城軌車(chē)輛的試驗(yàn)設(shè)施

文 | 湘潭電機(jī)股份有限公司技術(shù)中心 池耀田

城軌車(chē)輛的試驗(yàn)設(shè)施

文 | 湘潭電機(jī)股份有限公司技術(shù)中心 池耀田

城軌車(chē)輛制造完成后，應(yīng)按國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC61133進(jìn)行型式試驗(yàn)與例行試驗(yàn)。本文介紹了國(guó)外完成這些試驗(yàn)所具備的試驗(yàn)設(shè)施，包括維也納的車(chē)輛環(huán)境試驗(yàn)中心，西門(mén)子公司的牽引系統(tǒng)試驗(yàn)中心及龐巴迪包岑工廠的車(chē)輛試驗(yàn)設(shè)施。

城軌車(chē)輛；試驗(yàn)設(shè)施；環(huán)境試驗(yàn)；系統(tǒng)試驗(yàn)

有軌電車(chē)、輕軌車(chē)與地鐵車(chē)輛在制造完成后均要按照國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC 61133的規(guī)定進(jìn)行型式試驗(yàn)與例行(出廠)試驗(yàn)。根據(jù)需要，還要進(jìn)行部分研究性試驗(yàn)。主要試驗(yàn)項(xiàng)目列于表1。

車(chē)輛進(jìn)行以上項(xiàng)目試驗(yàn)合格后交付用戶(hù)，基本可保證車(chē)輛運(yùn)行的安全性與可靠性。但要全部完成上述項(xiàng)目的試驗(yàn)需要龐大的試驗(yàn)設(shè)施，一般的車(chē)輛制造企業(yè)也沒(méi)有必要投入大量資金建設(shè)這些試驗(yàn)設(shè)施。國(guó)外通常是綜合的車(chē)輛檢測(cè)試驗(yàn)中心與企業(yè)必要的試驗(yàn)設(shè)施相結(jié)合，下面作個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

1.也納的車(chē)輛環(huán)境試驗(yàn)中心

1961年全世界第一個(gè)用于機(jī)車(chē)和車(chē)輛的試驗(yàn)設(shè)施投入使用。這個(gè)大項(xiàng)目是由國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)的研究與試驗(yàn)局、奧地利政府和眾多歐洲鐵路局的合作才完成的。該試驗(yàn)中心到2002年就到了技術(shù)使用期并且必須關(guān)閉。為此在1998年底開(kāi)始籌建新的試驗(yàn)中心。該試驗(yàn)中心的建設(shè)采用公共私營(yíng)合股的模式(PPP)，奧地利政府與維也納市參加，對(duì)該項(xiàng)目出國(guó)有資本與貸款并提供長(zhǎng)期投資，余下的資金需求籌集外部資金。其私人股東包括：奧地利研究與試驗(yàn)中心、龐巴迪公司、阿爾斯通公司、西門(mén)子公司與安薩爾多布雷達(dá)公司。該試驗(yàn)中心總投資6500萬(wàn)歐元，于2002年12月30日建成并投入使用。

1.1.驗(yàn)設(shè)施的構(gòu)成

維也納環(huán)境試驗(yàn)中心的整個(gè)裝置由兩個(gè)氣候風(fēng)洞(KWK)組成。有效長(zhǎng)度分別為100m和31m。在小風(fēng)洞的前面有一個(gè)預(yù)熱車(chē)間和兩個(gè)長(zhǎng)約l00m和60m的準(zhǔn)備車(chē)間。

兩個(gè)風(fēng)洞分別進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)測(cè)量。可以進(jìn)行機(jī)車(chē)試驗(yàn)、單節(jié)或多節(jié)車(chē)輛試驗(yàn)以及整個(gè)列車(chē)單獨(dú)或同時(shí)試驗(yàn)。大風(fēng)洞裝有雙波滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，小風(fēng)洞也有一個(gè)滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可用于有軌電車(chē)的試驗(yàn)。

