井下电机车运输牵引举例

第一章 概述

1.1电机车的发展历史

窄轨工矿电机车及其配套电机电控是牵引电气设备行业的主导产品。从1882年德国西门子公司制成世界上第一台4.5kW矿用架线式电机车以来，迄今整整有120年的历史了。在我国也有约50年的生产发展史。在此期间，先后开发和批量生产了架线式电机车和蓄电池机车二大系列50多个品种规格，产品遍布于全国煤矿、冶金矿、铁路和公路隧道以及市政工程建设工地。

可近10多年来，国内市场出现了萎缩，牵引行业所属企业出现严重订货不足，有的企业被迫转产，有的企业职工大量下岗。

同时多年来，由于牵引电气设备分会所属企业对产品技术开发投入少，大部分产品基本上仍停留在70~80年代的水平。同时，新兴的民营企业也占有了部分的市场份额。而随着我国加入WTO，国外公司也瞄准我国市场，使得市场竞争更趋激烈。因此，要在国内激烈市场竞争中赢得一定市场份额，并向国外市场拓展，就必须进行技术创新，提高产品技术含量。

1.2电机车的技术水平及发展方向

窄轨工矿电机车有着与铁道干线电力机车、城市轨道交通车辆共同的特性，也有它的独特性，其中主要一点是品种规格的多样化。在蓄电池机车（防爆和非防爆）和架线电机车两大基本系列中，各个国家有着不同的轨距、多种粘重的品种规格。例如英国Clayton公司生产的机车品种就有三大系列20多个品种，如表1所列。

表1 英国Clayton公司的窄轨工矿电机车的品种

非防爆型蓄电池机车系列 防爆型蓄电池机车系列 架线电机车系列

1.75t 7hp 4.5t 17.5hp 3t 20hp 3.5t 14hp 5.5t 25hp 4t 40hp 4t 21hp 9t 50hp 5t 45hp

1

5.5t 25hp 10t 50hp转向架式 6t 70hp 7t 35hp 15t 90hp 8t 90hp 9t 50hp 18t 90hp转向架式 10t 90hp 10t 70hp 21t 150hp转向架式 12t 120hp 15t 100hp 15t 150hp ---------------------------------------------------------------

有的公司还为满足特殊用户的需求，生产架线-蓄电池矿用电机车。这种双能源机车通常由直流架线供电，车上若装有充电装置还可以向蓄电池充电；而在无架线供电区段（如装卸矿区），就可转换成由蓄电池供电运行。

有的用户要求机车能在100‰高陡坡区运行。英国Clayton公司为此开发了胶轮机车（Rubbertyred Locomotive）。

胶轮机车是在车轮的轮缘上粘贴橡胶垫而得名。在车轮的轮毂上用螺栓牢固地连接有制动鼓以便于盘式制动。该盘式制动器由司机安全手柄和超速开关来操作；另外还设有手制动以策安全。表2所列为Clayton公司生产的胶轮机车品种。

2

第二章 井下电机车运输牵引计算

2.1设计原始资料

1、矿井设计规模：600kt/a；

2、矿井瓦斯：低瓦斯，可用架线式电机车；

3、矿井工作制度：年工作300日，每日两班生产，每班7h； 4、运量：班运煤1000t，班运矸石100t，共计1100t； 5、运距：两翼运输。南翼运距L1=1.04km，班运总量的50% （550t）；北翼运距L2=1.10km，班运总量的50%（550t）。

6、运输线路情况：两翼均重车下坡运行，坡度i?3‰，曲线段 较少，曲线半径最小为85m；

7、调车时间：采区装车和井底车场调车合计时间tt?25min； 8、采煤方法：普采。

9、车辆：ZK6—6/550型架线式电机车，矿车MGC1.7—6型。

2.2电机车的黏着质量的选择

选择电机车的黏着质量是一个技术经济问题，涉及到许多因素，其中最重要的因素是矿井年产量。年产量大，就要加大电机车的黏着质量和矿车的货载量。

由于我矿是基建矿，兼并重组后矿井年产量达60万吨/年，所以选择6吨架线式牵引电机车。

2.3列车组成的计算

（1）按电机车起运时的牵引力确定矿车数量，根据相关公式计算如下：

n?式中 p

q0 ?

