李友瑜 楊守煥 陽吉初 劉能文

(1.株洲聯(lián)誠集團有限責任公司,412001,株洲;2.湘潭大學機械學院,411105,湘潭∥第一作者,工程師)

地鐵列車制動電阻的種類及優(yōu)化設計

李友瑜1,2楊守煥1陽吉初1劉能文1

(1.株洲聯(lián)誠集團有限責任公司,412001,株洲;2.湘潭大學機械學院,411105,湘潭∥第一作者,工程師)

介紹了地鐵列車制動電阻的種類、結構型式及各自的優(yōu)缺點。通過一種制動電阻的計算及設計實例,說明了制動電阻的優(yōu)化設計過程,并對制動電阻的優(yōu)化設計方向進行了簡要分析。

地鐵;制動電阻;優(yōu)化設計

First-author's addressZhuzhou Lince Group Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

地鐵客車的運行特點是站距短,列車運行密度高,起制動頻繁,制動減速度大。具有控制精確、制動平穩(wěn)、節(jié)能等優(yōu)點的再生制動已經(jīng)在地鐵的客車中得到廣泛的應用。根據(jù)國內(nèi)外軌道交通的運營經(jīng)驗,地鐵再生制動產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的20%及以上。這些再生能量除了按一定比例(根據(jù)列車行車密度和區(qū)間距離的不同而異)被其他相鄰列車吸收利用外,剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收,將導致地鐵直流電網(wǎng)電壓大幅度升高,會威脅牽引電網(wǎng)及列車行車安全。

雖然國內(nèi)外進行了一些列車再生能量回收技術的研究和應用實踐,如超級電容、飛輪等,但這些技術目前還屬起步階段,尚無法大量應用。在這些技術取得實質性突破前,多余的再生制動能量仍將以電阻消耗為主。

雖然制動電阻的結構簡單、技術成熟可靠,但目前國內(nèi)外的資料尚沒有對各種制動電阻進行總結。因此本文對此進行了歸類說明,以便于地鐵設計時作為參考。另外,若不對其進行優(yōu)化設計,設計的制動電阻要么盈余度太大造成投資浪費,要么達不到散熱要求導致燒損,或者因結構設計不合理會導致很多故障的發(fā)生。因而,在制動電阻設計時必然要考慮對其進行優(yōu)化設計。

1 地鐵列車制動電阻的種類

1.1 按制動電阻冷卻形式分類

制動電阻在消耗列車多余的再生能量時,其產(chǎn)生大量的熱能必需散發(fā)到大氣中去。因此,若不能采取有效的散熱手段,制動電阻產(chǎn)生的熱能將聚集在制動電阻內(nèi)部,在很短的時間內(nèi)就足以導致制動電阻燒損。按冷卻形式,制動電阻可分為強迫通風冷卻型制動電阻和自然通風冷卻型制動電阻兩類。

1.1.1 強迫通風冷卻型制動電阻

強迫通風冷卻型制動電阻的結構一般為一組或數(shù)組制動電阻元件封閉在一個通風風道內(nèi);風道的一端安裝有一臺風機,另一端通向大氣;電阻帶平行于通風方向布置,以利于減小風阻和提高散熱效率。

此種制動電阻的顯著優(yōu)點是結構緊湊、體積小、重量輕,便于在車輛上安裝而不占用過多的設備安裝空間,因而適用于安裝空間有限而制動功率較大的情況。但由于其需要一臺用于散熱的風機,必然會增加列車的能量消耗和噪聲;另外,為確保通風正常、防止制動電阻燒損,還必須安裝風壓監(jiān)控及溫度監(jiān)控裝置。因此,雖然其初期投資成本在各種制動電阻中是最低的,但長期應用成本較高。

1.1.2 自然通風冷卻型制動電阻

自然通風冷卻型制動電阻的結構一般為一組或數(shù)組制動電阻元件布置在一個相對開放(滿足基本的外部防護要求)的框架內(nèi);電阻帶垂直于地面布置以利于空氣自然對流換熱。

由于不需要風機進行通風散熱,不需要額外的能量消耗,而且由于其結構最為簡單,故障率很低,不需要額外的監(jiān)控裝置,因此長期應用成本較低。但由于其采用自然通風冷卻,必然需要很大的空間布置電阻帶,且質量大,因而只適用于制動功率較小且具有足夠設備安裝空間的場所。此外,此種制動電阻為增加電阻帶熱容量,電阻帶使用量也大大增加,初期投資成本也因而大大增加。

