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        城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)自主化改造技術(shù)方案研究

        2022-10-27 14:09:40李玉山李思睿王江峰安泊晨祖紹鵬
        現(xiàn)代城市軌道交通 2022年10期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        李玉山,李思睿,薛 江,王江峰,安泊晨,祖紹鵬

        (1.北京縱橫機(jī)電科技有限公司,北京 100094;2.天津一號(hào)線軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司,天津 300350)

        1 引言

        我國(guó)自20 世紀(jì)90 年代以來(lái),為解決日益擁堵的城市交通問(wèn)題,許多大中城市紛紛開始城市軌道交通建設(shè)。受國(guó)內(nèi)技術(shù)水平的制約,其關(guān)鍵裝備如信號(hào)系統(tǒng)、供電、車輛牽引系統(tǒng)等均采用進(jìn)口部件,很大程度上依賴于國(guó)外技術(shù)。如北京、上海、天津、廣州等國(guó)內(nèi)較早開通城市軌道交通的城市,其車輛核心子系統(tǒng)均為進(jìn)口部件,受早期技術(shù)發(fā)展水平的限制,現(xiàn)有車輛難以滿足日益提高的運(yùn)營(yíng)服務(wù)需求。面對(duì)車輛還未到達(dá)設(shè)計(jì)使用壽命,其備品備件卻面臨停產(chǎn)斷供等問(wèn)題,如何改進(jìn)車輛性能并使車輛更好的服役于全生命周期已成為運(yùn)營(yíng)方亟待解決的問(wèn)題。目前已有大量學(xué)者開展針對(duì)車輛性能提升及進(jìn)口設(shè)備改造的相關(guān)研究,文獻(xiàn)[3-5]分別對(duì)北京地鐵八通線、上海地鐵1 號(hào)線、廣州地鐵1 號(hào)線等線路老舊車輛提出整改優(yōu)化方案,旨在提升車輛性能。

        天津地鐵1 號(hào)線車輛采用長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)產(chǎn)化車輛,其牽引系統(tǒng)采用日本三菱電機(jī)株式會(huì)社的進(jìn)口產(chǎn)品。自2008 年開始運(yùn)營(yíng)至今已完成架修、大修,并將面臨第二輪架修。1 號(hào)線的現(xiàn)狀為車輛運(yùn)營(yíng)能耗大、控制精度差、牽引系統(tǒng)及配件面臨停產(chǎn)斷供等諸多問(wèn)題。為此,本文結(jié)合天津地鐵1 號(hào)線現(xiàn)有車輛特性及線路特點(diǎn)提出高壓回路拓?fù)浼盃恳╇娬姆桨浮⒕W(wǎng)絡(luò)控車整改方案、輔助供電整改方案等自主化改造方案,并在整車上進(jìn)行整改實(shí)施。整改后的車輛牽引特性與原車保持一致、車輛重量減少8 250 kg,經(jīng)過(guò)仿真及計(jì)算可得,整車每年可節(jié)省電能約4 897 200 kW · h。實(shí)施改造方案后,整改車輛性能提高的同時(shí)產(chǎn)品技術(shù)水平也得以提升,車輛更加舒適、綠色、安全、可靠。

        2 車輛總體技術(shù)指標(biāo)

        2.1 列車編組

        天津地鐵1 號(hào)線列車為6 輛編組列車,動(dòng)拖比為3: 3,具體編組方式為:+Tc-M+T-M+M-Tc+,其中M 車為動(dòng)車,T 車為無(wú)司機(jī)室拖車,Tc 車為有司機(jī)室的拖車,“+”為半自動(dòng)車鉤,“-”為半永久式牽引桿,列車采用三軌受流方式,如圖1 所示。

        圖1 列車編組

        2.2 車輛尺寸及載重

        原車輛為非標(biāo)準(zhǔn)B 型車,其列車總長(zhǎng)為11 800 mm,車輛重量、尺寸、載荷要求如表1 所示,改造設(shè)計(jì)應(yīng)考慮車輛減重。

        表1 車輛尺寸及載重(每人重量120 kg)

        2.3 車輛主要技術(shù)參數(shù)

        改造設(shè)計(jì)頂層技術(shù)指標(biāo)遵循1 號(hào)線車輛技術(shù)指標(biāo)要求,具體指標(biāo)要求如表2 所示。

        表2 車輛主要技術(shù)參數(shù)

        改造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮車輛故障狀態(tài)下的運(yùn)行能力,該狀態(tài)下的能力要求主要為損失自身能力時(shí)的動(dòng)力性能要求及作為救援車輛的能力,其車輛性能要求如表 3 所示。

