曹成鵬 閆俊材 王興佳

(1.北京城市軌道交通咨詢有限公司,100068,北京; 2.金華市軌道交通集團有限公司,321015,金華;3.河北雄安軌道快線有限責任公司,071799,保定)

目前,隨著城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)車輛逐漸向智能化、高可靠性、高舒適性等方向發(fā)展,新增的全自動駕駛技術、高冗余性技術、振動檢測技術等均在不同程度上增加了車載設備的數(shù)量,導致城軌車輛的質量越來越大,甚至出現(xiàn)了部分項目的車輛質量超過合同要求的現(xiàn)象。

車輛的質量越大,其能耗也越大。由于城軌車輛的總體運量較大,導致其總體耗電量也維持在一個較高的水平[1]。減少城軌車輛運行的能耗及用電總量,已經(jīng)成為降低城軌運營成本的一個有效途徑。據(jù)統(tǒng)計,城軌車輛84%的能耗集中在車輛系統(tǒng)和通風空調系統(tǒng),其分別占總能耗的53%和31%。隨著城軌車輛的快速發(fā)展,投入運營的城軌車輛越來越多,對車輛能耗的要求也隨之越來越高,節(jié)能降耗已成為城軌研究的重要內容[2]。

針對城軌車輛的減重節(jié)能問題,本文介紹了采用全鋁車體結構、永磁牽引系統(tǒng)、高頻輔助逆變器、高頻軟開關充電機、輕量化轉向架、模塊化制動系統(tǒng)和新材料客室設備等減重措施,以及永磁牽引電動機、高頻輔助逆變器、變頻空調和照明系統(tǒng)等的節(jié)能措施,并對根據(jù)稱重試驗、能耗試驗所評估的減重節(jié)能效果進行了總結提煉。本文研究可為城軌車輛的設計與技術管理提供工程經(jīng)驗與技術指導。

1 城軌車輛減重技術

1.1 車體減重措施

在車體方面,一般通過使用全鋁的牽引梁、枕梁、緩沖梁結構替換常規(guī)的鋼鋁混合結構來達到車體減重的目的。采用全鋁型材焊接結構的車體底架示意圖如圖1所示。車體的主要減重措施有:①在保證車體強度的前提下,優(yōu)化并減薄牽引梁下蓋板的厚度;②加大牽引梁下蓋板斜度,并減小車鉤座處的尺寸;③在車體模態(tài)滿足要求的情況下,使用最薄的車體鋁型材;④車頂可采用等斷面設計,空調機組采用跨騎式車頂安裝方式,取消專門的空調機組平臺;⑤優(yōu)化車體型材斷面,除受力較大的門角所對應的型腔采用厚壁外,其余可采用薄壁設計。當采取上述減重措施后,減重設計后的車體至少可減重14%。

圖1 采用全鋁型材焊接結構的車體底架示意圖

1.2 牽引系統(tǒng)及輔助電源系統(tǒng)減重措施

在牽引系統(tǒng)方面,主要可以通過采用永磁同步電動機的方法進行減重。相較于異步電動機,永磁同步電動機的功率密度較大,在省去異步電動機轉子勵磁線包的同時,還減少了其定子的硅鋼用量。常規(guī)額定功率為190 kW異步電動機的質量為620 kg,而額定功率為190 kW的永磁同步電動機的質量僅為530 kg,相當于可以減重17%[3]。

輔助電源系統(tǒng)可采用新型高頻DC(直流)/DC變壓器達到減重的目的。采用高頻變壓器替代傳統(tǒng)工頻變壓器可減重約200 kg。此外,高頻變壓器的軟開關結構能夠降低電力電子器件的功耗,使其散熱片質量和風道結構質量也相應有所減小。

充電機采用高頻軟開關設計,摒棄了傳統(tǒng)的低感母排、支撐電容的分立設計思路,采用先進的厚銅PCB(印制電路板)設計,將焊接式支撐電容、濾波電容、傳感器等器件集成在一塊PCB板上,大大減小了其結構尺寸。和傳統(tǒng)方案相比,減重設計后的結構尺寸減小了約30%,其質量降低了約20 kg。

在電氣結構方面,主要可以通過減小箱體結構尺寸來達到減重的目的。具體減重措施有:①箱體主體結構使用鋁合金;②在保證設備安裝基礎強度的前提下,在主梁及電抗器安裝梁上開減重孔;③加強筋厚度方向設計為梯度結構。