1.2 按制動電阻安裝位置分類

目前,國內(nèi)外絕大多數(shù)地鐵列車的制動電阻均采用車載制動電阻方式,也有部分城市軌道交通的線路制動電阻直接掛接在牽引變電所直流母線而安裝到地面上。

1.2.1 車載型制動電阻

車載型制動電阻分散安裝在各動車底板下。同時,制動斬波器須集成在VVVF逆變器,可直接檢測線電壓,因而控制較為容易,列車運行較為靈活可靠。由于車載型制動電阻只需要考慮本列車多余再生制動能量的吸收,因此體積和容量均不大。雖然其產(chǎn)生的熱量會帶來隧道和站臺內(nèi)的溫升問題,但單列車產(chǎn)生的熱量對線路環(huán)控系統(tǒng)的負擔增加有限。由于需安裝在車輛上,必然要占用有限的設備安裝空間,增加了車輛的質量以及購置、維護成本。

1.2.2 地面型制動電阻

若采用地面型制動電阻,每個牽引變電所均須安裝一套,并須有配套的制動控制系統(tǒng)。地面型制動電阻可安裝在地下牽引變電所內(nèi),也可單獨安裝在地上。它通過檢測直流母線電壓調(diào)節(jié)斬波器導通比而改變制動電阻消耗功率。但其制動控制系統(tǒng)的控制難度大,使列車運行可靠性降低。由于在一個牽引變電所供電范圍內(nèi)有數(shù)列列車運行,需要消耗的制動能量大大增加,因此制動電阻體積和容量龐大;同時,由于產(chǎn)生的大量熱量集中排放,必須有制動電阻專門的散熱環(huán)控設備。這些設備占用了線路的有限空間,使地鐵的建設成本也有所增加。另外,地鐵線路一般位于城市繁華區(qū)段,在地上安裝制動電阻的成本將更加高昂,且會影響周邊環(huán)境。

2 制動電阻種類的選擇

由于各種制動電阻各有優(yōu)缺點,因此在地鐵線路設計時,就要綜合考慮線路的地理條件、對環(huán)境的影響、列車制動能量等系列因素,并對各制動電阻方案進行全壽命周期成本分析,以選擇最適于該線路條件、全壽命周期成本最少的方案。

另外,合理安排列車發(fā)車間隔時間,使列車制動時相鄰列車運行于同一牽引變電所供電范圍內(nèi)且處于牽引工況,可最大限度利用再生制動能量,減少制動電阻上的電能消耗,從而可選擇功率、體積更小的制動電阻,以降低制動電阻采購和使用成本。

例如,某地鐵線路由于大部分位于人口稠密的繁華地段,人流量較大,為了減少建設成本同時減少對周邊居民環(huán)境的影響,選擇車載制動電阻類型;由于車底設備安裝空間有限,選擇了占用空間較小的強迫通風冷卻型制動電阻。

3 制動電阻的優(yōu)化設計

某制動電阻為一地鐵車載強迫通風冷卻型制動電阻,采用車底懸掛方式安裝。它包括一臺風機,一個內(nèi)部裝有電阻元件的通風風道及一套監(jiān)測通風和電阻帶溫度的監(jiān)控裝置。

為了使該制動電阻在滿足線路運行條件的前提下達到最優(yōu)的技術經(jīng)濟效果,就必須對其進行優(yōu)化設計。

3.1 對制動電阻的溫升進行優(yōu)化計算

在計算制動電阻的溫升前必須先初步確定該制動電阻的一些基本數(shù)據(jù),如散熱面積、冷卻方式及風量、規(guī)格及重量、風道尺寸等。

3.1.1 制動電阻的基本技術參數(shù)

制動電阻的基本技術參數(shù)如下:

1)電阻段阻值R(20℃時)為2.26 Ω×2;

2)額定電壓為1800 V;

3)電阻帶允許最高溫度＜600℃;

4)最大功率為1120 kW×2;

5)柜體尺寸(不包括風機及接線盒)為923 mm(長)×760 mm(寬)×603 mm(高);