?p?1000g??? ?1??q0?q?Wb?Wr?WR?Wa? 电机车的粘着质量，p?6t； 矿车的自重，查表得q0?0.72t；

电机车主动轮与钢轨间的粘着系数，查表得??0.24

3

（按撤启动）； Wb Wr 列车的单位运行基本阻力，查表得Wb?WbL?120N/t； 列车的单位坡道阻力，按Wr?gi‰，下坡为-29.4N/t;平坡

为0；上坡为+29.4N/t。 WR n 可得：

下坡起运时可牵引矿车数： n?61000?9.81?0.24(?1)?39（台）

0.72?1.5120?29.4?60 列车的单位弯道阻力，由于曲线半径较大，所以WR不计，N/t； 矿车数量，台。

平坡启动时，可牵引矿车数： n?61000?9.81?0.24(?1)?32（台）

0.72?1.5120?60上坡启动时，可牵引矿车数： n?61000?9.81?0.24(?1)?27（台）

0.72?1.5120?29.4?60考虑到车场有效长度、上坡起动条件和下坡制动条件，最后选定列车组成矿车数n?25台。

（2）按牵引电动机发热条件校验矿车数量

用下列公式计算牵引电动机均方根电流： Irms式中 a Iem

22Iem?ILtL ?aT调车系数，查表可得a?1.25；

空列车运行时，单台牵引电动机的工作电流，A；

IL 重列车运行时，单台牵引电动机的工作电流，A； tem

每一运输循环中，空列车的运行，min；

4

tL 每一运输循环中，重列车的运行，min； T 每一运输循环中，列车运行总时间，min； T?tem?tL?tt

tt 停车及调车时间，这里取25min； 用下列公式计算空列车和重列车牵引力： Fem? FL?式中 Fem Fem

p?nq0(Wbem?Wr) nMp?n(q0?q)(Wbl?Wr)

nM空列车运行时，单台牵引电动机的牵引力，N； 重列车运行时，单台牵引电动机的牵引力，N；

nM 电机车牵引电动机的台数，nM?2台；

Webm 空列车运行时，列车的单位运行基本阻力，N/t； Webm?100N/t

WbL 重列车运行时，列车的单位运行基本阻力，N/t；

WbL?80N/t

Wr 列车的单位坡道阻力，Wr?29.4N/t 空车时 Fem? 重车时 FL?6?25?0.72(100?29.4)?1552.8N 26?25(0.72?1.5)(80?29.4)?1555.9N

2 查相关图ZQ-18-1型牵引电动机特性曲线得：

17.5?103?4.86m/s； 空列车运行时Iem?15.2A；Vem?60?6017.5?103?4.86m/s； 重列车运行时IL?15.2A；VL?60?60 用下式计算空列车及重列车运行时间：

5

tem?80L80L；tL? VemVL式中 L 两翼平均距离，m； L?1.04?550?1.10?550?1.07km

1100 当两翼运距及运量有较大差异时，应分别对各翼进行计算。按平均运距计算时：

tem? tL?80?1.07?4.89min 17.580?1.07?4.89min 17.5每一循环运输的总时间：T?4.89?4.89?25?34.78min

从图可知ZQ-18型牵引电动机长时制许可电流16A>10.1A，故牵引时机不会过热。

（3）制动距离验算：

电动机下坡时，制动距离按如下公式计算：

54Vb2 Lbr?Vbt0?

