胡定祥 金 鑫 馬曉光 沈 鋼 賈小平 解 斛
(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司技術(shù)中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部, 210031, 南京; 2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804, 上海; 3.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實驗室, 610031, 成都∥第一作者, 正高級工程師)
B型地鐵車輛是目前國內(nèi)城市軌道交通需求量最大的車型。綜合考慮列車的運(yùn)行安全性和磨耗經(jīng)濟(jì)性,地鐵正線上的最小曲線半徑需不小于250 m。若增大線路的最小曲線半徑,需拆遷大量的房屋,導(dǎo)致建設(shè)成本偏高。此外,城市軌道交通的能耗仍然較大。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《2019年中國城市軌道交通牽引能耗》,牽引能耗在列車運(yùn)營總能耗的占比達(dá)到51.8%。因此,在保證運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性的同時,降低列車的牽引能耗是城市軌道交通線路節(jié)能減排、降低全壽命周期成本所亟需解決的問題。本文對B型地鐵車輛(80 km/h速度級)采用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的研制方案進(jìn)行研究,以期提高列車牽引系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性。
與三相交流異步電機(jī)相比,永磁同步電機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架利用永磁電機(jī)高效率的優(yōu)點(diǎn),采用抱軸安裝方式直接驅(qū)動車軸,避免了齒輪傳動的效率損失,節(jié)約了齒輪箱空間,減小了車輛軸距,從而使列車具有優(yōu)良的小半徑曲線通過性能。依據(jù)B型地鐵車輛的運(yùn)用要求,確定永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架[1-3]的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 B型地鐵車輛永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of permanent magnet direct drive bogie of type-B metro vehicle
如圖1所示,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動車軸,利用對稱式三角反力桿[4-5]平衡牽引/制動力矩,其構(gòu)架采用H型箱型焊接結(jié)構(gòu)。其中:一系采用錐形橡膠堆定位、小輪徑輪對軸箱裝置;二系采用空氣彈簧承載、Z型雙拉桿牽引、無扭桿結(jié)構(gòu);基礎(chǔ)制動采用踏面制動單元制動。該型轉(zhuǎn)向架具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、曲線通過能力強(qiáng)、平穩(wěn)性和安全性較高等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 采用H型箱型焊接結(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架Fig.1 Permanent magnet direct drive bogie with H-shaped box welded structure
永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動系統(tǒng)(見圖2)由永磁直驅(qū)電機(jī)(見圖3)和對稱式三角反力桿(見圖4)組成。
圖2 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動系統(tǒng)Fig.2 Drive system of permanent magnet direct drive bogie
圖3 永磁直驅(qū)電機(jī)Fig.3 Permanent magnet direct drive motor
圖4 對稱式三角反力桿Fig.4 Symmetrical triangular reaction rod
永磁直驅(qū)電機(jī)為全封閉式水冷結(jié)構(gòu),冷卻效率很高。如圖5所示,永磁直驅(qū)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子組成。其中:轉(zhuǎn)子由車軸、軸套、永磁體等構(gòu)成,無勵磁線圈,軸套與車軸過盈配合;定子由機(jī)殼、鐵芯、線圈繞組等構(gòu)成,鐵芯采用冷軋硅鋼片疊壓而成,線圈采用扁銅線繞制,定子的兩端通過軸承安裝在車軸上[6]。
a) 轉(zhuǎn)子
對稱式三角反力桿設(shè)有3個彈性節(jié)點(diǎn),其中,與構(gòu)架端連接的彈性節(jié)點(diǎn)在縱向(列車前進(jìn)方向)采用開槽設(shè)計,使得節(jié)點(diǎn)縱向剛度和節(jié)點(diǎn)偏轉(zhuǎn)剛度極小但垂向(平衡牽引/制動力矩方向)剛度較大。彈性節(jié)點(diǎn)的垂向大剛度在電機(jī)牽引制動提供反力矩時產(chǎn)生的變形小,彈性節(jié)點(diǎn)的縱向小剛度不會對一系產(chǎn)生額外附加剛度。彈性節(jié)點(diǎn)偏轉(zhuǎn)剛度極小,導(dǎo)致其產(chǎn)生的輪對附加搖頭剛度也極小,同時由于三角桿式彈性支撐結(jié)構(gòu)在縱向上的長度足夠,可以保證輪對與構(gòu)架在相對運(yùn)動時電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的相對角較小。
如圖6所示,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用全鋼焊接H型結(jié)構(gòu),側(cè)梁采用U型結(jié)構(gòu),斷面為箱形結(jié)構(gòu),橫梁采用箱型結(jié)構(gòu),并設(shè)有對稱式三角反力桿安裝座、橫向止擋和牽引拉桿安裝復(fù)合座。
圖6 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架示意圖Fig.6 Schematic diagram of permanent magnet direct drive bogie frame
圖7為一系懸掛裝置,該裝置采用錐形橡膠堆提供垂向橫向與縱向剛度,結(jié)構(gòu)簡單,技術(shù)成熟可靠。圖8為二系懸掛裝置,該裝置采用空氣彈簧全承載結(jié)構(gòu),設(shè)置了橫向和垂向減振器衰減振動,設(shè)置橫向止擋用以限制二系產(chǎn)生過大的橫向位移,設(shè)置了較大的空簧橫向跨距,并取消了扭桿。
圖7 一系懸掛裝置Fig.7 Primary suspension device
圖8 二系懸掛裝置Fig.8 Secondary suspension device
圖9為該轉(zhuǎn)向架的中心牽引結(jié)構(gòu),該裝置采用Z型雙牽引拉桿牽引,其產(chǎn)生的附加橫向和垂向剛度均較小,有利于提高乘客的乘坐舒適性。
圖9 Z型雙牽引拉桿Fig.9 Z-type double traction rod
如圖10所示,基礎(chǔ)制動的踏面制動單元先安裝在過渡板上,再通過3個穿過側(cè)梁的螺栓固定在側(cè)梁上。在每根車軸的1個軸端上設(shè)置了1套軸端防滑裝置,以防止列車制動時車輪打滑。