        表3 故障運(yùn)行能力

        3 牽引系統(tǒng)改造技術(shù)方案

        3.1 系統(tǒng)配置

        車輛牽引系統(tǒng)整改指在不改變重量分布和原有基本結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行改造和布局設(shè)計(jì),考慮各設(shè)計(jì)約束及成本因素,保留符合要求的輔助電源開關(guān)箱(IVS)、主熔斷器箱(MF)、母線隔離開關(guān)箱(BS)、主隔離開關(guān)箱(MS)、母線熔斷器箱(BF)、高速斷路器箱(HB)、接地開關(guān)箱(GS)、避雷器(Arr)、母線斷路器箱(BHB)等設(shè)備。在此基礎(chǔ)上對(duì)原車部分系統(tǒng)部件采取3 種整改措施:替換——整套替換、改造——進(jìn)行部分改造使至滿足整改車輛系統(tǒng)接口、取消——不再使用原設(shè)備。其主要系統(tǒng)配置及整改措施如表4 所示。

        表4 系統(tǒng)配置及整改措施

        3.2 高壓拓?fù)浼盃恳╇娤到y(tǒng)方案

        根據(jù)表4 的配置及整改措施,對(duì)車輛高壓回路拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì),車輛母線采用全列貫通方式,母線通過(guò)BF箱及BHB 箱進(jìn)行分段過(guò)流保護(hù),從而提升母線故障時(shí)的車輛可用性。DC750V 電經(jīng)車間電源箱(SPS)、IVS箱為輔助變流器供電。SPS 箱的不同檔位可實(shí)現(xiàn)輔助變流器由受流器供電、車間電源供電或接地3 個(gè)狀態(tài)的切換,列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)采集3 種狀態(tài)的位置反饋信號(hào),從而進(jìn)行車輛的聯(lián)鎖保護(hù)。高壓回路拓?fù)淙鐖D2 所示。

        圖2 列車高壓回路拓?fù)?/p>

        原牽引供電系統(tǒng)由MF、BS、MS、HB、電抗器箱及牽引逆變器箱組成。其中1 臺(tái)牽引逆變器內(nèi)含有2 臺(tái)功率單元,每臺(tái)功率單元為2 臺(tái)電機(jī)供電。整改后整列貫通的DC750V 電經(jīng)MF、BS、MS 及HB 為牽引逆變器供電,電抗器集成在牽引逆變器箱內(nèi),牽引逆變器內(nèi)的1 臺(tái)功率單元為4 臺(tái)電機(jī)供電。

        3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼熬o急牽引

        原車輛牽引系統(tǒng)相關(guān)指令傳輸采用硬線傳輸,其TCMS 系統(tǒng)不參與牽引系統(tǒng)及輔助供電系統(tǒng)的控制,牽引系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)間的傳輸采用列車硬線較多。隨著軌道交通車輛技術(shù)的發(fā)展,目前主流方案為TCMS 系統(tǒng)作為車輛的神經(jīng)中樞,負(fù)責(zé)完成與各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸、邏輯控制、故障診斷等工作,為列車安全運(yùn)行提供保障。同時(shí)隨著車輛數(shù)據(jù)量的增加,以太網(wǎng)在提升列車維護(hù)效率、降低維護(hù)成本、列車智能化方面逐漸展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。TCMS 系統(tǒng)從MVB 控車轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)控車成為發(fā)展趨勢(shì)。

        改造車輛牽引系統(tǒng)采用以太網(wǎng)控車和硬線控車相結(jié)合的控制方式。整車布局冗余以太網(wǎng)總線,牽引逆變器及輔助變流器控制系統(tǒng)具有冗余的以太網(wǎng)控車交互接口,通過(guò)以太網(wǎng)控車網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(ECNN)與TCMS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示。

        圖3 列車牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        為保證TCMS 系統(tǒng)故障時(shí)車輛的可用性,改造時(shí)保留部分列車硬線,以確保在TCMS 故障時(shí)依然可以通過(guò)硬線信號(hào)實(shí)現(xiàn)牽引功能,同時(shí)使列車進(jìn)入降級(jí)的緊急牽引模式并繼續(xù)運(yùn)行,從而避免發(fā)生救援事故,以提高車輛的運(yùn)營(yíng)效率。當(dāng)車輛通過(guò)緊急牽引模式開關(guān)進(jìn)入緊急牽引模式時(shí),緊急牽引指令列車線轉(zhuǎn)為有效,牽引系統(tǒng)將不再采信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的指令,而采用硬線指令進(jìn)行控車。由于牽引模式為降級(jí)模式,為保證安全,向前時(shí)其限速為40 km/h,后退時(shí)為10 km/h,并由牽引系統(tǒng)實(shí)施相應(yīng)限速保護(hù)。

