劉三帥，陳明陽(yáng)，李瑋斌，趙軍偉

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.倫敦大學(xué)學(xué)院，英國(guó) 倫敦 WC1E6BT）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路向西部地區(qū)延伸，受自然環(huán)境和地形因素影響，線路出現(xiàn)了較多的長(zhǎng)大坡道區(qū)段[1]。如，設(shè)計(jì)速度等級(jí)為250 km/h的西成高鐵，由于所處位置地形復(fù)雜、連續(xù)長(zhǎng)大坡道區(qū)間較多，尤其在鄠邑站到新場(chǎng)街站區(qū)間，持續(xù)坡度為25‰的線路長(zhǎng)達(dá)45.05 km。目前配屬于鄠邑維修工區(qū)的機(jī)械傳動(dòng)、液力傳動(dòng)工程車在鄠新區(qū)間天窗作業(yè)時(shí)，上坡牽引動(dòng)力不足，無(wú)法快速到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；其持續(xù)下坡采用單一的JZ-7型空氣制動(dòng)系統(tǒng)，持續(xù)下坡時(shí)間短，需頻繁停車涼閘，存在一定的安全隱患，無(wú)法滿足維修天窗高效、安全作業(yè)的運(yùn)用要求。

為破解高鐵長(zhǎng)大坡道線路設(shè)備養(yǎng)護(hù)難題，2018年，國(guó)鐵集團(tuán)和中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司多次開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，先后5次在西成客運(yùn)專線25‰長(zhǎng)大坡道線路上對(duì)不同傳動(dòng)方式的軌道車進(jìn)行牽引、制動(dòng)性能試驗(yàn)[1]。試驗(yàn)結(jié)果表明，帶有電阻制動(dòng)功能的GCD-600型電傳動(dòng)重型軌道車在長(zhǎng)大坡道路況下的制動(dòng)性能較以往車型的有所改善，但是上坡時(shí)動(dòng)力仍不足；最新的JW-4G型軌道車上坡時(shí)速度也只能達(dá)到40 km/h。因此，目前軌道車檢修作業(yè)需借助HXN5型貨運(yùn)機(jī)車牽引。但HXN5型機(jī)車只能向前牽引，不能向后退行，加之其自重大、慣性強(qiáng)、制動(dòng)距離長(zhǎng)，與高鐵綜合檢修作業(yè)時(shí)需要走走停停、前后移動(dòng)的作業(yè)要求相差甚遠(yuǎn)；且HXN5型機(jī)車油耗大、使用成本高，其運(yùn)行對(duì)鋼軌有損傷。

可見，傳統(tǒng)的以液力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)為主的軌道工程車，以及采用電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的GCD-600和JW-4G等車型軌道工程車的功率及牽引力較小，不能滿足長(zhǎng)大坡道運(yùn)用需求。對(duì)此，2018年，由中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司牽頭，聯(lián)合寶雞中車時(shí)代工程機(jī)械有限公司研發(fā)了適用于高鐵長(zhǎng)大坡道區(qū)段的重型軌道檢修車輛。本文詳細(xì)介紹該軌道工程車用電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、牽引/制動(dòng)特性、車輛控制系統(tǒng)及重聯(lián)控制，并通過(guò)整車型式試驗(yàn)及實(shí)際線路試驗(yàn)驗(yàn)證了其性能特點(diǎn)。

1 新型軌道工程車電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)

該新型軌道工程車配套的電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)采用交-直-交電傳動(dòng)技術(shù)[2-3]，兩套獨(dú)立的動(dòng)力及車輛控制系統(tǒng)，互為備份，極大地提升了整車的可靠性。相較以往軌道工程車傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）具有大功率牽引與電制動(dòng)性能，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)大坡道施工作業(yè)時(shí)的平穩(wěn)調(diào)速及可靠制動(dòng)，提升了工程車下坡安全性和可靠性，提高了天窗利用率；

（2）采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)，充分考慮了多制式電源的輸入兼容，可實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及動(dòng)力蓄電池等多制式動(dòng)力源輸入；

（3）通過(guò)WTB網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)不同型號(hào)軌道工程車重聯(lián)控制運(yùn)行。

1.1 檢修工程車及其主要性能

配套該電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的樣車包含一臺(tái)GCD-1000型重型軌道車和一臺(tái)DAS12型接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車[4]。整車采用雙柴油機(jī)動(dòng)力，柴油機(jī)裝車功率為2×522 kW，單機(jī)平直道最高車速為120 km/h，在25‰坡道上的爬坡速度不低于75 km/h，采用純電阻制動(dòng)、25‰坡道時(shí)下坡恒定運(yùn)行速度不低于70 km/h。配套該電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的2臺(tái)不同型號(hào)的重型軌道車和接觸網(wǎng)作業(yè)車，可實(shí)現(xiàn)重聯(lián)運(yùn)行。配套電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的樣車主要性能參數(shù)見表1。