W?Wbl?wr式中 Vb 电机机（或列车）制动开始前列车运行速度，m/s; Vb?4.86m/s

t0 闸瓦空行时间，取t0?1.5s； W? 则 W?f1，f1?1472p?1472?6?8832N

(P?Q)g8832?14.64N/t

?6?25?0.72?1.5??9.8154?4.862?26.84m Lbr?4.86?1.5?14.64?80?29.4 计算结果制动距离Lbr?26.84m，小于《煤矿安全规程》规定的允许制动

6

距离40m，故符合要求。 （4）电动机台数计算 用下列公式计算电机车台数：

?K(Qs?Qs')?11 Ns?1.33?L(?)?tt? ?nqTsVemVL??式中 k 运输不均匀系数，取1.25； Qs 矿井每班运煤量，1000t； Qs' 矿井每班运矸量，100t； Ts 每班运输时间，7h； 则 Ns?1.25(1000?100)?11?1.33?1.07(?)?0.417?3.03（台） ?25?1.5?7?17.517.5??计算结果可取3台，其他杂项作业1台，备用及检修1台，共5台电机车。

第三章 牵引变流所设备的选型

3.1计算条件

采用5台ZK6-6/550型架线电机车，按牵引变流所正常运行情况计算。

3.2牵引变流所负荷计算

1）连续负荷

采用以下公式计算连续负荷：

p?1.1KsNsUavIav?10?3

式中 P 牵引变流所的连续计算负荷，kW； 1.1 考虑牵引网络效率的系数；

ks 电机车同时工作系数，查表得取0.6； Ns 电机车台数，5台；

Uav 牵引变流所线线平均电压，Uav?600V；

7

当每台电机车为二台电动机时：

Iav?2(IIm?IL)2(15.2?15.2)??30.4A 22 将各值代入上式，求得：

p?1.1?0.6?5?600?30.4?60.2kW 换算为连续电流：

60.2?103?100A I?6002）最大负荷

采用如下公式计算最大负荷： Pm?KexNsPc

式中 Pm 牵引变流所的短时最大计算负荷，kW； kex 经验系数，，查表取1.25；

Pc 电机车长时制功率，查表得Pc?2?7.7?15.4kW； 将各值代入上式，求得：

Pm?1.25?5?15.4?96.3kW 换算为最大电流：

96.3?103?160.5A Im?6003）整流器容量及数量选择 利用如下公式计算整流器台数： n?P?1 PN 式中连续负荷P用连续电流代替，PN用整流器额定输出电流代替。初选额定电流为100的整流器，则， n?100?1?2 （台） 100 采用如下公式进行过载能力校验

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Pm96.3?103 ????1.61

(n?1)PN(2?1)600?100 查表得，允许过载时间近2h，符合要求。 4）选定

根据以上公式选用2台GQA-100/600-KY整流器。

第四章 牵引供电电耗的计算

4.1列车往返一次的电耗

列车往返一次牵引供电电耗，按如下公式进行计算： W1?1.2Uav(IImtIm?ILtL)?103

60式中 W1 列车往返一次的电耗，kW?h。 1.2 调车电耗附加系数。 W1?1.2?600(15.2?4.89?15.2?4.89)?1783.87kW?h

604.2每班牵引供电电耗

Wsh?nW1

式中 Wsh 每班牵引供电电耗，kW?h； n 每班所有列车往返总次数。 Wsh?nW1 （1）列车往返一次所需时间 T?1000L1000L1000?1.07?????2?33?40.34 60vzp60vkp60?4.86式中 L 加权平均运输距离，1.07km； vzp 重列车平均运行速度，4.86m/s； vkp 空列车平均运行速度，4.86m/s；

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? 列车往返一次内调车和休止时间，33min。 （2）一台电机车在一个班内可能往返的次数

60tb60?7??10.4?11 次/（台?班） n?T40.34式中 tb 电机车每班工作小时数，不运送人员取7h。 每班运输货载所需列车次数

kkA1.25?1.1?1000?11 （次/班） nk?12b?ZG25?5式中 Ab 矿井每班运煤量，1000t/班； Z G 车组中矿车数25； 矿车中货载的质量，5t；

k1 运输不均匀系数，取1.25；

k2 矸石系数，用以考虑每班外运矸石量，k2=1+每班外运矸石量

/Ab=1.1。 （3）每班运人所需的列车次数

该矿主要行人巷的水平距离小于1.5km，上下班不需用车辆运送人员，用

nr?0。

（4）每班所有列车运行的总次数 n0?n?nr?11 （次/班） 则每班牵引电耗为

Wsh?11?1783.87?19622.57(kW)

