曾要爭(zhēng) 黃文杰

（中國(guó)南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)部，210031，南京∥第一作者，工程師）

城際列車(chē)一般指城市群內(nèi)開(kāi)行的多班次趨向公交化的中小編組短途旅客列車(chē)，沿途停靠各鄉(xiāng)鎮(zhèn)車(chē)站。城際列車(chē)的運(yùn)輸組織模式是“高密度、大容量、小編組、公交化”。城際列車(chē)與城市軌道交通的地鐵、輕軌列車(chē)一樣，需要有較大的起動(dòng)加速度和減速度，來(lái)滿足頻繁的起停要求。但其最大的不同點(diǎn)在于：城際列車(chē)運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，站間距更大，運(yùn)營(yíng)速度更快。

CRH6型城際動(dòng)車(chē)組是依托和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組技術(shù)平臺(tái)，基于珠三角地區(qū)的城際狀況，為適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市群崛起對(duì)城際快速軌道交通工具的需要而研制的。其具有快起快停、快速乘降、大載客量等技術(shù)特點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)營(yíng)情況的需要，分為站站停使用的時(shí)速160 km城際動(dòng)車(chē)組（以下簡(jiǎn)為CRH6－160）和大站停使用的時(shí)速200 km城際動(dòng)車(chē)組（以下簡(jiǎn)為CRH6－200）。

CRH6－160運(yùn)行于100 km內(nèi)的城市之間，以建立1 h經(jīng)濟(jì)圈，滿足站站停的要求；CRH6－200運(yùn)行于距離在500 km內(nèi)的城市之間，連接較大城市，實(shí)現(xiàn)這些城市間乘客的快速出行，實(shí)現(xiàn)大站停靠的要求。

本文結(jié)合該項(xiàng)目研制過(guò)程中對(duì)牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)所作的相關(guān)研究，闡述CRH6城際動(dòng)車(chē)組的牽引性能設(shè)計(jì)。

1 牽引系統(tǒng)關(guān)鍵要素

牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)三大技術(shù)指標(biāo)：平均旅行速度，最大運(yùn)營(yíng)速度，加速性能。

1.1 平均旅行速度

平均旅行速度與平均旅行時(shí)間成反比。其直接關(guān)系到線路建成后，能否滿足線路規(guī)劃的初衷，且對(duì)列車(chē)調(diào)度和運(yùn)營(yíng)有直接的影響。城際列車(chē)的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)珠三角地區(qū)城市之間1h經(jīng)濟(jì)圈的構(gòu)建，如果平均旅行速度太小，必然無(wú)法實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)；但是平均旅行速度也不能太大，雖然可能在時(shí)間指標(biāo)上滿足甚至優(yōu)于1h的目標(biāo)，但會(huì)使線路建設(shè)配套成本加大，車(chē)輛配置的價(jià)格也更高，顯然不符合經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計(jì)原則。因此，平均旅行速度的選取既要滿足頂層技術(shù)目標(biāo)，又要經(jīng)濟(jì)合理。

1.2 最高運(yùn)營(yíng)速度

最高運(yùn)營(yíng)速度要結(jié)合實(shí)際的線路情況來(lái)合理選取，需充分考慮線路的站間距、曲線半徑及坡度等。

1.3 列車(chē)加速性能

列車(chē)加速性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為起動(dòng)加速度和剩余加速度。

起動(dòng)加速度是衡量列車(chē)起動(dòng)能力大小的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)對(duì)于站間距較短的列車(chē)更具有現(xiàn)實(shí)意義。由于站間距較小，因此要求列車(chē)有快速起停的能力，為保證列車(chē)有更多的時(shí)間運(yùn)行在高速區(qū)域，才能有效提高旅行速度。

剩余加速度是衡量列車(chē)加速裕度的指標(biāo)，是在逆風(fēng)、坡道等情況下仍可保持正常運(yùn)行的一種能力，也是進(jìn)行列車(chē)構(gòu)造速度試驗(yàn)的基本條件。但對(duì)列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)需求分析的影響不大。

