王小勇，劉 建，李國銀，谷翠軍

(1.重慶軌道交通產(chǎn)業(yè)投資有限公司，重慶 401135；2．重慶中車四方所科技有限公司，重慶 401133)

1 引 言

重慶軌道交通4號線是重慶軌道交通線網(wǎng)中的骨干線路之一，線路全長60km，屬于As型地鐵列車。As型列車是介于A、B型(編注：A型一般車寬為3.0m，B型一般車寬2.8m)地鐵之間的新車型，屬國內(nèi)首創(chuàng)，融合了兩種車型的優(yōu)點，并擁有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。新車型車體最大寬度3m，列車還預(yù)留了8輛編組功能，通過增加車廂提高運力，以滿足城市擴容帶來的客流量激增。

As型地鐵列車適用于山地環(huán)境，具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、載客量大等特點。新車型的誕生，將為山地、丘陵地形的城市軌道交通基礎(chǔ)建設(shè)和運營降低成本，提高列車安全性和運行效率。新車型還通過一致化的設(shè)計和信號設(shè)備互聯(lián)互通的升級，在全國首次實現(xiàn)了地鐵車輛的跨線路運營。牽引系統(tǒng)作為地鐵車輛的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其性能決定了列車能否穩(wěn)定、可靠地運行[1-3]。本文主要對As型地鐵列車牽引系統(tǒng)的參數(shù)進行計算和分析，同時進行關(guān)鍵子部件的選型。

2 列車基本情況及性能指標

2.1 列車基本情況

重慶軌道交通4號線為6編組列車，牽引系統(tǒng)采用五動一拖的方式，具體如圖1所示。

圖1 列車編組形式

其中：

(1)Mc車：帶有司機室的動車，具有1臺動力轉(zhuǎn)向架和1臺無動力轉(zhuǎn)向架；

(2)Mp車：帶有2臺受電弓的動車，具有2臺動力轉(zhuǎn)向架；

(3)M車：動車，具有2臺動力轉(zhuǎn)向架。

根據(jù)性能指標要求，列車供電電壓為DC1500V，允許波動范圍為DC1000～1800V，最高非持續(xù)電壓為DC1950V。列車最高運行速度為100km/h，設(shè)計速度為110km/h。線路最大坡度為50‰。按照車輛設(shè)計的載荷要求，列車在AW0(空載)、AW2(額定荷載)、AW3(超載)下的質(zhì)量要求分別為217t、308.92t和356.32t。

在6輛編組的情況下，每3輛車(Mc、Mp、M)形成一個動力單元，任一動力單元發(fā)生嚴重故障的情況下，可利用另一個正常的動力單元牽引整列車返回車輛基地，盡可能避免采用救援列車牽引故障列車返回車輛基地的情況。

2.2 列車性能指標

列車最高運行速度為100km/h，列車加速時，在0～40km/h速度運行區(qū)間內(nèi)平均加速度≥1.1m/s2，在0～100km/h速度運行區(qū)間內(nèi)平均加速度≥0.6m/s2；列車平均減速度≥1.0m/s2。

基礎(chǔ)制動采用輪盤制動。電制動與空氣制動轉(zhuǎn)折點應(yīng)盡可能低，且小于3km/h。常用制動對所有負載工況(AW0～AW3)均有效，即滿足制動減速度和規(guī)定沖擊率的要求。采用再生制動優(yōu)先的再生制動與空氣制動全列車交叉混合的制動方式。制動時，VVVF優(yōu)先進行再生制動，最大限度地將能量反饋給其它車輛負載。當這些負載吸收不足時，由變電站的再生制動能量吸收裝置吸收多余的能量。在網(wǎng)壓為1650V、折算輪徑為805mm、AW3載荷狀態(tài)下，要求進入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域的速度不應(yīng)低于85km/h，并且應(yīng)持續(xù)到3km/h以下，在該區(qū)域內(nèi)，電制動能單獨滿足常用的制動要求。為確保在該區(qū)域列車制動減速度不低于1.0m/s2，基于等磨耗的原則可在列車上補充適當?shù)目諝庵苿恿Α?/p>

列車故障運行能力為當喪失兩臺動力轉(zhuǎn)向架的動力情況下，在AW3狀態(tài)下，仍然可在正線的最大坡度(50‰)的上坡道上啟動，并維持運行至線路終點，清客后返回車輛基地；當喪失1/2動力的情況下，在AW3狀態(tài)下，列車可在正線最大坡度(50‰)的上坡道上啟動，行駛到最近車站，清客后返回車輛基地；一列空載列車牽引一列超載AW3(無動力)故障列車能在正線最大坡度(50‰)的坡道上啟動(允許采用高加速控制)，行駛至最近車站，清客后返回車輛基地。