6)制動電阻功率曲線見圖1。

3.1.2 制動電阻溫度模擬計算

制動電阻內(nèi)溫度場是一個非線性溫度場,要進行精確的模擬分析必須建立相應的有限元模型。但在制動電阻參數(shù)設計階段若參數(shù)調(diào)整,又必須重新建立模型,故有限元模型顯然是不適合的。

根據(jù)對流換熱理論,實際計算時是按以下模型進行計算:

1)單個電阻元件內(nèi)電阻帶表面溫度均勻;

2)換熱方式為強迫對流外掠平板紊流換熱。

3.1.2.1 制動電阻溫度模擬計算步聚

1)確定冷卻方式:由于此制動電阻的額定功率較大,而柜體尺寸很小,必須采用強迫通風冷卻方式。

2)確定通風截面尺寸:根據(jù)IEC 60322標準的電阻元件框架對地電氣間隙及爬電距離的要求,計算出電阻元件框架離柜體的最小尺寸;再由柜體截面尺寸減除該尺寸,確定出通風截面尺寸W(寬)×H(高)。

3)確定風機風量:根據(jù)以往經(jīng)驗,初步取冷卻風速V(m/s),算出冷卻風量為Q(m3/s)。此參數(shù)根據(jù)溫升計算結果再進一步進行優(yōu)化調(diào)整。

4)確定電阻帶的規(guī)格尺寸及質量:根據(jù)通風區(qū)域尺寸及電阻值要求,初步計算出電阻帶規(guī)格為δ(厚)×w(寬)×l(長)。

5)采用強迫對流外掠平板紊流換熱模型,利用VBA軟件,編制模擬計算程序(程序界面見圖2);輸入制動電阻功率曲線,再分別輸入以上各參數(shù)數(shù)值,計算出制動電阻各時間點的溫度并繪制溫度時間曲線。

圖1 制動電阻功率曲線

3.1.2.2 模擬計算結果

模擬計算往往不會一次得到理想的結果,會出現(xiàn)計算溫度超出電阻帶允許的工作溫度;或者比允許溫度低得太多,造成盈余過大。因此,需要不斷調(diào)整計算參數(shù)進行反復模擬計算。若計算溫度過高,說明散熱面積、風量或者電阻帶質量不夠。這就要相應調(diào)整電阻帶寬度、電阻帶厚度和通風風量,直至計算溫度值接近且低于電阻帶允許的工作溫度;反之亦然。

最后確定的參數(shù)見圖2;計算出的溫度曲線見圖3。由圖3可知,溫度曲線最高點為530℃,接近且低于允許的工作溫度600℃。考慮到制動電阻內(nèi)溫度場的不均勻性,此計算結果是合適的。

圖2 制動電阻溫度模擬計算程序的界面

圖3 制動電阻溫度曲線

3.2 制動電阻結構的優(yōu)化設計

3.2.1 優(yōu)化制動電阻帶的表面形狀

優(yōu)化制動電阻帶的表面形狀,合理布置電阻元件,以強化制動電阻散熱能力。前面溫升計算采用的是紊流計算公式。但是,若電阻帶表面平直,電阻帶表面的層流底層厚度將明顯增厚,從而使換熱系數(shù)大大降低。因此必須改變電阻帶表面形狀(見圖4),以增加冷卻空氣的紊流度,減小層流底層厚度,提高換熱系數(shù)。

圖4 改變后的電阻帶表面形狀(單位:mm)

另外,將相鄰兩電阻元件的電阻帶進行“叉排”(見圖5),使氣流流經(jīng)下一電阻元件時的流動方向發(fā)生改變,也有助于提高紊流度,提高換熱效率。

圖5 電阻帶“叉排”示意圖

3.2.2 防電阻帶熱變形的結構優(yōu)化

電阻帶的線脹系數(shù)為19×10-6/℃,電阻元件兩絕緣子間電阻帶長度為365 mm。當電阻帶溫度由20℃升高到600℃時,電阻帶將膨脹4 mm。如果電阻帶兩端固定,產(chǎn)生的彎曲變形將達到23.5 mm。因此,電阻帶兩端與絕緣子安裝處采用腰形孔,以保證兩端各有2 mm的調(diào)整間隙(見圖6)。除此以外,在電阻帶中部加裝一隔離瓷柱(見圖7),以保證即使電阻帶彎曲變形也不至于引起電阻帶間接觸短路。