氣候條件的模擬特性包括單獨(dú)的與無(wú)級(jí)可調(diào)的溫度、空氣濕度、風(fēng)速、陽(yáng)光強(qiáng)度的模擬以及降雨量，數(shù)據(jù)如表2所示?？赡M的最大風(fēng)速為300km/h，陽(yáng)光輻射強(qiáng)度1000w/m2。太陽(yáng)光場(chǎng)可照射整個(gè)側(cè)面和車(chē)頂范圍(圖4)。在整個(gè)風(fēng)洞長(zhǎng)度的頂部有人工降雨噴嘴。水和雪也可從龍門(mén)架吹出。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，雪還可用移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生(圖5)，雪量可達(dá)4m3/h，也可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置。

預(yù)熱車(chē)間用于交變氣候試驗(yàn)的溫度調(diào)整。

在小風(fēng)洞進(jìn)行的試驗(yàn)還能夠模擬隧道內(nèi)的情況并可反向模擬，車(chē)輛從深度冷卻的風(fēng)洞移到濕熱的預(yù)熱車(chē)間，相反，也可用冷凍的露水使車(chē)輛立刻結(jié)冰。

表1.

試驗(yàn)設(shè)施的電源功率為15MW，不僅向兩臺(tái)電驅(qū)動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)和制冷裝置供電，還向車(chē)輛試驗(yàn)供電?？商峁┲绷麟妷?、單相與三相電壓，可自由選擇具有高精確度的頻率，從200V到4000V全部可調(diào)，通過(guò)UIC——列車(chē)多種供電母線供電。

1.2.驗(yàn)范圍

1.2.1.適性試驗(yàn)

測(cè)試車(chē)輛空調(diào)的舒適度與可靠性。

1.2.2.軌道車(chē)輛的全部單個(gè)部件在苛刻的氣候條件下進(jìn)行特殊的功能試驗(yàn)以檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性(圖5，圖6)。這些試驗(yàn)按照車(chē)輛要求的氣候條件分為以下類(lèi)別：

將外界溫度與空氣濕度施加在機(jī)械、電子、電氣與空氣部件上；

用雨和運(yùn)行風(fēng)檢查整個(gè)車(chē)輛的密封性能，尤其是對(duì)鉸接過(guò)道、門(mén)和窗的作用，并可檢查刮雨器的功能。

用潮濕的雪作用所有裝在外部的機(jī)械部件，如門(mén)、上車(chē)臺(tái)階、車(chē)鉤、車(chē)頂設(shè)備和機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。

用干燥的雪模擬運(yùn)行中的飛雪侵入到敞開(kāi)的與密封的設(shè)備，造成多次故障。

在機(jī)械部件如受流器、隔離開(kāi)關(guān)、門(mén)、上車(chē)臺(tái)階和車(chē)鉤上結(jié)冰，檢查子系統(tǒng)的故障功能或封鎖。

表2.也納氣候風(fēng)洞的技術(shù)數(shù)據(jù)

但是，僅對(duì)靜止的車(chē)輛在環(huán)境試驗(yàn)室試驗(yàn)是不夠的，除了氣候影響以外，還要模擬車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)。為此，一方面在風(fēng)洞內(nèi)從車(chē)輛前面吹風(fēng)(圖10)，另一方面車(chē)輛在雙波滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上模擬運(yùn)行，測(cè)量所傳輸?shù)臓恳εc制動(dòng)力，繪制輪緣牽引力與運(yùn)行速度的關(guān)系曲線。還要考慮某些運(yùn)行狀態(tài)對(duì)輔助機(jī)組的功率要求。

對(duì)于摩擦制動(dòng)試驗(yàn)可有實(shí)際的輪軌接觸、運(yùn)行風(fēng)、加雪或加冰等。

1.2.3.量輔助電源的能量效率模擬。

1.2.4.風(fēng)洞中測(cè)量受電弓與雨刮器某部件在運(yùn)行風(fēng)作用下的性能與可靠性。

1.2.5.量轉(zhuǎn)向架的主要部件如減振器、撒砂裝置與制動(dòng)裝置在惡劣環(huán)境條件下的失效情況?？稍谶@些部件上堆集雪和冰，從功能下降到運(yùn)行失效，在風(fēng)洞的滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上檢試。

1.2.6.輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)，從受電弓經(jīng)主斷路器、變壓器、變流器、蓄電池到輔助電子設(shè)備在低溫或高溫同時(shí)有高的濕度條件下進(jìn)行試驗(yàn)，以檢測(cè)其可靠性。