3 列車牽引及電制動特性設(shè)計

3.1 列車牽引特性設(shè)計

用于牽引計算的列車輪徑取805mm，齒輪傳動比為6.3125，效率取0.975。列車動車慣性系數(shù)為10%，拖車慣性系數(shù)為5%，用于計算列車換算質(zhì)量。為滿足平均加速度的要求，考慮一定裕量，在接觸網(wǎng)壓DC1500V條件下，不同載荷下列車牽引特性如圖2所示，損失1/5動力后牽引特性如圖3所示。

圖2 輪周牽引力-速度曲線

圖3 損失1/5動力輪周牽引力-速度曲線

3.2 列車制動特性設(shè)計

用于計算的列車輪徑取Φ=805mm，齒輪傳動比為6.3125，效率取0.975。列車動車慣性系數(shù)為10%，拖車慣性系數(shù)為5%，用于計算列車換算質(zhì)量。為滿足常用制動平均減速度的要求，取全電制動區(qū)減速度為1.0m/s2，制動額定網(wǎng)壓DC1650V時不同載荷所需的輪緣電制動力計算如下：

AW0：Fbk0=262.6kN；

AW2：Fbk2=363.7kN；

AW3：Fbk3=415.8kN。

相關(guān)電制動特性曲線如圖4所示。

圖4 列車輪周電制動力-速度曲線

3.3 列車故障運行及救援能力

(1)列車故障運行

考察列車在AW3載荷工況下，在喪失1/2動力的情況下，能在正線最大坡道50‰上啟動時的啟動加速度為：

因此，列車可以在最大坡道上正常啟動，為此，設(shè)定了一個參考最長站間距長為5300m的50‰的坡道進行仿真，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，AW3載荷、損失1/2動力的列車在坡道50‰上可以正常啟動，最高速度可達56.2km/h。

圖5 損失1/2動力坡道仿真

(2)列車救援能力

考察在50‰的坡道上，一列空載(AW0)并且正常的列車能夠牽引或推進一列由相同數(shù)量車輛編組的處于超員(AW3)狀態(tài)下的失去動力的列車上坡，此時加速度計算如下：

因此，需增加高加速按鈕，此時單電機輸出轉(zhuǎn)矩1211.6Nm，加速度可達0.1m/s2，列車可以在最大坡道上正常啟動，但黏著系數(shù)可達0.209。為保證救援成功，此時列車啟動需要采取相應(yīng)措施，適當增加輪軌黏著。

4 列車牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)選型

牽引主電路主要由高壓保護回路、預(yù)充電/放電回路、輸入濾波回路、牽引逆變電路和過壓斬波電路等組成，重慶軌道交通4號線牽引系統(tǒng)高壓回路圖如圖6所示，本節(jié)主要對牽引系統(tǒng)關(guān)鍵保護器件的參數(shù)進行選擇。

圖6 重慶軌道交通4號線牽引系統(tǒng)高壓回路圖

4.1 高速斷路器參數(shù)選型

根據(jù)重慶軌道交通4號線列車牽引和電制動性能仿真數(shù)據(jù)，對高速斷路器進行了負荷仿真分析，如圖7所示。從圖中可以看出，HB的RMS電流為440A，已知流過高速斷路器HB1的峰值電流為1032A，高速斷路器的保護特性為瞬間保護?？紤]高速斷路器整定保護偏差系數(shù)1.1，逆變器波動系數(shù)1.4，高速斷路器保護整定值設(shè)置為：

HB1：1032×1.1×1.4=1589A

圖7 HB負荷仿真分析數(shù)據(jù)

4.2 主熔斷器參數(shù)選型

Mp車的每兩臺熔斷器箱保護半列三編組的高壓回路，主要用電設(shè)備包括5臺牽引逆變器、2臺輔助逆變器和1臺充電機。其中，石船站-唐家沱站全程線路仿真數(shù)據(jù)如圖8所示，計算均方根值為1105A，單臺輔助逆變器電流有效值73.4A(按照DC1500V，110%超額運行考慮)；單臺充電機電流有效值22A(按照DC1500V，110%超額運行考慮)；一個三編組單元的總電流有效值1105A+2×73.4A+22A=1273.8A，因此將1273.8A作為熔斷器通過的RMS電流值。

圖8 全程線路仿真數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文主要介紹了重慶軌道交通4號線列車牽引系統(tǒng)的設(shè)計過程，根據(jù)列車的性能指標要求設(shè)計了列車的牽引及電制動特性曲線，并進行了線路仿真，根據(jù)線路仿真對高速斷路器、主熔斷器等系統(tǒng)關(guān)鍵保護器件的參數(shù)進行了選擇。該設(shè)計方法可為城市軌道交通牽引系統(tǒng)設(shè)計提供參考。