于超然 金文斌 劉 勇 蔣 鵬

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長春∥第一作者， 工程師)

列車在坡道行駛時，需要更大的牽引力和制動力。為了增強列車的爬坡能力，列車需要增加動車數(shù)量。受制于列車黏著使用利用率限制，即便是全動車車輛，一般爬坡坡度亦不會超過60‰。齒軌是一種特殊的線路，和普通鐵路相比，齒軌軌道安裝有特殊的齒條，相應的齒軌車輛配置有一個齒輪和軌道齒條咬合一起，通過車輛牽引電機驅動，為整車提供牽引力和電制動力。齒軌列車最大爬坡坡度可達250‰。增大列車爬坡坡度可減少線路展線長度，降低對山地旅游景區(qū)植被及地質破壞的影響，并減少工程造價。齒軌列車目前在國外已廣泛應用，技術相對成熟。

齒軌列車提高了車輛爬坡能力，但列車也需在正常線路運行，因此，需根據(jù)實際線路需求進行列車動力合理配置，以實現(xiàn)車輛設計的實用性和經(jīng)濟性。

1 國內外齒軌列車應用現(xiàn)狀

1.1 國外齒軌列車應用

目前，國外齒軌列車已在30個國家近180條線路上應用[1-2]。較為成熟的齒軌牽引系統(tǒng)有Marsh齒軌系統(tǒng)、Riggenbach系統(tǒng)、Abt系統(tǒng)、Strub齒軌系統(tǒng)及Locher齒軌系統(tǒng)等[3]。目前，已經(jīng)建成的齒軌線路長度已超過3 000 km，廣泛應用于歐洲和美國山地路段；瑞士齒軌列車運行線路和數(shù)量占全世界總數(shù)的一半以上，技術最為成熟。

1.2 國內齒軌列車應用

目前，國內齒軌列車尚處于研究階段。2020年6月，四川省發(fā)展與改革委員會批復了《四川省山地軌道交通規(guī)劃》，規(guī)劃了長度約1 700 km的山地軌道交通線路。這些項目的建設，可以帶動齒軌軌道交通產業(yè)發(fā)展，構建山地軌道交通產業(yè)，培育萬億級支柱產業(yè)。

1.3 齒軌列車牽引的主要研究內容

相對于國內常用的軌道交通列車，齒軌列車增加了齒輪傳動系統(tǒng)。區(qū)別于現(xiàn)有列車設計，齒軌列車需要特別設計的內容有：

1) 根據(jù)車輛需求配置齒軌動力轉向架和黏著動力轉向架；

2) 齒軌路段列車牽引力計算；

3) 列車高壓主電路設計。

2 齒軌列車牽引性能需求

2.1 黏著路段齒軌列車牽引性能需求

黏著路段齒軌列車牽引性能參數(shù)見表1。

表1 黏著路段齒軌列車牽引性能參數(shù)表Tab.1 Traction performance requirements of cog rail train on the adhesive line

2.2 齒軌路段齒軌列車牽引性能需求

齒軌路段齒軌列車牽引性能參數(shù)見表2。

表2 齒軌路段齒軌列車牽引性能參數(shù)表Tab.2 Traction performance requirements of cog rail train on the cog rail line

2.3 齒軌列車的其他參數(shù)信息

齒軌列車其他參數(shù)見表3。

表3 齒軌列車其他參數(shù)表Tab.3 Table of other cog rail train information parameters

3 齒軌列車動力配置計算

3.1 齒軌列車動力分配方案計算

齒軌列車需要在黏著線路和齒軌線路運行。在黏著路段，齒軌列車由黏著電機驅動；在齒軌路段，齒軌列車由黏著電機和齒軌電機同時驅動。

齒軌列車在齒軌段的牽引力主要由齒軌電機貢獻。因此，列車動力配置需要首先計算齒軌段列車牽引力需求來確定齒軌電機的數(shù)量，從而進一步確定黏著電機的數(shù)量。

計算條件如下：

1) 每個齒輪由1個牽引電機驅動。為保證齒輪使用壽命，單個齒軌牽引力應不大于60 kN。

2) 黏著轉向架牽引時，計算黏著系數(shù)取0.13；制動時，計算黏著系數(shù)取0.12。

3) 由于列車為全動車配置，列車轉動慣量按10%考慮。

4) 為適應齒軌列車在本線最大坡度為250‰的坡道和30‰的常規(guī)坡道上運行，需采用全動車配置。

AW2工況下，列車在250‰坡道上加速度達到0.4 m/s2時，至少需要的牽引力(未考慮摩擦阻力和空氣阻力)為519 kN。單個黏著轉向架所能提供的牽引力為31 kN。

3.2 齒軌列車動力分配方案1

齒軌列車動力分配方案1(見圖1)為3臺黏著轉向架+5臺齒軌轉向架。

圖1 齒軌列車動力分配方案1Fig.1 Power distribution plan 1 for cog rail train

通過計算得出，該編組列車可提供的最大牽引力為393 kN，小于519 kN。由此可見，該編組列車所能提供的最大牽引力不能滿足列車牽引力需求，因此，需增加齒軌齒輪數(shù)量。若將其中1個黏著轉向架改為齒軌動力轉向架，此時列車在黏著線路上運行時動拖比已降至1∶3，降低了列車在黏著線路上的性能。因此，本文不考慮此種動力分配方式，后續(xù)應考慮在每個齒軌轉向架上安裝2個齒輪。