牽引箱等牽引系統(tǒng)箱體尺寸為50 mm×50 mm,厚度為5 mm,材質選用6063T6鋁合金型材。箱體通過全部鉚接的形式組合為框架,鉚釘為不銹鋼材質。采用兩根吊耳梁(尺寸為120 mm(長)×60 mm(寬),厚度為10 mm)的型材作為主梁,通過螺栓螺母連接到箱體上,以避免箱體內部采用規(guī)格較大的型材,進而達到箱體減重的目的。在完全滿足牽引箱箱體強度要求的前提下,箱體的所有蒙皮采用厚為3 mm的鋁合金板材,通過不銹鋼鉚釘鉚接到框架上。與傳統(tǒng)方案相比,減重設計后的箱體可減重約30%。箱體模型示意圖如圖2所示。

圖2 箱體模型示意圖

1.3 轉向架及制動系統(tǒng)減重措施

在保證轉向架構架強度的基礎上,對轉向架的構架進行輕量化設計,主要通過優(yōu)化電動機吊座等結構,以及減少構架質量來達到減重的目的。轉向架牽引梁、齒輪箱體、牽引拉桿桿體、軸箱前蓋等結構采用鋁合金材質,相比于原材質(鑄鋼或鑄鐵),其可減重超過50%。轉向架可通過采用空心車軸設計達到減重的設計目標。相對于球磨鑄鐵材質軸箱蓋,采用鑄造鋁合金材質的軸箱前蓋可減重約50%。與常規(guī)轉向架相比,減重設計后的動車轉向架可減重約500 kg,拖車轉向架可減重約300 kg。

制動系統(tǒng)可采用模塊化設計達到減重的目的。將缸體單元和控制單元模塊化,以減少固定吊架。制動模塊吊架材質可采用鋁合金來替代傳統(tǒng)的鋼板材質。目前,城軌車輛制動盤的常規(guī)盤體材質主要有鑄鐵和鋼。隨著材料技術的發(fā)展,盤體材質可采用質量小、導熱性能好的鋁合金。與傳統(tǒng)鑄鐵材質制動盤相比,鋁合金制動盤減重效果明顯,外徑為640 mm的鑄鐵制動盤質量為92 kg,同樣尺寸的鋁合金制動盤質量僅為38 kg。減重設計后的制動盤可減重約58%。

1.4 空調及車門系統(tǒng)減重措施

空調機組的殼體材料可由原來的不銹鋼材料改為碳纖維增強復合材料,風道材料可由鋁板+隔熱材料改為厚度為10 mm的復合材料。車內座椅下的電熱器采用碳纖維電熱板,代替原來的不銹鋼電熱器。減重設計后,每輛車能夠減重約130 kg。

客室車門采用內藏密閉門系統(tǒng),以達到與城軌車輛密封性最好的塞拉門系統(tǒng)同等的密封性能。單個客室車門與傳統(tǒng)客室車門相比,減重設計后的車門質量減小約40 kg,以地鐵B型車為例,每輛車可減重約320 kg。

1.5 車鉤及貫通道減重措施

在橡膠緩沖器、膠泥緩沖器、氣液+環(huán)簧緩沖器、膠泥+環(huán)簧緩沖器這幾種可用車鉤緩沖器中,對比其性能和質量因素,優(yōu)選膠泥+環(huán)簧緩沖器。在滿足性能要求的同時,膠泥+環(huán)簧緩沖器的價格適中,質量最小。相比于常規(guī)方案的膠泥緩沖器,采用膠泥+環(huán)簧緩沖器可使車鉤減重約25 kg。取消中間車鉤的垂向橡膠支撐,可使其減重約40 kg。

貫通道的渡板和踏板,可選用7系鋁合金材質替代常規(guī)方案的不銹鋼材質。在踏板表面進行硬化處理,增加其耐磨性,可使貫通道的渡板和踏板減重約30 kg。相比于常規(guī)方案,減重設計后的貫通道可減重約9.5%。采用鋁合金渡板和踏板的貫通道模型示意圖如圖3所示。