CRH6型城際列車(chē)運(yùn)行于主城市及周?chē)拇渭?jí)城市之間，既要滿足乘客在不同城市之間短時(shí)通行，又要實(shí)現(xiàn)在沿途站點(diǎn)的快速起停。前者要求列車(chē)的運(yùn)營(yíng)速度和平均旅行速度要高，則列車(chē)牽引系統(tǒng)的功率要大；后者要求有較高的起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度，則牽引電機(jī)要有較大的扭矩。為了實(shí)現(xiàn)車(chē)輛成本的最優(yōu)化和能源的有效利用，一般不會(huì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)速度高和有較大起動(dòng)加速度這兩個(gè)要求。因此，在長(zhǎng)大站間距運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)加速度對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響較小，而最高運(yùn)營(yíng)速度及平均旅行速度直接影響了運(yùn)營(yíng)模式；在短的站間距運(yùn)營(yíng)時(shí)，列車(chē)很難達(dá)到或難以長(zhǎng)時(shí)間維持高速運(yùn)行，因此不需要高的運(yùn)營(yíng)速度，而大的起動(dòng)加速度和減速度反而更為重要。

為此，設(shè)計(jì)了CRH6－160型和CRH6－200型兩種速度的動(dòng)車(chē)組配置。CRH6－200型動(dòng)車(chē)組的運(yùn)營(yíng)速度和旅行速度高，運(yùn)行模式是長(zhǎng)時(shí)工作制，大站停車(chē)，能發(fā)揮列車(chē)大牽引功率的優(yōu)點(diǎn)；而CRH6－160起動(dòng)加速度大，為站站停的短時(shí)工作制模式，發(fā)揮了大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢(shì)。

2 CRH6型動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)分析

CRH6－200型動(dòng)車(chē)組在和諧號(hào)200km／h動(dòng)車(chē)組的基礎(chǔ)上優(yōu)化了牽引性能，采用4動(dòng)4拖編組形式，2動(dòng)2拖為一個(gè)動(dòng)力單元，每個(gè)動(dòng)力單元設(shè)1臺(tái)牽引變壓器、2臺(tái)牽引變流器、8臺(tái)牽引電機(jī)，采用車(chē)控模式。CRH6－160型在CRH6－200型基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了性能配置，采用架控模式。在確定了牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)牽引系統(tǒng)各主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析和確定。

2.1 動(dòng)車(chē)組的牽引力

已知所需的牽引加速性能，可得出對(duì)應(yīng)的起動(dòng)牽引力

式中：

M——?jiǎng)榆?chē)組質(zhì)量，t；

β——慣性系數(shù)；

a——加速度，m／s2；

ω0——?jiǎng)榆?chē)組運(yùn)行單位基本阻力，N／t。

2.2 牽引電機(jī)主要參數(shù)的確定

2.2.1 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T

確定了F后，可由式（2）計(jì)算出牽引電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

式中：

N——齒輪傳動(dòng)比；

η——齒輪箱效率；

D——車(chē)輪直徑，m。

由式（2）可知，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與動(dòng)車(chē)組牽引力、齒輪傳動(dòng)比、輪徑三者有關(guān)。

2.2.2 牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速n

式中：

v——?jiǎng)榆?chē)組速度，m／s；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

由式（3）可知，動(dòng)車(chē)組速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪傳動(dòng)比、車(chē)輪直徑三者有關(guān)。

已知?jiǎng)榆?chē)組的最大運(yùn)營(yíng)速度，在最大磨耗輪徑時(shí)，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，考慮一定的余量后，可得所需的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速，并用來(lái)驗(yàn)證新輪的試驗(yàn)速度。而列車(chē)的平均旅行速度可以作為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的參考。