3.3 齒軌列車動力分配方案2

齒軌列車動力分配方案2(見圖2)為5臺黏著轉向架+3臺齒軌轉向架。

圖2 齒軌列車動力分配方案2Fig.2 Power distribution plan 2 for cog rail train

通過計算得出，該編組列車可提供的最大牽引力為515 kN，小于519 kN。由此可見，該編組列車所能提供的最大牽引力不能滿足列車牽引力需求，需繼續(xù)增加齒軌齒輪數(shù)量。

3.4 齒軌列車動力分配方案3

齒軌列車動力分配方案3(見圖3)為4臺黏著轉向架+4臺齒軌轉向架。

通過計算得出，該編組列車可提供的列車最大牽引力為604 kN，大于519 kN。由此可見，該編組列車能提供的牽引力可滿足列車的牽引力需求，并有一定的余量。因此，齒軌動力配置為4臺黏著轉向架和4臺齒軌轉向架，每臺齒軌轉向架含有2個驅動齒輪。

圖3 齒軌列車動力分配方案3Fig.3 Power distribution plan 3 for cog rail train

4 齒軌列車牽引系統(tǒng)高壓主電路設計

齒軌列車的基本配置為4個黏著動力轉向架和4個齒軌動力轉向架。齒軌列車的高壓主電路原理如圖4所示。

齒軌列車的高壓主回路電氣設備主要包括避雷器箱、高壓電氣箱A、高壓電氣箱B、VVVF(變壓-變頻)逆變器箱、輔助電源箱、制動電阻箱、牽引電機及接地裝置。其中，高壓電氣箱A箱、高壓電氣箱B箱為高壓系統(tǒng)提供電氣隔離和短路保護；母線高斷箱主要實現(xiàn)2節(jié)車廂之間的高壓母線分斷及短路保護，VVVF逆變器驅動牽引電機為整車提供牽引力和電制動力；輔助逆變器為整車中壓和低壓系統(tǒng)提供電能；制動電阻和斬波回路為整車提供過壓保護功能。齒軌列車高壓主回路電氣設備配置如表4所示。

5 齒軌車輛牽引電機計算

5.1 黏著路段齒軌車輛牽引力計算

計算中，動車慣性系數(shù)取0.1，用于計算列車換算質量。接觸網(wǎng)壓在DC 1 500 V的條件下，取列車的起動加速度為0.5 m/s2，取列車起動阻力為9.6 kN，則列車的起動牽引力為107.4 kN。

表4 齒軌列車高壓主回路電氣設備配置Tab.4 The cog rail train configuration

AW2時黏著路段齒軌車輛牽引力-速度曲線如圖5所示。

注：列車運行速度為0～40 km/h的區(qū)域為恒轉矩區(qū)；列車運行速度為40～120 km/h的區(qū)域為恒功區(qū)。圖5 黏著路段齒軌車輛牽引力-速度曲線Fig.5 Traction-speed curve of cog rail train on the adhesive rail section

AW2時黏著路段齒軌車輛電制動力-速度曲線如圖6所示。

注：列車運行速度為0～5 km/h的區(qū)域為電空轉換區(qū)；列車運行速度為5～60 km/h的區(qū)域為恒轉矩區(qū)；列車運行速度為60～120 km/h的區(qū)域為恒功區(qū)。圖6 黏著路段齒軌車輛電制動力-速度曲線Fig.6 Electric braking force-speed curve of cog rail train on the cog rail section

5.2 齒軌電機牽引力計算

本方案共有8臺牽引電機。動車慣性系數(shù)取0.1，用于計算列車換算質量。接觸網(wǎng)壓在DC 1 500 V的條件下，列車的起動加速度取0.4 m/s2，則齒軌線路所需牽引力為529 kN。

根據(jù)3.1節(jié)，按照單黏著轉向架可發(fā)揮的牽引力最大值31 kN計算，黏著電機在齒軌線路上發(fā)揮的牽引力為124 kN，則齒軌電機總的牽引力為405 kN。

黏著電機牽引力在齒軌線路上按照恒轉矩控制，牽引力-速度曲線如圖7所示。

注：列車運行速度為0～18 km/h的區(qū)域為恒轉矩區(qū)；列車運行速度為18～40 km/h的區(qū)域為恒功區(qū)。圖7 齒軌路段黏著電機牽引力-速度曲線Fig.7 Traction force-speed curve of cog rail train on the cog rail section

黏著電機電制動力黏著利用率取0.12，則該電機在齒軌路段發(fā)揮的電制動力為115 kN。

齒軌線路所發(fā)揮的電制動力可滿足列車在坡度為250‰的坡道上以最大減速度0.3 m/s2進行制動，剩余部分可由空氣制動補足。列車阻力有利于列車減速，故制動時不考慮阻力。通過計算得到齒軌列車所需最大電制動力為384.68 kN。

黏著電機電制動力在齒軌線路上按照恒轉矩控制，電制動力-速度曲線如圖8所示。

注：列車運行速度為2～18 km/h區(qū)域為恒轉矩區(qū)；列車運行速度為18～40 km/h區(qū)域為恒功區(qū)。圖8 齒軌路段黏著電機電制動力-速度曲線Fig.8 Electric braking force-speed curve on the cog rail section

6 結語

本文調研了齒軌列車的應用現(xiàn)狀，并根據(jù)實際需求，提出齒軌列車動力分配方法，設計了齒軌列車主電路拓撲?？蔀楹罄m(xù)齒軌列車動力分配提供詳細的計算支撐。