圖6 防電阻帶變形結構

3.2.3 優(yōu)化電阻元件阻值

由于制動電阻由12個電阻元件組成,冷卻空氣經(jīng)過前面的電阻帶加熱后溫度升高,從而使靠近出風口方向的電阻帶換熱系數(shù)降低,使最后面的電阻帶表面溫度將大大高于最前面的,從而不能充分利用前面電阻帶的熱容量。經(jīng)過計算,由進風口到出風口分別采用三種阻值為R1、R2、R3(R1＞R2＞R3)的電阻元件,提高進風口處電阻元件發(fā)熱量,降低出風口處電阻元件發(fā)熱量,使各電阻元件的表面溫度均勻。

圖7 電阻帶間隔離

3.2.4 制動電阻可維護性的優(yōu)化

由于制動電阻使用環(huán)境惡劣,不可避免地有燒損現(xiàn)象發(fā)生,并且有大量灰塵需要經(jīng)常清理,因此需要使制動電阻的維護方便快捷。

本制動電阻將電阻元件設計成抽屜式結構。維護時,只需將有問題的電阻元件抽出即可更換。另外,將制動電阻底板設計成鎖扣型式,拉開鎖扣即可打開底板對制動電阻內(nèi)部進行維護作業(yè),大大縮短了維護作業(yè)的時間和強度。

3.3 制動電阻的優(yōu)化設計方向

以上只是某一制動電阻的優(yōu)化設計結果。對于不同線路、不同種類的制動電阻,其具體的優(yōu)化設計方法雖有所不同,但方向都是一致的。即結構盡可能緊湊,質量盡可能小,能夠承受車輛的振動沖擊,能有效地冷卻并具有高可靠性和可維護性,并使制動電阻全壽命周期成本最小化。

為使制動電阻的結構緊湊、質量小,并能有效地冷卻,就必須對制動電阻溫升進行盡可能精確的分析。有條件的可采用有限元分析方法,使制動電阻帶使用量最小化、風量及風道尺寸最小化,并合理布置電阻帶,使溫度分布均勻,避免局部高溫的出現(xiàn)。

為能夠承受車輛的振動沖擊,就必須使制動電阻具有足夠的強度和剛性。通過有限元強度分析和模態(tài)分析,并通過樣機的振動沖擊試驗來驗證制動電阻抗振動的沖擊性能。

為保證制動電阻的高可靠性,就必須在設計的全過程進行認真細致的失效模式分析,發(fā)現(xiàn)存在的失效隱患并予以改進,以便有效地避免失效的發(fā)生。

縮小制動電阻全壽命周期成本除了選擇制動電阻種類外,還與制動電阻的可靠性、可維護性有很大關系?？煽啃圆桓?必然故障較多,維護次數(shù)和成本增加;而若可維護性不好,必然增加維護的時間和強度,從而增加維護成本。

4 設計結果驗證

通過計算及結構優(yōu)化設計,制作了該型制動電阻,并對其進行了試驗驗證。

由于試驗條件限制,不能完全模擬制動電阻功率曲線來進行試驗,因此采用等周期能量模擬試驗方法。即試驗周期與功率曲線相同,每個周期輸入的能量也與功率曲線每個周期的能量相等。型式試驗結果(見圖8)中測點4的溫度曲線為所有測點中檢測到的最高溫度曲線,其溫度曲線最大值為538℃。

試驗結果表明,模擬計算溫度曲線與試驗得到的溫度曲線基本一致,基本反映了制動電阻的實際工況。經(jīng)優(yōu)化設計的制動電阻獲得了國家專利,并在上海軌道交通1號線車輛“6改8”和廣州地鐵1號線中得到了應用。長期運營的結果表明,該制動電阻的性能可靠,維護方便,滿足了用戶的要求。

圖8 型式試驗溫度曲線

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Types of Metro Braking Resistor and Optimal Design

Li Youyu,Yang Shouhuan,Yang Jichu,Liu Nengwen

In this paper,the types of metro braking resistor,their configurations,advantages and disadvantages are introduced.A calculation and the optimal design of braking resistor is presented,and the direction of braking resistor development is briefly analysed according to the design process.

metro;braking resistor;optimal design

U 270.355

2009-06-18)