由上述可知，傳動(dòng)比對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的選擇有影響，需要電機(jī)供應(yīng)商、齒輪箱供應(yīng)商和整車(chē)（含轉(zhuǎn)向架）廠商等共同商討確定傳動(dòng)比。

2.2.3 電機(jī)功率P

動(dòng)車(chē)組輪周牽引總功率主要與動(dòng)車(chē)組運(yùn)行最高速度、動(dòng)車(chē)組質(zhì)量、最高速度時(shí)的列車(chē)運(yùn)行阻力和剩余加速度、齒輪傳動(dòng)效率、牽引電機(jī)效率等有關(guān)。

式中：

Pk——?jiǎng)榆?chē)組輪周牽引總功率，kW；

Δa——剩余加速度，m／s2；

Δv——逆風(fēng)速度，km／h；

vmax——?jiǎng)榆?chē)組最高運(yùn)行速度，km／h；

ηM——牽引電機(jī)效率；

Fvmax——最高速度時(shí)動(dòng)車(chē)的輪周牽引力，N。

牽引電機(jī)的功率為動(dòng)車(chē)組總功率除以動(dòng)車(chē)組電機(jī)的總臺(tái)數(shù)Nm，即P＝Pk／（Nmη）。

2.3 牽引系統(tǒng)的容量匹配

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)的容量計(jì)算是非常重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。首先應(yīng)根據(jù)動(dòng)車(chē)組的牽引特性、再生制動(dòng)特性的最大值求出Pk，根據(jù)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中各部件的效率、功率因數(shù)等，按牽引電機(jī)→牽引變流器→牽引變壓器的順序求得每個(gè)部件的最大功率。

3 CRH6型動(dòng)車(chē)組牽引設(shè)備選型

通過(guò)對(duì)以上參數(shù)關(guān)系的分析比較和論證，確定CRH6型動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)的設(shè)備選型。CRH6－200型動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)采用車(chē)控方式，每臺(tái)電機(jī)最大輸出功率為345kW，牽引系統(tǒng)主電路如圖1所示。

圖1 CRH6－200型動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)主電路簡(jiǎn)圖

CRH6－160型動(dòng)車(chē)組采用架控方式，每臺(tái)電機(jī)額定輸出功率為250kW、最大功率為322kW，牽引系統(tǒng)主電路如圖2所示。

圖2 CRH6－160型動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)主電路簡(jiǎn)圖

經(jīng)初步分析計(jì)算的牽引性能指標(biāo)比較見(jiàn)表1。

表1 牽引性能指標(biāo)比較

根據(jù)動(dòng)車(chē)組質(zhì)量、阻力公式、傳動(dòng)裝置效率、牽引性能指標(biāo)要求及牽引系統(tǒng)各參數(shù)間函數(shù)關(guān)系的分析，并結(jié)合實(shí)際設(shè)備的綜合參數(shù)，可以初步確定牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)

4 驗(yàn)證分析

在確定了表2的參數(shù)后，可以初步選擇牽引設(shè)備的型號(hào)和特定參數(shù)。要最終判斷所選設(shè)備是否滿足要求，還需要進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。考核的關(guān)鍵因素有兩個(gè)：一個(gè)是牽引特性結(jié)果和線路仿真的平均旅行速度均須滿足相關(guān)指標(biāo)要求；另一個(gè)是在各種要求的工況運(yùn)行時(shí)，各牽引設(shè)備的溫升不能超過(guò)其限值。

4.1 牽引特性校驗(yàn)

根據(jù)所選的牽引設(shè)備參數(shù)和牽引單元配置，進(jìn)行牽引特性仿真計(jì)算；將仿真計(jì)算結(jié)果與牽引性能指標(biāo)要求進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行必要的修正直至完全滿足牽引需求，最終設(shè)計(jì)出動(dòng)車(chē)組的牽引／制動(dòng)特性曲線。

通過(guò)對(duì)牽引系統(tǒng)特性的計(jì)算和反復(fù)修正與驗(yàn)證，得到CRH6－200型動(dòng)車(chē)組和CRH6－160型動(dòng)車(chē)組的仿真牽引特性，如圖3和圖4所示。