        3.4 輔助供電系統(tǒng)方案

        原車輔助供電系統(tǒng)配置如表4 所示,整車共設(shè)3 臺(tái)輔助變流器,采用擴(kuò)展供電方式進(jìn)行供電,T 車兩側(cè)的M 車分別配置1 臺(tái)擴(kuò)展供電箱,當(dāng)某臺(tái)輔助變流器發(fā)生故障時(shí)可通過(guò)閉合對(duì)應(yīng)擴(kuò)展供電接觸器貫通AC380V 母線為故障車輛進(jìn)行供電。相對(duì)于擴(kuò)展供電,并網(wǎng)供電方式可通過(guò)3 臺(tái)輔助變流器為整列車負(fù)載同時(shí)供電,可極大提高列車供電系統(tǒng)的冗余性。因此,整改時(shí)將擴(kuò)展供電箱改造為并網(wǎng)供電箱,并通過(guò)TCMS 系統(tǒng)來(lái)控制并網(wǎng)供電箱內(nèi)并網(wǎng)開關(guān)的分?jǐn)嗪臀?,?dāng)出現(xiàn)母線短路故障時(shí)可分段供電,提高列車輔助供電系統(tǒng)的可用性,列車輔助供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。原輔助逆變器采用工頻隔離,整改后的輔助逆變器采用高頻隔離,其在重量及效率等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

        圖4 輔助供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

        4 改造方案可行性論證

        為驗(yàn)證上述改造方案的可行性,進(jìn)行減重統(tǒng)計(jì)及仿真計(jì)算。方案實(shí)施后首先對(duì)組裝完成后的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明減重效果明顯,減重詳細(xì)數(shù)值如表5所示。

        表5 牽引系統(tǒng)減重統(tǒng)計(jì)表 kg

        根據(jù)表2 載荷數(shù)據(jù),每人重量按120 kg 計(jì)算,考慮表5 減重?cái)?shù)據(jù),原車及整改后的車輛各載荷下重量對(duì)比如表6 所示,考慮設(shè)備制造時(shí)的重量容差,實(shí)際車輛減重值為8 250 kg。

        表6 改造前后各載荷車重對(duì)比 t

        4.1 牽引性能設(shè)計(jì)

        為適配原信號(hào)系統(tǒng),牽引系統(tǒng)整改后的車輛加速度、減速度特性與原車保持一致,根據(jù)表6 載荷情況及表2 牽引性能要求對(duì)車輛牽引特性進(jìn)行設(shè)計(jì),其原車和整改車在AW3 載荷下的特性如圖5 所示。

        根據(jù)圖5 原車電機(jī)恒功率及自然特性轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致,整改后為減少閘瓦磨耗帶來(lái)的粉塵污染及降低能耗,設(shè)計(jì)時(shí)提高高速時(shí)電制動(dòng)工況下恒轉(zhuǎn)矩速度轉(zhuǎn)折點(diǎn),并降低停車時(shí)混合制動(dòng)電空切換速度點(diǎn),從而增加車輛在制動(dòng)工況下的電制動(dòng)占比,其數(shù)據(jù)對(duì)比如表7 所示。

        圖5 AW3 載荷牽引、電制特性曲線

        表7 改造前后各載荷車重對(duì)比

        4.2 牽引能耗仿真分析

        由于整車能耗由牽引能耗、再生能量、輔助變流器能耗組成,因此車輛減重、電制動(dòng)特性提升、輔助變流器效率提高必然會(huì)使整改車能耗降低。整車能耗計(jì)算公式如下:

        式(1)~式(4)中,Ecar為列車總能耗;Etr為列車牽引能耗;Ebr為列車再生能量;Eau為輔助變流器能耗;i為某兩站區(qū)段;m為線路總區(qū)段數(shù)量;n為牽引變流器數(shù)量;k為輔助變流器數(shù)量;Utr為牽引逆變器牽引工況下輸入電壓,Utr_i為第i區(qū)段牽引逆變器牽引工況下輸入電壓;Itr為牽引逆變器牽引工況下輸入電流,Itr_i為第i區(qū)段牽引逆變器牽引工況下輸入電流;Ubr為牽引逆變器制動(dòng)工況下輸入電壓,Ubr_i為第i區(qū)段牽引逆變器制動(dòng)工況下輸入電壓;Ibr為牽引逆變器制動(dòng)工況下輸入電流,Ibr_i為第i區(qū)段牽引逆變器制動(dòng)工況下輸入電流;Uau為輔助變流器輸入電壓,Uau_i為第i區(qū)段輔助變流器輸入電壓;Iau為輔助變流器輸入電流,Iau_i為第i區(qū)段輔助變流器輸入電流。

        原車輔助變流器效率為90%以上,整改后車輛輔助變流器效率提升至92%,其效率提升數(shù)值僅在額定功率下才有參考意義,又由于輔助變流器容量裕度較大,車輛正常運(yùn)營(yíng)時(shí)輔助變流器不會(huì)工作在額定工況下,且輔助變流器工作狀態(tài)較為靜止,其原車和整改后車輛能耗差異僅為效率差異,故在此不再詳述,在原車和整改車能耗差對(duì)比時(shí)忽略此差值,因此牽引能耗差ΔEtr、再生能量差ΔEbr、整車能耗差ΔE如式(5)~式(7)。