圖10 踏面制動單元安裝示意圖Fig.10 Installation diagram of tread brake unit
為驗證永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的性能,本文對永磁直驅(qū)電機(jī)、構(gòu)架等部件進(jìn)行了試驗驗證。依據(jù)IEC 60349-4:2012《電力牽引 鐵路與道路車輛用旋轉(zhuǎn)電機(jī) 第4部分:與電子變流器相連接的永磁同步電機(jī)》,參照對電力牽引軌道機(jī)車車輛和公路車輛用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對永磁直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行了冷態(tài)電阻、絕緣電阻、振動限度、空載反電動勢、穩(wěn)態(tài)短路、溫升、熱態(tài)絕緣電阻、耐壓、特性、效率、噪聲、超速等試驗,并與牽引系統(tǒng)進(jìn)行了配套試驗。驗證結(jié)果表明:各項參數(shù)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求;永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)的效率比異步牽引系統(tǒng)的效率約高5%(見圖11)。
圖11 永磁直驅(qū)系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)牽引效率對比Fig.11 Efficiency comparison of permanent magnet direct drive system and asynchronous traction system
將裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的列車與裝有異步牽引系統(tǒng)的列車在線路上共線運(yùn)行,依據(jù)合同和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展了各項型式試驗,結(jié)果表明各項性能指標(biāo)均滿足要求。針對永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的特點(diǎn),本文重點(diǎn)在能耗及動力學(xué)性能方面,將永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。
本文在徐州地鐵1號線(路窩站—徐州東站站)上進(jìn)行試驗測試。分別選取1列永磁直驅(qū)列車和1列異步牽引系統(tǒng)列車,兩列車均采用ATO(列車自動運(yùn)行)往返運(yùn)行一圈,測試地鐵車輛在AW0(空載)、AW2(定員載荷)、AW3(超員載荷)3種載荷工況下的牽引總能耗(包括牽引能耗和輔助能耗)。
如表2所示,試驗結(jié)果表明,與異步牽引系統(tǒng)列車相比,永磁直驅(qū)列車的牽引總能耗可減少20%~30%。
表2 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的能耗對比結(jié)果Tab.2 Comparison results of energy consumption of permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train
動力學(xué)試驗結(jié)果表明:在AW0、AW3兩種載荷工況下,對于空氣彈簧有氣和無氣兩種情況,裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的列車在正線運(yùn)行時的安全指標(biāo)均滿足GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》和合同的要求,平穩(wěn)性指標(biāo)達(dá)到優(yōu)等級。
如圖12~15(皆在AW0工況下),裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的動車的動力學(xué)試驗指標(biāo)(包括脫軌系數(shù)、輪重減振率、輪軸橫向力和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)等)均優(yōu)于裝用異步牽引系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架的動車。
注:基于310 m最小曲線半徑進(jìn)行計算對比。圖12 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的脫軌系數(shù)對比Fig.12 Comparison of derailment coefficients between permanent magnet direct drive trains and asynchronous traction system trains
注:基于310 m最小曲線半徑進(jìn)行計算對比。圖13 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的輪重減載率對比Fig.13 Comparison of wheel load reduction ratio between permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train
注:基于310 m最小曲線半徑進(jìn)行計算對比。圖14 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的輪軸橫向力Fig.14 Axle lateral force of permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train
a) 橫向平穩(wěn)性
由圖12~14可看出,與異步牽引系統(tǒng)列車相比,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架列車的脫軌系數(shù)小0.05~0.21,輪重減載率小0.22~0.30,輪軸橫向力小3~18 kN。
由圖15可看出,相較于異步牽引系統(tǒng)列車,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架列車在橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性上更優(yōu)。在80 km/h運(yùn)行速度下,永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架列車的橫向平穩(wěn)性降低了約0.25,垂向平穩(wěn)性降低了約0.10。
B型地鐵車輛采用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架既結(jié)合了具有節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)的永磁同步電機(jī)技術(shù),還實現(xiàn)了車輛的小軸距,提升了列車在曲線段的通過能力。與采用異步牽引系統(tǒng)的列車相比,采用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的列車牽引系統(tǒng)效率約高5%,列車節(jié)能幅度為20%~30%。而且,裝用永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架的地鐵列車的曲線通過安全性指標(biāo)更優(yōu),可適應(yīng)更小的正線曲線半徑,有利于降低線路的規(guī)劃難度、減少線路的建設(shè)成本。