圖3 采用鋁合金渡板和踏板的貫通道模型示意圖

1.6 車輛內裝及客室設備減重措施

在車輛內裝及客室設備方面,可通過優(yōu)化側頂和側墻的安裝結構、座椅端部扶手結構及尺寸、采用非凸出側墻的立罩板結構等措施達到減重的目的。車輛內裝可采用的新型材料與傳統(tǒng)材料如表1所示。若車輛內裝全部使用新型材料,每輛車內裝質量預計可由3.2 t減重為2.2 t。例如:采用新型材料的六人座椅總重為42 kg,較常規(guī)項目玻璃鋼材質的六人座椅減重約50%,即能夠實現(xiàn)減重252 kg/車。

表1 車輛內裝可采用的新型材料與傳統(tǒng)材料

2 城軌車輛節(jié)能技術

2.1 牽引系統(tǒng)及輔助電源系統(tǒng)節(jié)能措施

永磁同步電動機具有高功率因數(shù)和高效率特性。與異步電動機相比,永磁電動機無需無功勵磁電流[4],故其功率因數(shù)和效率均高于異步電動機。永磁電動機的相關參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。永磁電動機的額定工作效率超過95%,功率因數(shù)超過0.88。而傳統(tǒng)異步電動機的額定工作效率為93%,功率因數(shù)為0.86。相比于同規(guī)格的異步電動機,永磁電動機的額定工作效率提高了2%～4%。

表2 永磁電動機相關參數(shù)數(shù)據(jù)

輔助電源系統(tǒng)可采用高頻DC/DC拓撲結構替換原來的高耗能工頻變壓器。在滿載工況下,采用高頻DC/DC拓撲結構的輔助電源系統(tǒng)輸入電流為105 A,線網(wǎng)電壓為724 V,輸出有功功率為70.1 kW。經(jīng)計算可知,其逆變器輸出效率為92.21%[3],相比于輔助電源系統(tǒng)的輸出效率提高了約2%。此外,還可通過降低開關器件的電壓等級、采用全軟開關技術等措施降低器件開關的損耗,提高系統(tǒng)效率,進而達到節(jié)能的目的。

2.2 空調系統(tǒng)節(jié)能措施

1) 減少空調開關損耗。定速空調機組通過不斷開停壓縮機來維持客室溫度,變頻空調機組通過低頻低功率運行來維持客室溫度[2]。變頻空調機組不僅減少了壓縮機的開停次數(shù),還降低了開關損耗,有利于達到節(jié)能的目的。定速空調機組的啟動電流是常態(tài)載荷電流的5～10倍(突發(fā)跳躍),變頻空調機組能夠實現(xiàn)真正的軟啟動(零電流線性啟動),同時變頻空調機組較低的起動電流對電源電流的沖擊較小,可以提高電源可靠性。

2) 提高低頻空調能效比。①當達到空調設定溫度后,空調壓縮機會在低頻率持續(xù)運行,減少制冷劑流量,增加相對換熱面積,以提高系統(tǒng)效率,達到節(jié)能的目的。本文在考慮壓縮機可靠性的基礎上,根據(jù)壓縮機規(guī)格書中規(guī)定的頻率適用范圍,設定壓縮機最低頻率點為30 Hz。②在提高低頻壓縮機的容積效率方面,降低壓縮機低頻下的壓縮比、減小制冷劑壓縮過程中的制冷劑泄漏量、提高壓縮機容積效率、增加制冷量等措施,均能增加壓縮機的能效比,有利于達到節(jié)能的目的。③在提高空調季節(jié)能效比方面,采用熱力學自動優(yōu)化控制、在任何工況下均保證空調始終以最高效率運行等措施均能提高空調季節(jié)能效比,有利于達到節(jié)能的目的。④根據(jù)其他項目的節(jié)能統(tǒng)計數(shù)據(jù),采用變頻節(jié)能技術能夠節(jié)能約15%～20%。

3) 冬季采用熱泵制熱方式。在冬季,普通車輛空調機組通常采用電加熱器通電發(fā)熱的方式為車輛提供熱量,但這種加熱方式能耗比較大,加熱量與能耗基本一致。因此,可采用熱泵加熱技術,以變頻壓縮機作為空氣源熱泵的核心,其能夠實現(xiàn)-15 ℃環(huán)境溫度下的有效制熱。相比于電加熱器制熱方式,熱泵制熱方式在低溫環(huán)境下仍能具備良好的加熱效果,能夠達到節(jié)能的目的。結合以往項目的實際情況,變頻熱泵機組在0 ℃環(huán)境溫度下,空調機組能效比可達2;-10 ℃環(huán)境溫度下,空調機組能效比為1,與電加熱器相當。相比于電加熱器制熱方式,采用熱泵制熱方式能夠節(jié)能約40%。