圖3 CRH6－200型動(dòng)車(chē)組仿真牽引性能曲線

圖4 CRH6－160型動(dòng)車(chē)組仿真牽引性能曲線

由圖3和圖4的牽引力性能曲線及列車(chē)重量，可以計(jì)算出CRH6－200型動(dòng)車(chē)組加速度為0.651m／s2，CRH6－160型動(dòng)車(chē)組的加速度為0.810m／s2。計(jì)算結(jié)果表明：正常工況時(shí)加速度性能滿足要求；25%動(dòng)力損失時(shí)，在平直道可以達(dá)到最高運(yùn)行速度，在30‰坡道上可以起動(dòng)，并在恒功區(qū)達(dá)到平衡；救援工況下，1列空車(chē)在30‰坡道上可以救援1列重車(chē)。

4.2 運(yùn)行仿真計(jì)算

根據(jù)仿真計(jì)算出的牽引特性，針對(duì)相應(yīng)的線路進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行模擬仿真，得到運(yùn)行區(qū)段的列車(chē)速度－距離曲線、運(yùn)行時(shí)分曲線、加速度／減速度曲線、能耗曲線、牽引力曲線、坡道最高運(yùn)行速度、不同線路坡度的加速距離和制動(dòng)距離、故障模擬運(yùn)行結(jié)果等牽引計(jì)算要求的所有參數(shù)與曲線。根據(jù)線路數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬運(yùn)行仿真計(jì)算（見(jiàn)圖5），結(jié)果表明列車(chē)的平均旅行速度能滿足指標(biāo)要求。

圖5 CRH6－160型動(dòng)車(chē)組模擬仿真運(yùn)行

在坡道故障起動(dòng)、坡道救援等絕端工況下，需要對(duì)牽引電機(jī)、變流器和變壓器進(jìn)行仿真計(jì)算，從而考核牽引系統(tǒng)設(shè)備溫升熱容量是否達(dá)到其限值。仿真結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7所示，都能滿足要求。

圖6 變壓器熱態(tài)工況溫升仿真

圖7 牽引電機(jī)最?lèi)毫庸r下的溫升仿真

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

最終的設(shè)計(jì)研究結(jié)果需用試驗(yàn)來(lái)作驗(yàn)證，應(yīng)進(jìn)行各部件試驗(yàn)、牽引聯(lián)調(diào)、牽引制動(dòng)地面試驗(yàn)、裝車(chē)試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。

牽引電機(jī)、變壓器和變流器樣機(jī)試制完成后，進(jìn)行牽引電機(jī)、變壓器和變流器型式試驗(yàn)；然后進(jìn)行牽引聯(lián)調(diào)、牽引制動(dòng)地面試驗(yàn)及整車(chē)型式試驗(yàn)，以驗(yàn)證牽引系統(tǒng)的輸出特性是否符合牽引特性設(shè)計(jì)要求，并對(duì)列車(chē)旅行速度進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，分析各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)CRH6型城際動(dòng)車(chē)組的項(xiàng)目特點(diǎn)，針對(duì)CRH6－160型動(dòng)車(chē)組站站停和CRH6－200型動(dòng)車(chē)組大站停的運(yùn)營(yíng)模式，分析了二者牽引性能的差異，并在理論分析的基礎(chǔ)上初步確定了牽引系統(tǒng)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。

然后根據(jù)所選擇的牽引設(shè)備參數(shù)，進(jìn)行牽引特性計(jì)算和仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與要求的牽引性能指標(biāo)對(duì)比，進(jìn)行反復(fù)修正與驗(yàn)證，最終確定牽引系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和特性曲線。另外，在故障和救援工況下，牽引性能也須達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所選的設(shè)備是否滿足指標(biāo)要求，還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行型式試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和整車(chē)試驗(yàn)。

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