        式(5)~式(7)中Etr_o為原車牽引能耗;Ebr_o為原車再生能量;式中Etr_n為整改車牽引能耗;Ebr_n為整改車再生能量。根據(jù)式(2)和式(3)及線路數(shù)據(jù),在AW3 載荷下對(duì)天津地鐵1 號(hào)線劉園站至雙橋河站全線共31 個(gè)區(qū)段進(jìn)行原車及整改車運(yùn)行仿真,其牽引能耗如圖6 所示,再生能量仿真如圖7 所示。

        圖6 牽引能耗對(duì)比

        圖7 再生能量對(duì)比

        利用式(5)~式(7),對(duì)天津地鐵1 號(hào)線31 個(gè)站段原車和整改車能耗進(jìn)行對(duì)比。

        原車和整改車能耗值及能耗差值如表8 所示。

        表8 原車和整改車能耗對(duì)比 kW · h

        據(jù)統(tǒng)計(jì)天津地鐵1 號(hào)線車輛年運(yùn)營(yíng)里程為100 000 km,運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度40 km,在線運(yùn)營(yíng)列車中24 列采用日本進(jìn)口牽引系統(tǒng),若該24 列車輛均采用本文所述的自主化方案進(jìn)行改造,則全線每年可節(jié)約能耗為4 897 200 kW · h。

        4.3 故障運(yùn)行能力分析

        列車故障工況下,考慮啟動(dòng)阻力,車輛啟動(dòng)加速度應(yīng)大于0.083 m/s2,啟動(dòng)單位阻力取經(jīng)驗(yàn)值Wq=4 N/kN,啟動(dòng)加速度計(jì)算公式如下:

        式(8)中,a表示列車加速度,m/s2;F表示列車牽引力,kN;f表示列車阻力,kN;M表示列車重量,t;m0表示列車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,t。

        列車在線路上運(yùn)行時(shí),牽引工況黏著通常限值0.16~0.18,列車故障或救援等特殊工況時(shí),黏著最大限值為0.24,黏著系數(shù)計(jì)算公式如下:

        式(9)中,μ表示列車黏著系數(shù);F表示列車牽引力,kN;M0表示列車動(dòng)車的重量,t。

        根據(jù)表3 及式(8)、式(9)計(jì)算可知,當(dāng)列車損失1/3 牽引動(dòng)力時(shí),在AW3 載荷下,啟動(dòng)加速度可達(dá)0.31 m/s2,啟動(dòng)黏著系數(shù)0.19,列車可以在30‰的坡道上啟動(dòng);在AW0 載荷下,啟動(dòng)加速度0.29 m/s2,啟動(dòng)黏著系數(shù)0.20,列車可以在35‰的坡道上啟動(dòng)。如仿真圖8 所示,列車運(yùn)行速度平衡點(diǎn)在60 km/h 左右,可以正常完成一次單程運(yùn)行。

        圖8 1/3 動(dòng)力損失運(yùn)行能力仿真

        一列6 輛編組的AW0 載荷列車救援另一列停在30‰坡道上的6 輛編組AW3 載荷故障列車,根據(jù)式(8)、式(9)計(jì)算,啟動(dòng)加速度0.09 m/s2,啟動(dòng)黏著系數(shù)0.21,滿足啟動(dòng)需求。

        一列6 輛編組的AW0 載荷列車救援停在35‰坡道上的6 輛編組AW0 載荷故障列車,根據(jù)式(8)、式(9)計(jì)算,啟動(dòng)加速度0.12 m/s2,啟動(dòng)黏著系數(shù)0.21,滿足啟動(dòng)需求。

        5 結(jié)論

        本文對(duì)天津地鐵1 號(hào)線車輛提出自主化改造方案,在保證原車輛主體結(jié)構(gòu)及整車牽引特性不變的情況下,提高車輛性能指標(biāo),提升車輛技術(shù)水平,使車輛在剩余壽命周期內(nèi)更好的服務(wù)運(yùn)營(yíng)。整改車輛依據(jù)GB/T 14894-2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》完成車輛各項(xiàng)試驗(yàn),驗(yàn)證自主化改造方案切實(shí)可行,與原車對(duì)比優(yōu)勢(shì)明顯。

        我國(guó)早期發(fā)展軌道交通的城市車輛牽引系統(tǒng)較多采用進(jìn)口系統(tǒng),同樣面臨文中所闡述的同類問(wèn)題。本項(xiàng)目整改后車輛更加節(jié)能、綠色、舒適、安全、可靠,可為類似自主化改造項(xiàng)目提供參考與借鑒。

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