趙海波 李雪昆 付 麗

(中車長春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，130062，長春//第一作者，高級工程師)

全國各軌道客車運營單位的統(tǒng)計顯示,在各種運營成本中，軌道客車能源消耗的比例超過50%。因此,在保障軌道客車正常運行的前提下,降低軌道客車能源消耗的重要性越來越凸顯。研制綠色節(jié)能型軌道客車已經(jīng)成為未來主要技術(shù)研究方向。

本文旨在通過軌道客車能耗因素分析，從軌道客車正向設(shè)計的角度對在設(shè)計過程中需要開展的節(jié)能設(shè)計工作進行論述。

1 能耗影響因素分析

軌道客車能量消耗影響因素分析通常采用現(xiàn)車試驗測試和軟件仿真分析兩種方法進行。文獻[1—3]詳細分析了軌道客車能耗影響因素，總結(jié)歸納后得出的具體因素主要有8項。

(1) 線路坡度：在目標速度和坡道長度不變的前提下，能耗隨著坡度的增加而增加。

(2) 曲線半徑：當(dāng)曲線半徑超過5 000 m時，其對能耗的影響可以忽略不計。

(3) 站間距離：在目標速度不變的前提下，能耗隨著站間距里的增加而降低。

(4) 橋梁隧道：如果處于軌道客車加速階段，橋梁和隧道對能耗有影響。

(5) 運行速度：如果軌道客車的功率較大，則能耗隨著運行速度的增加而增加。

(6) 車輛質(zhì)量：在目標速度不變的前提下，能耗隨著車輛質(zhì)量的增加而增加。

(7) 車輛阻力：能耗隨著車輛阻力增加而快速增加。

(8) 牽引效率：在目標速度不變的前提下，能耗隨著牽引傳動效率增加而降低。

以上8項影響因素可歸納成軌道客車內(nèi)部因素和線路、調(diào)度指揮等外部因素兩大類。其中：內(nèi)部因素包括車輛質(zhì)量、車輛阻力、牽引效率；外部因素包括線路坡度、曲線半徑、站間距離、橋梁隧道、運行速度。

針對軌道客車內(nèi)部因素，可以通過優(yōu)化車輛設(shè)計、提升車輛相關(guān)性能來實現(xiàn)節(jié)能的目標。針對線路、調(diào)度指揮等外部因素，可以在線路建設(shè)階段提前做好規(guī)劃，合理布局，降低外界環(huán)境對能源消耗的影響，或者合理安排車輛運行速度，實現(xiàn)速度和能量消耗的最優(yōu)匹配。本文后續(xù)章節(jié)主要針對軌道客車的內(nèi)部因素進行詳細分析。

2 節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

車輛質(zhì)量、車輛阻力和牽引效率是軌道客車節(jié)能的內(nèi)部因素。車輛設(shè)計過程中，針對內(nèi)部因素的車輛節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)包括車輛質(zhì)量控制、車輛阻力控制和牽引效率提升。

2.1 車輛質(zhì)量控制

根據(jù)動能定理可知，車輛的動能與車輛的物理質(zhì)量成正比，同時，車輛的物理質(zhì)量和車輛克服的滾動摩擦力成正比，因此，可以通過降低車輛的物理質(zhì)量來降低軌道客車的能量消耗。具體的降低方式主要有新型材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1.1 新型材料應(yīng)用

目前，碳纖維、鎂合金、陶鋁纖維等新型復(fù)合材料的發(fā)展非常迅速，其主要特點是與現(xiàn)有材料(鋁合金、不銹鋼等)相比質(zhì)量有顯著的降低，因此，可以通過對車體及車配設(shè)備所用材料的選用優(yōu)化，實現(xiàn)降低車輛質(zhì)量的目的。

(1)車輛主要子系統(tǒng)質(zhì)量分布。統(tǒng)計某4輛編組的軌道客車主要子系統(tǒng)質(zhì)量和所占比重，結(jié)果如表1所示。由表1可知，車體、內(nèi)裝和設(shè)備占據(jù)了整車質(zhì)量的50%以上，因此，對這些子系統(tǒng)開展減重研究的效果最為明顯。