表1 配套電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的軌道工程車樣車主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of the engineering vehicle

1.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)

軌道工程車電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 軌道工程車電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle of the electric drive system for engineering vehicle

牽引時(shí)[5]，永磁主發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電源經(jīng)牽引整流模塊整流為DC 1 800 V直流電，當(dāng)中間環(huán)節(jié)直流電壓過(guò)高時(shí)，多余的能量通過(guò)制動(dòng)電阻來(lái)釋放。牽引逆變模塊將DC 1 800 V直流電變換成變頻變壓（VVVF）的三相交流電，給動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的異步牽引電動(dòng)機(jī)供電。最終將柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率傳遞到工程車的輪周。

電阻制動(dòng)時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)工況，在其發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，致使列車減速，所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為制動(dòng)電阻的熱能進(jìn)行耗散[5-6]。

自負(fù)荷時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組輸出的交流電源經(jīng)牽引整流模塊后輸入至中間直流環(huán)節(jié)，傳動(dòng)控制單元（DCU）通過(guò)控制牽引逆變模塊中的斬波單元將電阻裝置接入直流環(huán)節(jié)，使柴油發(fā)電機(jī)組的輸出能量消耗在電阻裝置上，用來(lái)驗(yàn)證柴油機(jī)的功率輸出特性。

該電傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用交-直-交電傳動(dòng)設(shè)計(jì)，且配置兩套獨(dú)立的動(dòng)力及控制系統(tǒng)，互為備份，極大地提升了整車可靠性。

（2）采用永磁發(fā)電機(jī)、水冷變流器和架懸式牽引電機(jī)，最大程度降低部件重量；且這3個(gè)部件均采用車下安裝方式，方便整車車上空間最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）牽引變流器高度集成，采用主輔一體化設(shè)計(jì)，單個(gè)柜體集成了全車的牽引傳動(dòng)和輔助動(dòng)力，且自帶水冷系統(tǒng)。

（4）牽引變流器采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)，最大程度減少重復(fù)設(shè)計(jì)并降低試驗(yàn)成本；充分考慮了多制式電源輸入的兼容性，可實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)及動(dòng)力電池等多制式動(dòng)力源輸入。

（5）具有大功率電制動(dòng)性能，解決了長(zhǎng)大坡道區(qū)段施工作業(yè)時(shí)的車輛平穩(wěn)調(diào)速及可靠制動(dòng)，確保車輛安全下坡。

（6）采用輔助供電故障模式下交叉供電技術(shù)，即使單個(gè)輔助供電模塊發(fā)生故障，整車運(yùn)行及作業(yè)也不受影響。

1.3 主要部件參數(shù)

主電路部件主要包括永磁主發(fā)電機(jī)、主輔一體牽引變流器、三相鼠籠式異步牽引電機(jī)以及制動(dòng)電阻等部件，其主要技術(shù)參數(shù)分別見表2～表5。

表2 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the generator

表3 牽引變流器主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of the traction converter

表4 牽引電機(jī)主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of the traction motor

表5 制動(dòng)電阻主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of the braking resistor

1.4 牽引/制動(dòng)特性

采用電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的軌道工程車單機(jī)平直道最高運(yùn)行試驗(yàn)速度設(shè)置為132 km/h。實(shí)際牽引試驗(yàn)表明：上坡時(shí)，在25‰坡道上最高運(yùn)行速度不低于107 km/h；下坡時(shí)，在25‰坡道上最高穩(wěn)定運(yùn)行速度可達(dá)到100 km/h。DAS12型接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車牽引特性曲線如圖2所示，其分為3段：速度為0～5 km/h時(shí)，牽引力為220 kN，處于恒力牽引區(qū)間；速度為5～18 km/h時(shí)，車輛處于力矩線性下降區(qū)間；速度為18～120 km/h時(shí)，車輛在恒功率區(qū)間，輪周牽引功率為780 kW。該作業(yè)車的電阻制動(dòng)特性曲線如圖3所示，其分為3段：速度為120～22 km/h時(shí)，工程車處于恒功率制動(dòng)區(qū)間，輪周制動(dòng)功率860 kW；速度為22～10 km/h時(shí)，工程車處于恒力制動(dòng)區(qū)間，制動(dòng)力為140 kN；在速度區(qū)間10～0 km/h，工程車電制動(dòng)力線性下降至0。