4.3牵引供电交流侧电耗

（1）牵引变流所交流侧每班运输生产的电耗，按如下公式进行计算： Wac?Wsh?Rec?L

式中 Wac 交流侧每班运输生产的电耗，kW?h； ?Rec

整流设备效率，查表取0.96；

10

?L； 牵引网络效率，查表取0.9。 将各数据代入上式，可得： Wac?19622.57?22711.31(kW?h)

0.96?0.9（2）牵引供电交流侧年电耗

按一年300个工作日，每日两班运输生产进行计算。可得牵引供电交流侧电耗 Wa?300?Wac?2?300?22711.31?2?13626786(kW?h) （3）单位电耗

运输生产中每吨公里电耗，按如下公式进行计算： aw?Wac q1L式中 aw 运输生产单位电耗，kW?h/t?km； q1 班运量，1000t； L 运输距离，1.07km。 将以上各数据代入上式，可得： aw?13626786?12735.31(kW?h/t?km)

1000?1.07第五章 牵引回路电网的计算

5.1同时运行电机车台数确定

双机牵引列车以列车数参加计算。 按一翼计算，计算公式如下：

运煤列车二列，运矸及其他杂作业列车一列，则 Ns'?Ns?13?1??2（列） 22式中 Ns' 同时用电的电机车当量台数，台； Ns 供电网络区段内的电机车数量，台；

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5.2牵引力计算

1、空车运行每台牵引电动机的牵引力，计算公式如下： Fem? ?p?nq0(Wbem?Wr) nM2?10?40?1.7(90?34.3)?2734.6N

4 重列车运行每台牵引电机车的牵引力 FL?

p?n(q0?q)(WbL?Wt)

nM?2?10?40?(1.7?3)(70?34.3)?1856.4N

4 空列车起动每台牵引电动机的牵引力 FL? ?p?n(q0?q)(Wbe?Wr?0.5Wbe)

nM2?10?40?(1.7?3)(132?34.3?66)?5112.8N

4 重列车起动每台牵引电动机的牵引力 FL? ?p?n(q0?q)(Wbe?Wr?0.5WbL)

nM2?10?40?(1.7?3)(104?34.3?52)?6328.4N

45.3牵引电动机、电机车及列车电流

双牵引电机车，每车两台ZQ—30—2型牵引电动机。查相关图得每台牵引电动机电流后各种情况下电机车电流计算如下： 空列车运行：Iem?2?2?25?100A 重列车运行：IL?2?2?19.8?79.2A 空列车起动：Ist?em?2?2?37?148A 重列车起运：Ist?L?2?2?49?196A

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5.4导线选择及牵引网络电压降

1）导线选择及供电系统

首先预选：馈电电费及回流电缆选用ZQ20-1000-1×95mm2，电阻值为0.225Ω/km；接触线用TCG-100，电阻值为0.1750.225Ω/km，考虑磨损（25%）后电阻值为0.234 0.225Ω/km；按较远的一翼LTW?1.1km。 2）牵引网络电压降

（1）列车运行情况下平均最大电压降计算如下 ?Uav?1.1N's(LTW?rTr)Iav 式中N's?2（按一翼计算） IIem?IL100?79.2av?2?2?89.6A LTW?1.1km

rTW?0.234?1.1?0.2574Ω rTr?0.033?1.1?0.0363Ω 将上列数值代入，得

?Uav?1.1?2(0.2574?0.0363)?89.6

?57.89V>0.15×363=54.45V 超过允许值 （2）严重情况下短时最大电压降按如下公式计算： ?Umax?1.1?InRn

最严重情况产生于最远端一列重车起运和2/3运输距离一列空车在运行，即：

I1?Ist?L?1.96A；I2?Iem?100A，按如下公式计算：

?Umax?1.1?I?2?nRn?1.1??196?0.234?0.033??100?0.234?0.033?3??1.1

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?84.86V<0.3×363=108.9V 满足要求

（3）由于运行情况下平均最大电压降达57.89V，大于规程规定的54.45V，因此应加装辅助电线。

辅助线与接触线并联后，正常运行平均最大允许电压降?Up?54.45V。 运行情况下，未加辅助线时，平均最大电压计算值?Up?57.89V。 辅助线与接触线并联后，应减少的电压降?U?计算如下： ?U???Uav??Up?3.44V 辅助线长度Lx计算如下：