(2)車體減重。車體的質(zhì)量占總重的31.5%，因此，車體的減重是所有減重方案中成果最顯著的。碳纖維材料因其高強度、高模量纖維的特點，具有其他金屬材料無法比擬的優(yōu)勢，近年來得到國內(nèi)外大量機構(gòu)對其在車體上的應(yīng)用研究與開發(fā)。其中，中車長春軌道客車股份有限公司研發(fā)的碳纖維車體，利用碳纖維復(fù)合材料可設(shè)計性強、可一體化成型的特點，通過模具一體成型，能最大限度地實現(xiàn)部件整合，避免了傳統(tǒng)金屬車體因焊接變形導(dǎo)致的尺寸、形位偏差，提高車體尺寸精度和外觀質(zhì)量，在強度不變的情況下，降低了車體質(zhì)量40%(見圖1)。

表1 車輛主要子系統(tǒng)質(zhì)量及所占比重

圖1 碳纖維車體內(nèi)部實景

(3)內(nèi)裝和設(shè)備減重。內(nèi)裝和設(shè)備占據(jù)車輛質(zhì)量的19.5%，通過新型復(fù)合材料應(yīng)用，同樣對車輛質(zhì)量控制有著積極的意義。鎂合金作為高強度復(fù)合材料(其密度為鋼的25%～40%)，因其具有良好的傳熱和減振等性能，目前相關(guān)研究工作正在逐步開展，現(xiàn)階段可以將其用在扶手、座椅等部件上，質(zhì)量能夠降低30%左右。與其他新型復(fù)合材料的低質(zhì)量優(yōu)勢相比，玄武巖纖維作為一種新型復(fù)合材料(見圖2)，同時還兼具環(huán)保特性和良好的降噪特性[4]，因此，在座椅面料、墻板、間壁和地板等車內(nèi)飾件中有很大的應(yīng)用空間。

圖2 玄武巖纖維板

(4)電氣系統(tǒng)減重。電氣系統(tǒng)減重主要包括：優(yōu)化電氣設(shè)備外形尺寸及材質(zhì)；設(shè)備內(nèi)部元器件輕量化設(shè)計；提高電氣設(shè)備集成化程度(見圖3)；優(yōu)化電氣設(shè)備排布，采用就近原則，合理規(guī)劃布線路徑，減小整車線纜質(zhì)量。

(5)轉(zhuǎn)向架走行部減重。轉(zhuǎn)向架走行部部件的減重需要考慮走行部的特殊性，一般是通過對非承載部件進行材質(zhì)更換，來達到減重效果。具體減重數(shù)值如表2所示。

2.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

因經(jīng)濟因素或使用條件等約束而不進行更換系統(tǒng)(或部件)材質(zhì)的前提下，可以通過仿真分析和試驗手段，開展結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)剛度、固有頻率、疲勞強度及動力學(xué)等方面的分析，進行部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)減重目的。圖4為通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功減重的車體部件支架結(jié)構(gòu)。

圖3 集成化電氣系統(tǒng)

部件原質(zhì)量優(yōu)化后質(zhì)量牽引梁87.041.0齒輪箱箱體92.054.0軸箱前蓋13.55.0牽引拉桿桿體19.07.0

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)

2.2 車輛阻力控制

2.2.1 車輛阻力分類

列車運行阻力主要包括基本阻力和線路附加阻力，具體內(nèi)容如圖5所示。

圖5 列車運行阻力分類

車輛基本阻力是由車輛結(jié)構(gòu)決定的，車輛附加阻力是由于車輛在不同環(huán)境下運行產(chǎn)生的。本文主要討論車輛基本阻力的控制。

在車輛實際運行中,通常采用式(1)所示的經(jīng)驗公式即Daivs公式進行基本阻力計算[5]。

w0=a+bv+cv2

(1)