2.門(mén)子公司的牽引系統(tǒng)試驗(yàn)中心

西門(mén)子公司的牽引系統(tǒng)試驗(yàn)中心位于德國(guó)北萊茵——威斯特法命州的韋格貝格——韋爾登拉特，于1997年投入使用，占地面積35公頃(525畝)，有準(zhǔn)軌鐵路28km，米軌鐵路8km，建筑面積21300m2，員工200多人，(圖7、圖8)示出了中心的核心地區(qū)包括管理、試驗(yàn)大樓與車(chē)間。

表3.率試驗(yàn)范圍注：※為英國(guó)結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

該試驗(yàn)中心于1998年由德國(guó)聯(lián)邦鐵路局認(rèn)定為鐵路專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)的試驗(yàn)地，并取得DIN IS09001證書(shū)，2000年擴(kuò)展為國(guó)際鐵路檢測(cè)中心；2001年創(chuàng)立可靠性檢測(cè)中心；2006年通過(guò)DINtS017025認(rèn)證。

2.1.驗(yàn)功率范圍

該中心的試驗(yàn)功率范圍列于表3。

2.2.驗(yàn)設(shè)施

圖9繪出了車(chē)輛試驗(yàn)線的線路圖，共有五條試驗(yàn)線，有準(zhǔn)軌線路，米軌線路，小半徑曲線及陡坡區(qū)段，可滿(mǎn)足各種功率范圍的試驗(yàn)要求。其中最長(zhǎng)的環(huán)形試驗(yàn)線T1線長(zhǎng)6100m，用于準(zhǔn)軌車(chē)輛，160km/h的速度；T2線用于100km/h的運(yùn)行速度；T3線可進(jìn)行起動(dòng)與制動(dòng)試驗(yàn)；T4線用于短程交通車(chē)輛的曲線通過(guò)性能試驗(yàn)；T5線用于極限坡道的運(yùn)行試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)線網(wǎng)總長(zhǎng)28km。

該試驗(yàn)中心可進(jìn)行所有供電系統(tǒng)的試驗(yàn)。

包括地鐵的三軌供電以及英國(guó)市場(chǎng)的車(chē)輛。圖10是試驗(yàn)場(chǎng)的軌道與架線設(shè)施。對(duì)于系統(tǒng)變化、分相點(diǎn)、電壓突變、短時(shí)斷電以及電網(wǎng)末端等狀況均可模擬。

用于T2環(huán)形試驗(yàn)線的所有道岔與線路閉鎖裝置及路線安排都可通過(guò)中央調(diào)度室進(jìn)行控制。在安全與信號(hào)技術(shù)范圍內(nèi)，試驗(yàn)中心裝備了列車(chē)自動(dòng)控制與通信系統(tǒng)。

2.3.輛機(jī)械部分試驗(yàn)

試驗(yàn)中心可進(jìn)行的機(jī)械部分試驗(yàn)包括車(chē)輛外形尺寸檢查、運(yùn)行技術(shù)狀況研究、惰行試驗(yàn)、坡度系統(tǒng)與擺動(dòng)極的檢測(cè)，空氣制動(dòng)試驗(yàn)、負(fù)載與裝車(chē)狀態(tài)測(cè)量、空氣噪聲與車(chē)體噪聲測(cè)量、采暖狀態(tài)測(cè)量，照明與通風(fēng)系統(tǒng)檢測(cè)等(圖11正在測(cè)試中的機(jī)車(chē))。

在完成一系列的檢測(cè)后，可進(jìn)行牽引運(yùn)行試驗(yàn)，包括按照UIC544的制動(dòng)功率試驗(yàn)、自振頻率檢測(cè)、振動(dòng)技術(shù)研究，運(yùn)行特性，運(yùn)行安全性，機(jī)械負(fù)載試驗(yàn)，連續(xù)熱試驗(yàn)(對(duì)電氣與機(jī)械部件)，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)以及車(chē)內(nèi)與車(chē)外噪聲水平測(cè)量。

2.4.氣系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)中心在另外的試驗(yàn)設(shè)施上對(duì)車(chē)輛電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)與輔助電源測(cè)試。檢測(cè)安全、信息與診斷系統(tǒng)，測(cè)量采暖與空調(diào)系統(tǒng)，接地試驗(yàn)與保護(hù)措施以及輔助作業(yè)。