圖2 牽引特性曲線Fig.2 Traction characteristic curve

圖3 制動(dòng)特性曲線Fig.3 Braking characteristic curve

整車制動(dòng)控制策略為：緊急制動(dòng)優(yōu)先于電阻制動(dòng)，電阻制動(dòng)優(yōu)先于常用制動(dòng)。電阻制動(dòng)時(shí)，車輛電氣系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)空電連鎖電磁閥切除常用空氣制動(dòng)，達(dá)到減少機(jī)械閘瓦磨耗的目的。

2 車輛控制系統(tǒng)

車輛控制系統(tǒng)是工程車電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的核心部分[5-7]，其采用分布式列車控制方式，主控設(shè)備網(wǎng)關(guān)模塊GWMe、微機(jī)控制單元CCU、DCU等硬件采用冗余設(shè)計(jì)。主控設(shè)備采用MVB總線通信、雙通道冗余且自動(dòng)切換，實(shí)時(shí)交換整車控制信息和狀態(tài)信息。整車重聯(lián)控制采用WTB總線。工程車電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。CCU與柴油機(jī)控制器（ECU）采用CAN總線通信，與電動(dòng)空壓機(jī)采用RS485總線通信。微機(jī)顯示器CAN網(wǎng)絡(luò)通過(guò)通信轉(zhuǎn)換模塊RCMe與MVB網(wǎng)絡(luò)交換狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。整車采用以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的監(jiān)視。系統(tǒng)配置了大容量事件記錄儀用于運(yùn)行故障信息與狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄。

圖4 工程車電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.4 Control network topology of the electric drive system for engineering vehicle

2.1 微機(jī)控制單元

系統(tǒng)CCU采用雙機(jī)冗余設(shè)計(jì)[8-9]，當(dāng)一個(gè)CCU故障時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)開關(guān)切換至另一個(gè)CCU進(jìn)行控制。CCU接收來(lái)自本車司機(jī)操縱臺(tái)或他車重聯(lián)通信發(fā)來(lái)的指令信息，按照整車運(yùn)行特性要求，結(jié)合整車的運(yùn)行狀態(tài)，與DCU一起，共同完成整車的運(yùn)行控制和保護(hù)。

CCU具有數(shù)字量采集、模擬量采集、數(shù)字量驅(qū)動(dòng)、MVBCAN以太網(wǎng)通信功能，并可對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)和邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的監(jiān)測(cè)及控制。本系統(tǒng)中CCU的主要功能有柴油機(jī)啟動(dòng)控制、柴油機(jī)調(diào)速、柴油機(jī)停機(jī)控制、牽引/制動(dòng)邏輯控制、牽引/制動(dòng)特性計(jì)算、整車輸出功率手動(dòng)控制、整車重聯(lián)控制、通信管理以及柴油發(fā)電機(jī)組保護(hù)等。

2.2 傳動(dòng)控制單元

系統(tǒng)牽引變流器控制采用雙DCU模式[10]，其中一個(gè)DCU故障時(shí)，另一個(gè)DCU可正常工作。DCU主要功能為傳動(dòng)級(jí)邏輯控制與保護(hù)，即接受CCU給定的力矩指令，并采集主回路中間直流環(huán)節(jié)電壓、變流器輸出電流等參數(shù)信息，同時(shí)結(jié)合牽引電機(jī)的特性及最大黏著力控制來(lái)控制逆變橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，使?fàn)恳兞髌鬏敵銎谕腣VVF三相交流電，最終實(shí)現(xiàn)車輛的牽引/電制動(dòng)特性控制[11-12]。

2.3 重聯(lián)控制

兩臺(tái)重聯(lián)的工程車分為本務(wù)車和重聯(lián)車，通過(guò)連接重聯(lián)線、通信線、控制電源線和風(fēng)管等達(dá)到本務(wù)車控制重聯(lián)車的目的。兩臺(tái)軌道工程車重聯(lián)時(shí)，參考機(jī)車重聯(lián)技術(shù)條件要求，根據(jù)不同車端連掛情況，GWMe網(wǎng)關(guān)底層硬件自動(dòng)判定兩車重聯(lián)后的方向；兩車重聯(lián)線束連好以后，還需激活本務(wù)車司機(jī)室的重聯(lián)控制開關(guān)，此時(shí)顯示界面自動(dòng)進(jìn)入重聯(lián)界面，解決了工程車實(shí)際運(yùn)用過(guò)程連接了WTB重聯(lián)硬線而不進(jìn)行動(dòng)力重聯(lián)操作的問(wèn)題。