式中：

w0——車輛單位基本阻力；

v——車輛速度;

a——基準阻力系數(shù)；

b——滾動阻力系數(shù)；

c——空氣阻力系數(shù)。

由式(1)可以看出，空氣阻力系數(shù)為車輛基本阻力公式的二次項系數(shù)，車輛的空氣阻力隨車速的二次方快速增加，因此，降低車輛的運行阻力首先應(yīng)考慮降低車輛空氣阻力。

2.2.2 空氣阻力控制

空氣阻力的降低通常采用車輛流線型頭型設(shè)計、轉(zhuǎn)向架區(qū)域降阻、車端區(qū)域降阻及車頂區(qū)域降阻等4種方式進行。

(1)流線型頭型設(shè)計。車輛流線型頭型設(shè)計不僅代表著一個車輛品牌的形象，而且對降低空氣阻力有著重要意義。車輛頭型直接影響整列車的氣動性能，國內(nèi)外主機廠均對此開展了大量的技術(shù)研發(fā)工作，目前基本形成的有橢球型、扁寬型和錐型3個系列，其具體參數(shù)如表3所示。

表3 車輛流線型頭型參數(shù)

長細比是衡量車輛空氣阻力的重要指標。一般來講，長細比增加，阻力系數(shù)減小。長細比確定后，通過氣動外形設(shè)計(斷面形狀、截面變化率和鼻錐引流等)可以進一步優(yōu)化車輛氣動性能。

(2)轉(zhuǎn)向架區(qū)域降阻。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,受流動空氣影響時表面壓力分布不均，會形成較大的正壓區(qū)和負壓區(qū),大大增加了轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣壓力[6]。在轉(zhuǎn)向架區(qū)域設(shè)置裙板(見圖6)，可以有效阻止氣流從兩側(cè)進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，降低進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流速度，達到減阻的效果(側(cè)風(fēng)情況下尤為明顯)。風(fēng)洞試驗驗證了小裙板轉(zhuǎn)向架較無裙板轉(zhuǎn)向架可減阻6.2%。

a) 無裙板b) 小裙板c) 大裙板

圖6 轉(zhuǎn)向架區(qū)域裙板設(shè)置方案

(3)車端區(qū)域降阻。車端(兩車連接處)阻力主要是由氣體進入該區(qū)間形成渦流所造成。增加車端外風(fēng)擋(見圖7)可以阻止氣體進入，降低各節(jié)車壓差阻力，達到減阻效果。實測證明，半包外風(fēng)擋較無外風(fēng)擋減阻1.8%。

a) 無外風(fēng)擋b) 有外風(fēng)擋

圖7 車端區(qū)域外風(fēng)擋設(shè)置方案

(4)車頂區(qū)域降阻。車頂受電弓區(qū)域氣流流場復(fù)雜，對中間車的阻力和噪聲影響較大。通過采取受電弓平臺下沉設(shè)計(見圖8)，可達到較好的減阻效果。

a) 無下沉b) 有下沉

圖8 車頂受電弓平臺下沉設(shè)計方案

2.3 牽引效率提升

軌道客車的牽引系統(tǒng)主電路如圖9所示(不同車型存在一定的結(jié)構(gòu)差異，如城市軌道客車不包括牽引變壓器)。牽引系統(tǒng)的效率計算公式為：

(2)

式中：

η——牽引系統(tǒng)效率；

η1——變壓器效率；

η2——整流器(PMCF)效率；

η3——牽引逆變器效率；

η4——齒輪箱效率；

η5——牽引電機效率。

由式(2)可知，通過提高牽引系統(tǒng)各部件的效率能夠?qū)崿F(xiàn)提升牽引系統(tǒng)效率的目的，其物理意義為將更多的電能轉(zhuǎn)化為動能，降低機械損耗。具體方法包括使用新型電氣部件和優(yōu)化牽引控制策略。

