第二节　牵引力

一、牵引力的形成

牵引力的产生过程：第三轨（接触网电能）→集电靴（受电弓）→变压器→传动装置→牵引电动机→牵引齿轮→使动轮获得扭矩M。

不论哪种车辆（动车），都是通过能量转换装置和传动装置，将能量传送到动轮上，使动轮受到扭矩M的作用，如果动轮不与钢轨接触，则M只能使轮对旋转，而不能使车辆前进。

由于动轮以轴重Q″压在钢轨A点，产生正压力，形成静摩擦，当动轮在M作用下要转动时，这个静摩擦就阻止它转动，于是在A点动轮给钢轨一个作用力F″，钢轨对动轮产生一个反作用力F′，两者大小相等、方向相反，由于A点没有移动，形成了瞬时滚动中心，使动轮向前滚动，车辆得以前进。所以钢轨对动轮的反作用力，就是推动车辆前进的外力——牵引力。由于F″是作用在动轮的踏面上，所以称它为轮轴牵引力。而F″所引起的钢轨作用于车轮的反作用力F′就是使车辆发生平移的外力——这种由钢轨沿车辆运行方向施加于各动轮轮周上的切向外力之和∑F′就称为该车辆（动车）的轮周牵引力。如图2-1所示。

以一个动轴为隔离体进行受力分析：

设动轴轴重为Q″，动轮半径为R，该动轴获得的扭矩为M，则当忽略其他内摩擦力时，可列出式（2-1）方程以下方程：

M-F′R=Jε　　　　（2-1）

式中：J——轮对的转动惯量；

ε——轮对的角加速度。

当动车作变速运动时，ε≠0；当动车做匀速运动时，ε=0。

若ε=0，则有：

M-F′R=0　　　　（2-2）

故有：

式（2-2）即为一个动轴的轮周牵引力。

可见，整个一辆动车的轮周牵引力为：

∑F′=nF′　　　　（2-4）

二、黏着牵引力

1.牵引力的限制

下面讨论F′的性能：

（1）因F′是一个反作用力，所以它的大小受轮对上力矩M大小的控制，一般情况下F′与M呈正比关系。

（2）F′是一个由轮轨间静摩擦力产生的反力，所以它的极限值是A点的轮轨最大静摩擦，当M无限增大，使F′大于A点静摩擦力，使A点静止的条件被破坏，动轮失去了滚动条件，而产生轮轨间的相对滑动，动轮在原地发生空转。空转最大的坏处是使机车丧失牵引力。

为了保证动车不发生空转，所以M不能无限增大，F′必须小于轮轨间的静摩擦力。

注意：一旦发生空转，必须先将司机主控制手柄下调，待空转停止后再行撒砂。

由此可见，动车牵引力最大值在任何时候都不得超过该动车各动轮与钢轨间黏着力的最大值总和，这就是黏着定律。具体可表示为：

式中：Fmax——动车动轮的最大轮轴牵引力；

μmax——动车轮轨间的最大物理黏着系数；

Pμ——动车黏着重量，Pμ=nQ。

2.轮轨黏着系数和静摩擦系数

我们所说的轮轨间静摩擦系数是指物理学在实验室测得的数值，由于车辆是在外界运行，而且是在动态条件下，所以条件比实验室要恶劣，因此采用黏着系数来代替静摩擦系数。黏着系数是表征轮轨间黏着状态好坏的一个系数，采用专门试验得出的经验公式来表达，其取值一般是小于静摩擦系数，最大等于静摩擦系数。

前面提到空转，空转的危险性是很大的，轻则不能充分发挥电动客车的牵引力，造成列车晚点、中途停车事故。重则造成牵引电动机环火、甩挂线；铜轨报废；车轮踏面擦伤；导致列车运行产生很大的振动，降低电动客车的使用寿命。动轮出现空转时，轮轨将依靠活动摩擦力传递切向力，这就大大削弱了轮轨传递切向力的能力。在车辆运行中应尽量防止动轮“空转”的出现。

因此，应该采取一些措施，提高黏着系数（或黏着重量），尽量避免空转事故的发生。如保持轨面的清洁，及时除去轨面上的杂物；必要时在轨面上撒砂，以提高黏着系数；司机应正确驾驶辆，特别是应使车辆启动平稳；在设计电动客车时，应使其具有较高的黏着重量利用率。

在干钢轨上撒上一层细石英砂时，μmax可达0.6；在一般钢轨上，μmax在0.3～0.5之间：当轨面上有一层薄油膜时，μmax甚至可能小到0.15以下。

可见：μmax具有随机性，其变化范围很大，影响因数很多，很难准确计算。因此，一般用计算黏着系数一来作为计算依据。

计算黏着系数μj的定义为：根据大量试验，将试验结果用统计方法整理成经验公式用作计算的依据，由该公式计算求得的黏着系数称为计算黏着系数。

我国内燃机车的计算黏着系数公式为：

μj=0.25+8/（100+20v）（v为运行速度，单位km/h）　　　　（2-6）

我国电力机车的计算黏着系数公式为：

μj=0.24+12/（100+8v）　　　　（2-7）

欧洲铁路常用的机车计算黏着系数公式为：

μj=0.161+7.5/（44+v）　　　　（2-8）

目前，我国还没有有关城轨车辆的计算黏着系数公式。

车辆在曲线上运行时，因运动更不平稳，轮轨见的滑动加剧等原因，黏着系数降低，尤其在小半径曲线上更为明显，在这种情况下需要对计算黏着系数进行修正。三轴转向架电力机车在曲线半径在小于600m的线路上运行时，其计算黏着系数有所下降，可用式（2-9）计算：

μr=μj（0.67+0.00055R）　　　　（2-9）

3.黏着牵引力

在不发生空转的前提条件下，所能实现的最大轮周牵引力称为黏着牵引力。其值按式（2-10）计算：

Fμ=μjpμ　　　（2-10）

式中：Fμ——计算黏着牵引力（kN）；

pμ——计算黏着重量（kN）；

μj——计算黏着系数。