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        B型地鐵車輛永磁直驅轉向架的研制及性能分析*

        2022-07-20 01:24:14胡定祥馬曉光賈小平
        城市軌道交通研究 2022年7期
        關鍵詞:平穩(wěn)性轉向架永磁

        胡定祥 金 鑫 馬曉光 沈 鋼 賈小平 解 斛

        (1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司技術中心轉向架研發(fā)部, 210031, 南京; 2.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804, 上海; 3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 610031, 成都∥第一作者, 正高級工程師)

        B型地鐵車輛是目前國內城市軌道交通需求量最大的車型。綜合考慮列車的運行安全性和磨耗經濟性,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,導致建設成本偏高。此外,城市軌道交通的能耗仍然較大。根據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》,牽引能耗在列車運營總能耗的占比達到51.8%。因此,在保證運行安全和經濟性的同時,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)采用永磁直驅轉向架的研制方案進行研究,以期提高列車牽引系統(tǒng)的經濟性與節(jié)能性。

        1 永磁直驅轉向架的主要技術參數

        與三相交流異步電機相比,永磁同步電機具有效率高、體積小、質量輕等優(yōu)點。永磁直驅轉向架利用永磁電機高效率的優(yōu)點,采用抱軸安裝方式直接驅動車軸,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B型地鐵車輛的運用要求,確定永磁直驅轉向架[1-3]的主要技術參數如表1所示。

        表1 B型地鐵車輛永磁直驅轉向架的主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of permanent magnet direct drive bogie of type-B metro vehicle

        2 永磁直驅轉向架的結構特點

        如圖1所示,永磁直驅轉向架的驅動系統(tǒng)采用永磁同步電機直接驅動車軸,利用對稱式三角反力桿[4-5]平衡牽引/制動力矩,其構架采用H型箱型焊接結構。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、無扭桿結構;基礎制動采用踏面制動單元制動。該型轉向架具有結構簡單、成本較低、曲線通過能力強、平穩(wěn)性和安全性較高等優(yōu)點。

        圖1 采用H型箱型焊接結構的永磁直驅轉向架Fig.1 Permanent magnet direct drive bogie with H-shaped box welded structure

        2.1 驅動系統(tǒng)

        永磁直驅轉向架的驅動系統(tǒng)(見圖2)由永磁直驅電機(見圖3)和對稱式三角反力桿(見圖4)組成。

        圖2 永磁直驅轉向架的驅動系統(tǒng)Fig.2 Drive system of permanent magnet direct drive bogie

        圖3 永磁直驅電機Fig.3 Permanent magnet direct drive motor

        圖4 對稱式三角反力桿Fig.4 Symmetrical triangular reaction rod

        永磁直驅電機為全封閉式水冷結構,冷卻效率很高。如圖5所示,永磁直驅電機由轉子和定子組成。其中:轉子由車軸、軸套、永磁體等構成,無勵磁線圈,軸套與車軸過盈配合;定子由機殼、鐵芯、線圈繞組等構成,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) 轉子

        對稱式三角反力桿設有3個彈性節(jié)點,其中,與構架端連接的彈性節(jié)點在縱向(列車前進方向)采用開槽設計,使得節(jié)點縱向剛度和節(jié)點偏轉剛度極小但垂向(平衡牽引/制動力矩方向)剛度較大。彈性節(jié)點的垂向大剛度在電機牽引制動提供反力矩時產生的變形小,彈性節(jié)點的縱向小剛度不會對一系產生額外附加剛度。彈性節(jié)點偏轉剛度極小,導致其產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構在縱向上的長度足夠,可以保證輪對與構架在相對運動時電機定子與轉子的相對角較小。

        2.2 永磁直驅轉向架構架

        如圖6所示,永磁直驅轉向架構架采用全鋼焊接H型結構,側梁采用U型結構,斷面為箱形結構,橫梁采用箱型結構,并設有對稱式三角反力桿安裝座、橫向止擋和牽引拉桿安裝復合座。

        圖6 永磁直驅轉向架構架示意圖Fig.6 Schematic diagram of permanent magnet direct drive bogie frame

        2.3 其他結構

        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,結構簡單,技術成熟可靠。圖8為二系懸掛裝置,該裝置采用空氣彈簧全承載結構,設置了橫向和垂向減振器衰減振動,設置橫向止擋用以限制二系產生過大的橫向位移,設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為該轉向架的中心牽引結構,該裝置采用Z型雙牽引拉桿牽引,其產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個穿過側梁的螺栓固定在側梁上。在每根車軸的1個軸端上設置了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

        3 主要臺架試驗驗證

        為驗證永磁直驅轉向架的性能,本文對永磁直驅電機、構架等部件進行了試驗驗證。依據IEC 60349-4:2012《電力牽引 鐵路與道路車輛用旋轉電機 第4部分:與電子變流器相連接的永磁同步電機》,參照對電力牽引軌道機車車輛和公路車輛用旋轉電機的相關標準,對永磁直驅電機進行了冷態(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)進行了配套試驗。驗證結果表明:各項參數均符合相關標準的要求;永磁直驅牽引系統(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

        4 主要線路試驗驗證

        將裝用永磁直驅轉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行,依據合同和相關標準開展了各項型式試驗,結果表明各項性能指標均滿足要求。針對永磁直驅轉向架的特點,本文重點在能耗及動力學性能方面,將永磁直驅列車和異步牽引系統(tǒng)列車的試驗數據進行對比。

        4.1 能耗對比

        本文在徐州地鐵1號線(路窩站—徐州東站站)上進行試驗測試。分別選取1列永磁直驅列車和1列異步牽引系統(tǒng)列車,兩列車均采用ATO(列車自動運行)往返運行一圈,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,試驗結果表明,與異步牽引系統(tǒng)列車相比,永磁直驅列車的牽引總能耗可減少20%~30%。

        表2 永磁直驅列車和異步牽引系統(tǒng)列車的能耗對比結果Tab.2 Comparison results of energy consumption of permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train

        4.2 動力學性能對比

        動力學試驗結果表明: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,裝用永磁直驅轉向架的列車在正線運行時的安全指標均滿足GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》和合同的要求,平穩(wěn)性指標達到優(yōu)等級。

        如圖12~15(皆在AW0工況下),裝用永磁直驅轉向架的動車的動力學試驗指標(包括脫軌系數、輪重減振率、輪軸橫向力和垂向平穩(wěn)性指標等)均優(yōu)于裝用異步牽引系統(tǒng)轉向架的動車。

        注:基于310 m最小曲線半徑進行計算對比。圖12 永磁直驅列車和異步牽引系統(tǒng)列車的脫軌系數對比Fig.12 Comparison of derailment coefficients between permanent magnet direct drive trains and asynchronous traction system trains

        注:基于310 m最小曲線半徑進行計算對比。圖13 永磁直驅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最小曲線半徑進行計算對比。圖14 永磁直驅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,永磁直驅轉向架列車的脫軌系數小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,永磁直驅轉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運行速度下,永磁直驅轉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。

        5 結語

        B型地鐵車輛采用永磁直驅轉向架既結合了具有節(jié)能環(huán)保特點的永磁同步電機技術,還實現了車輛的小軸距,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,采用永磁直驅轉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,裝用永磁直驅轉向架的地鐵列車的曲線通過安全性指標更優(yōu),可適應更小的正線曲線半徑,有利于降低線路的規(guī)劃難度、減少線路的建設成本。

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