速度最大，依次为水分、黄砂和干燥状态． 2 车轮和轨道之间带有水分或煤泥状态时， 黏着系数降低了很多，这直接导致了电机车牵引力 的不足和制动距离的减小，实际工况中一般通过撒 砂的方法提高轮轨问的黏着系数． 下转第5 2 3 页 万方数据 第5 期屠世浩等孤岛煤柱综采工作面旋转开采关键技术5 2 3 在旋转区巷道使用小孔径预应力锚索加强支 护．锚索锚固深度7 ～8m ，钢绞线长8m ，每3 排锚 ’杆安装一套，布置在巷道顶板中间，安装滞后掘进 头不得超过2 0m ．运输巷采用双棚架棚超前支护， 架棚支护超前工作面6 0 “州． 4 结论 1 应用综采旋转开采孤岛煤柱，加大了综采 面连续推进长度和适用范围，经设计的综采旋转开 采方案，有效地解决了旋转开采关键技术难题．旋 转期间平均日产10 0 6t ，回收煤炭1 3 万t ，经济社 会效益显著． 2 孤岛煤柱旋转开采内外侧巷道变形量较正 常开采有大幅度增加，回风巷、运输巷顶底板和两 帮相对移近量分别比正常开采时增加了2 ．2 和2 ．0 倍、1 ．4 和3 ．2 倍，采动影响明显加大，特别是旋转 角内运输巷压力大，巷道变形大，应加强维护． 3 工作面靠近旋转中心侧推进速度慢、支架 工作阻力较大、顶板破碎，应加强维护，离旋转中心 较远的一侧，支架工作阻力逐渐减小． 参考文献 [ 1 ] 姜学云．综采面工艺参数研究[ M ] ．．徐州中国矿业大 学出版社．1 9 9 4 ． [ 2 ] 陈炎光，徐永圻．中国采煤方法E M ] ．徐州中国矿业 大学出版社．1 9 9 1 ． E 3 ] 综采生产管理手册编委会．综采生产管理手册 I N ] ．北京煤炭工业出版社．1 9 9 4 ． [ 4 ]郝明奎．孤岛煤柱综采工作面旋转开采技术研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学能源与安全工程学院， 2 0 0 3 ． [ 5 ]胡保平．综采支架旋转采煤法初探[ ，] ．煤炭科学技 术．2 0 0 1 8 3 7 3 9 H uBP ．．B r i e fs t u d yo n { u l l ym e c h a n i z e dr e v o l v i n g m i n i n gm e t h o d [ T ] ．C o a lS c i e n c ea n d4 T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 8 3 7 3 9 ． 责任编辑王玉浚 上接第5 1 9 参考文献 [ 1 ]于学谦，方佳雨．矿山运输机械I - M ] ．徐州中国矿业 大学出版社，1 9 9 3 ． E 2 ] 冉崇华，李开芬，王凯．提高电机车黏着力的有效措 施[ 『] ．煤矿机械，2 0 0 0 1 1 5 6 5 7 ．． R a nCH ，L iKF ，W a n gK ．．T h ee f f e c t i v em e t h o dt o r a i s et h ea d h e s i o n6 0 r c eo fe l e c t r ．i ．el o c o m o t i v e [ - J ] ．C o a l M i n eM a c h i n e t Y ，2 0 0 0 1 1 5 6 5 7 ．． [ 3 ] 邢家文．．缩短矿井窄轨电机车制动距离方法的探讨 [ I ] ．江苏煤炭，1 9 9 7 3 4 2 4 4 ． X i n gJW ．D i s c u s s i o n0 fm e t h o d so fr e d u c i n gb r a k i n g d i s t a n c ef o rn a t t O W ，r a i l w a ye l e c t r i el o c o m o t i v ei nm i n e [ ．I ] ．．．I i a n g s uC o a l ，1 9 9 7 3 4 2 4 4 ． [ 4 ] 周继申，白广利．煤矿井下电机车运输计算．参数的分 析[ ，] ．自动化技术与应用，2 0 0 1 3 3 5 3 7 ． Z h o uJS ，B a iGL ． A n a l y s i s o f c a l c u l a t i n g t r a n s p o r r a t i ‘o np a z ‘a m e t e i sf o re l e c t I ’i cl o c o m o t i v ei n u n d e r g r o u n dm i n e s [ T ] ．T e c h n i q u e so f A u t o m a t i o n a n dA p p l i c a t i o n s ，2 0 0 1 、 3 3 5 3 7 ． E s ] 孟繁金，田军．电机车牵引力及其相关参数的选择 与计算[ ．I ] ．煤矿机械，2 0 0 0 7 8 - 1 0 ． M e n gF | I ，T i a nJ ．C h o i c ea n dc a l c u l a t i o no f e l e c t r i c l o c o m o t i v et r ’a c t i o na n dr e l a t i v ep a r a m e t e I [ J ] ．C o a l M i n eM a e h i n e r v ，2 0 0 0 7 8 - 1 0 。 责任编辑姚志昌 万方数据