本務(wù)車的CCU接收來(lái)自司機(jī)控制器的指令，同時(shí)把這個(gè)指令通過(guò)通信線傳遞給重聯(lián)車的CCU；重聯(lián)車CCU會(huì)通過(guò)該指令進(jìn)行重聯(lián)車的控制，比如柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制、整車加載卸載控制、換向控制等。其他的開關(guān)指令，比如輔助發(fā)電、柴油機(jī)惰轉(zhuǎn)等開關(guān)指令是由重聯(lián)線發(fā)送到重聯(lián)車的。重聯(lián)車CCU在接收到指令后進(jìn)行車輛控制，而重聯(lián)車司機(jī)室內(nèi)各種開關(guān)是禁止操作的。

3 輔助電氣系統(tǒng)

軌道工程車輔助電氣系統(tǒng)包括DC24V蓄電池直流配電系統(tǒng)、DC110V電源直流配電系統(tǒng)與牽引輔助負(fù)載供電系統(tǒng)。

DC24V直流電源由車載蓄電池直接提供，容量為210Ah，在未啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)負(fù)責(zé)整車DC24 V負(fù)載的供電，并負(fù)責(zé)柴油機(jī)啟動(dòng)和控制用電。

柴油機(jī)自帶DC28V直流發(fā)電機(jī)，啟動(dòng)后用于主蓄電池充電及DC24V負(fù)載供電。整車設(shè)置了1臺(tái)3 kW充電機(jī)，為整車24V蓄電池充電，以給控制設(shè)備提供工作電源。柴油機(jī)停機(jī)時(shí)，DC110V直流供電電源由車載2.5kW、DC24V/DC110V隔離電源模塊提供；柴油機(jī)正常工作時(shí)（輔助逆變器工作正常），該直流電源由車載3kW、AC220V/DC110V隔離電源模塊提供。

輔助逆變模塊從牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)取電，通過(guò)變壓器隔離、LC濾波后輸出穩(wěn)定的380 V/50 Hz三相正弦波交流電，為整車輔助負(fù)載提供電源。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年12月，DAS12型電傳動(dòng)接觸網(wǎng)作業(yè)車和GCD-1000型電傳動(dòng)重型軌道車完成整車出廠例行試驗(yàn)；2020年4月，順利通過(guò)了整車型式試驗(yàn)。2020年5月，在西成高鐵鄠邑—新場(chǎng)街區(qū)段開展電傳動(dòng)軌道工程車牽引和電制動(dòng)性能測(cè)試[13]，線路坡度25‰，線路坡長(zhǎng)45.05 km。試驗(yàn)中，重型軌道車單機(jī)上坡通過(guò)25‰坡道時(shí)，最高運(yùn)行速度為107 km/h；下坡通過(guò)25‰坡道，在60，70，80，90，100 km/h速度等級(jí)時(shí)，采用純電阻制動(dòng)可穩(wěn)定控制速度。接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車和重型軌道車重聯(lián)牽引100 t、上坡通過(guò)25‰坡道時(shí)最高運(yùn)行速度為76 km/h；下坡通過(guò)25‰坡道，在70，80，90 km/h速度等級(jí)時(shí)，采用純電阻制動(dòng)可穩(wěn)定控制速度。試驗(yàn)結(jié)果表明，配置電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車和重型軌道車滿足西成高鐵線路運(yùn)用維護(hù)需求。

2020年7月至2021年6月，兩臺(tái)電傳動(dòng)工程車在西成高鐵進(jìn)行了作業(yè)運(yùn)行考核，其電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)和整車各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)良好；其間，接觸網(wǎng)作業(yè)車和重型軌道車采用重聯(lián)編組，通過(guò)了牽引鋼軌打磨車等大型養(yǎng)路機(jī)械爬坡作業(yè)的運(yùn)用考核。

5 結(jié)語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的液力/機(jī)械傳動(dòng)重型軌道車和接觸網(wǎng)作業(yè)車，搭載電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)的接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車和重型軌道車上坡動(dòng)力大、時(shí)速高，下坡電制動(dòng)速度平穩(wěn)、安全可靠，且可以向前、向后行駛，極大地減少了功率消耗，提高了維修天窗作業(yè)效率。型式試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用結(jié)果表明，該電傳動(dòng)牽引系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能，將成為軌道工程車牽引系統(tǒng)升級(jí)換代的發(fā)展方向。

目前，GCD-1000型電傳動(dòng)重型軌道車和DAS12型電傳動(dòng)接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車均以柴油機(jī)為動(dòng)力源，作業(yè)時(shí)不僅噪聲大，而且排放有害尾氣，導(dǎo)致隧道內(nèi)施工環(huán)境惡劣。后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)將考慮增加動(dòng)力電池裝置，在接觸網(wǎng)作業(yè)時(shí)消耗動(dòng)力電池能量，下坡時(shí)對(duì)電阻制動(dòng)能量進(jìn)行回收，以減少接觸網(wǎng)檢修時(shí)的空氣污染和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，改善隧道作業(yè)環(huán)境。