4) 根據(jù)乘客負載情況調節(jié)客室目標溫度。常規(guī)車輛的車內溫度根據(jù)UIC 553—2004《客車車廂的通風、供暖和空調》標準的溫度曲線進行調節(jié),空調系統(tǒng)可根據(jù)車輛提供的載客量信息,自動調整客室目標溫度,達到節(jié)能的目的。由于車廂定員約為250人,可以85人或170人作為劃分依據(jù),并根據(jù)人體質量進行設計計算和控制。當載客量一定時,室外溫度越高,制冷目標溫度也越高[5]。在控制邏輯上,當車廂人數(shù)超過170人、室外溫度超過35 ℃時,目標溫度設定為26 ℃且不再繼續(xù)升高,即當空調機組達到全冷狀態(tài)時,不會出現(xiàn)由于室外溫度繼續(xù)上升而導致的車內溫度相應上升的情況。預計通過調節(jié)客室目標溫度的方法可以實現(xiàn)約8%的節(jié)能效果。

5) 使用DC 1 500 V或DC 750 V逆變電源。常規(guī)地鐵車輛一般采用DC 1 500 V或DC 750 V電源供電,車輛輔助逆變系統(tǒng)將高壓直流電源逆變?yōu)槿郃C 380 V電源,為地鐵車輛空調系統(tǒng)供電,車輛輔助逆變器的效率一般超過90%?？照{機組可采用DC 1 500 V或DC 750 V電源直接供電,內部配置的逆變電源模塊可直接將DC 1 500 V或DC 750 V的電源轉化為三相可變交流電源,為空調壓縮機和風機供電?？照{內部的小型逆變電源效率超過95%,具有更優(yōu)的轉換效率,同時更能節(jié)省能源。

綜上所述,根據(jù)變頻空調的使用經(jīng)驗,相比于常規(guī)空調系統(tǒng),采用綜合節(jié)能技術的空調系統(tǒng),其制冷節(jié)能率預估約為25%～30%,制熱節(jié)能率預估約為40%。

2.3 照明系統(tǒng)節(jié)能措施

1) 照度自動調節(jié)。每輛車可配備2個光感傳感器,以實現(xiàn)照明自動無級調光功能。根據(jù)車內空間與外界自然光的實際情況,對燈具的亮度進行動態(tài)調節(jié),以實現(xiàn)車廂照度平衡(車廂照度可預設),進而達到節(jié)能的目的。

2) 多種節(jié)能工作模式。根據(jù)車廂外界自然光對車內照度補償?shù)淖兓?動態(tài)調整照明燈具的發(fā)光強度,以達到車廂照明平衡,進而達到節(jié)能的目的。例如:在地鐵人流低谷時段,當車廂沒人時,可以降低車廂照明等級(如降低至額定照明等級的50%左右)。

3) 采用OLED(有機發(fā)光二極管)作為照明光源。OLED光源是典型的面光源,而LED(發(fā)光二極管)光源是點光源。所以LED光源需要外加燈罩、散熱裝置或光線散射裝置等,燈具設計較為復雜。OLED光源的平面光源特性除了能夠與各種型態(tài)的燈具設計匹配之外,其散熱特性也較好,無需額外加裝散熱元件,從而降低了燈具制造成本[6]。此外,相對于LED光源,OLED光源的驅動電壓更低,當電壓為5.0～7.5 V、電流為30～350 mA時,即可正常工作。由于OLED光源是冷光源,其可以把幾乎所有電能都轉化成光能,具有功率小、效率高的優(yōu)點,更能滿足節(jié)能的目標。

3 結語

目前,我國城軌車輛在減重、節(jié)能領域方面的研究還處在發(fā)展階段,對新材料的研究和應用技術還有待提高。本文介紹了城軌車輛在車體、牽引系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、轉向架系統(tǒng)、車鉤系統(tǒng)、貫通道及內裝等方面的設備減重及節(jié)能措施。若應用這些減重、節(jié)能措施,基本能夠達到車輛整體減重10%以上、節(jié)能10%以上的目標,更好地滿足日益增長的城軌車輛運營需求。