圖9 軌道客車牽引系統(tǒng)主電路圖

2.3.1 使用新型電氣部件

與傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)中的變壓器、變流器和異步電機相比，電力電子變壓器、碳化硅變流器和永磁電機能夠顯著提高效率。

(1)電力電子變壓器。電力電子變壓器將變壓器技術(shù)和電力電子變流技術(shù)融合在一起，可實現(xiàn)變壓器的小型化和輕量化(體積減小60%，質(zhì)量降低50%)，同時比傳統(tǒng)變壓器擁有更高的效率(效率提升1%)。目前，國內(nèi)外已有樣機完成了試制和試用，ABB公司已經(jīng)在城市軌道客車上實現(xiàn)了應(yīng)用，國內(nèi)有關(guān)單位和高校也正在開展相關(guān)研究和試用工作[7]。

(2)碳化硅變流器。牽引變流器(PMCF和逆變器)使用的大功率元器件目前為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。以碳化硅(SiC)為代表的新一代電力電子元器件具有帶寬度高、泄露電流小、導(dǎo)熱率高、導(dǎo)通損耗小、耐電壓高和耐電流強等優(yōu)點，今后可用于代替IGBT，以此提升變流器的功率和效率。目前，碳化硅變流器已在日本N700S型軌道客車上使用[8]。

(3)永磁同步電機。永磁同步電機利用永磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)異步電機的轉(zhuǎn)子，不再通過勵磁電流建立磁場，使轉(zhuǎn)子能量損耗有效降低[9]，故效率較傳統(tǒng)異步電機有顯著提高(能夠達到98%左右)。在輸出參數(shù)不變的前提下，永磁同步電機的質(zhì)量和體積較傳統(tǒng)異步電機低20%～30%，功率密度顯著提高。目前，國內(nèi)外主要軌道客車主機廠在永磁同步電機應(yīng)用方面已開展了大量工作，如中國中車集團的永磁動車組和日本的N700S型軌道客車已開始采用永磁同步電機替代傳統(tǒng)異步電機。

2.3.2 優(yōu)化牽引控制策略

優(yōu)化牽引控制策略主要有：改進牽引變流器中牽引控制單元的IGBT驅(qū)動調(diào)制算法及牽引電機控制算法，實現(xiàn)牽引電機全頻帶磁鏈觀測；在牽引控制單元中進行IGBT驅(qū)動技術(shù)優(yōu)化，降低功率回路諧波含量；在牽引控制單元中實現(xiàn)黏著力精確控制，提高輪軸牽引/制動力運用效率。

利用以上對牽引變流器控制算法的優(yōu)化，能夠提升PMCF效率和牽引逆變器效率，進而提升整個牽引系統(tǒng)效率。

另外，在列車恒速控制等階段，利用目標速度與實際速度的速度差，并結(jié)合線路情況，實現(xiàn)對牽引力的精準控制，也可實現(xiàn)降低能耗的目的。

3 節(jié)能效果

根據(jù)前述節(jié)能技術(shù)措施，并結(jié)合國外新開發(fā)的城市軌道客車試驗數(shù)據(jù)(日本JR東海鐵路公司研制的N700S型試驗列車、德國西門子公司研制的Velaro Novo型試驗列車)，得出的城市軌道客車各項節(jié)能措施及其節(jié)能效果如表4所示。

表4 車輛各項節(jié)能措施及其效果

由表4可見，降低車輛的運行阻力是最為有效的降低能耗的手段，新型材料和新型電子技術(shù)的應(yīng)用也能夠有效地降低車輛能耗。

4 結(jié)語

“安全、可靠、綠色、智能”已經(jīng)成為軌道客車發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的主要方向。在滿足廣大旅客出行的前提下，如何降低能量消耗，進而搭建旅客-車輛-社會之間的共贏關(guān)系是未來軌道客車正向設(shè)計過程中需要重點考慮的問題。軌道客車節(jié)能工作是一個系統(tǒng)工程，需要不斷深入開展各項基礎(chǔ)理論及前沿技術(shù)研究。