?Up??U??? LX?LTW?1??1.1N'?r?r?I??

sTWtRav?? ?1.1?1.1(57?3.44)

1.1?2(0.2574?0.0363)89.6 ?0.15km

辅助线与接触线总合截面按如下公式计算：

1100?LXIavNs'1100?0.15?17.9?10?3?89.6?2??154mm2 A???U?3.44辅助线截面为

Aau?A??ATW?154?100?54mm2 辅助线选择

辅助线选用与馈电线相同电缆，即选用ZQ20-1000-1×95mm2。敷设长度确定为100m

2'（即A??195mm，L'X?100m?0.1km）

增加辅助线后，牵引网络的平均最大电压降按下式计算： ?Uad?1000?L'X?'?1.1NI??rTW?rTr?LTW?LX?? 'A???'sav???1000?17.9?103?0.1? ?1.1?2?89.6??0.2574?0.0363??1.1?0.1???

195?? ?53V<54.45V的规定值。

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3）预选导线结果

（1）馈电线选用95mm2铜芯单芯电缆。 （2）接触线选用TCG-100铜电车线。

（3）辅助线选用95mm2铜芯单芯电缆，长度100m。

5.5短路电流及整流设备自动开整定电流计算

牵引交流所为二台GQA-400/600-KY整流器。 1）短路电流计算

（1）牵引网络的空载电压及整流设备内阻，当??7%时： U0?(1??)UH?1.07?600?642 Ri??UH942?0.07?0.012Ω IH4000.175?0.225?0.45Ω

0.175?0.225磨损前 ?R?0.112?1.52(0.175?0.033)?0.1磨损后 ?R?0.112?1.52(0.234?0.033)?0.10.234?0.225?0.55

0.234?0.225当不考虑经电弧短路，磨耗后期的最小短路电流如下： Ik?min?U0642??1167.2A ?R0.55当考虑经电弧短路，磨耗后期的最小短路电流如下：

U?100642?100??985.4A Ik?min?0?R0.55（2）短路最大负荷电流出现在牵引网络上有三列列车接电，按相关表为一列重车起动一列重车运行及一列空车运行，此时短路时最大负荷电流为： Imax?196?79.2?100?375.2A 2）整流设备自动空气开关整定电流

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自动开关整定电流按1.3Imax进行整定，即用自动开关的整定电流可取488A《1167.2A，满足要求。

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电机车选型计算

山西煤炭管理干部学院毕业设计

二 0 一 0 年

目 录

第一章 概述.............................................................................................................................1 1.1电机车的发展历史 ..........................................................................................................1 1.2电机车的技术水平及发展方向 .......................................................................................2 第二章 井下电机车运输牵引计算.........................................................................................3 2.1设计原始资料 ..................................................................................................................3 2.2电机车黏着质量的选择 ..................................................................................................3 2.3列车组成计算 ..................................................................................................................4 第三章 牵引变流所设备的选型 ...........................................................................................7 3.1计算条件 ..........................................................................................................................7 3.2牵引变流所负荷计算 ......................................................................................................8 第四章 牵引供电电耗的计算 ...............................................................................................9 4.1列车往返一次的电耗 ......................................................................................................9 4.2每班牵引供电电耗 ..........................................................................................................9 4.3牵引供电交流侧电耗 ....................................................................................................10 第五章 牵引供电电耗的计算 ............................................................................................. 11 5.1同时运行电机车台数确定 ............................................................................................ 11 5.2牵引力计算 ....................................................................................................................12 5.3牵引电动机、电机车及列车电流 ................................................................................12 5.4导线选择及牵引网络电压降 ........................................................................................13 5.5短路电流及整流设备自动开整定电流计算 ................................................................15

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