在牽引運(yùn)行中對(duì)車(chē)輛電氣部分的試驗(yàn)包括功率與牽引動(dòng)力，牽引與電制動(dòng)。進(jìn)行有關(guān)電網(wǎng)反作用、直流回路、噪聲與無(wú)線電干擾的測(cè)量，檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程與變化過(guò)程如電壓中斷與電壓突變。在系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)要驗(yàn)證車(chē)輛與牽引供電系統(tǒng)的相互作用以及車(chē)輛與操縱及安全技術(shù)的相互作用。另外，試驗(yàn)中心還可滿(mǎn)足歐洲標(biāo)準(zhǔn)化的列

車(chē)作用系統(tǒng)與歐洲鐵路控制系統(tǒng)的試驗(yàn)要求。

3.巴迪公司包岑工F的車(chē)輛試驗(yàn)設(shè)施

龐巴迪公司在德國(guó)薩克森州中部的包岑工廠主要制造有軌電車(chē)與輕軌車(chē)輛。2006年承接了法蘭克福交通公司146輛輕軌車(chē)(25m長(zhǎng))的訂單，交貨期從2008年至2015年。由于檢試驗(yàn)要求多，包岑工廠的試驗(yàn)設(shè)施必須增加，如要求滿(mǎn)足動(dòng)力制動(dòng)與連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)以及兩輛車(chē)或4輛車(chē)連掛運(yùn)行試驗(yàn)。為此，在2006年建成了800m長(zhǎng)的試驗(yàn)線，有1000mm與1435mm軌距的試驗(yàn)中心。整個(gè)試驗(yàn)線路均裝有架線，可提供DC600V，DC750V或DCl500V的供電電壓。在試驗(yàn)線末端回轉(zhuǎn)線的前面有50m長(zhǎng)的50‰的坡道線，約有1/4的線路為半徑90m的曲線(圖12)。鐵路設(shè)施適于12t的軸重與70km/h的最高速度。在2007年補(bǔ)建了一條外部設(shè)施的鐵路可以進(jìn)行偷敦輕軌車(chē)項(xiàng)目的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)。

在試驗(yàn)線路終點(diǎn)建有40m長(zhǎng)的回轉(zhuǎn)臺(tái)，可承重67t(圖12的7)，該回轉(zhuǎn)臺(tái)可用于單向運(yùn)行車(chē)輛的轉(zhuǎn)向以及使車(chē)輛停放在兩個(gè)相連的工作軌道上。

2008年在包岑工廠北區(qū)又建了850m長(zhǎng)的試驗(yàn)線，使試驗(yàn)設(shè)施更加完善并擴(kuò)大了試驗(yàn)?zāi)芰?，從型式試?yàn)至運(yùn)行試驗(yàn)均可進(jìn)行。

試驗(yàn)中心可進(jìn)行以下試驗(yàn)項(xiàng)目：

牽引與制動(dòng)試驗(yàn)，多機(jī)牽引與拖車(chē)作業(yè)；

電氣系統(tǒng)部件的各種型式與系列試驗(yàn)，如車(chē)門(mén)、采暖、空調(diào)、通風(fēng)、乘客信息以及運(yùn)行性能研究等。

主要的技術(shù)裝備有：

(1)供電設(shè)備

變電所位于試驗(yàn)車(chē)間，裝有變壓器(圖14)，額定功率2MVA，由工廠自身的10KV線網(wǎng)供電。其可調(diào)電壓的輸出端，對(duì)600V額定電壓為528V，對(duì)750V額定電壓為610V。為此，空載直流電壓分別為713V與824V。按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50163的規(guī)定，該空載電壓值與最高連續(xù)電壓的限制值相近。這樣，在架線中的損耗最小。該變壓器用六脈沖半導(dǎo)體整流器，空氣冷卻、電流為2410A，在負(fù)載等級(jí)為Ⅵ級(jí)時(shí)，額定電流相應(yīng)為1610A。

直流電壓接通設(shè)備裝在試驗(yàn)車(chē)間(圖15)，其組成為：整流器單元、線路與回饋線、保護(hù)與控制設(shè)備、測(cè)量與顯示設(shè)備。

架線為Risl20型簡(jiǎn)單懸掛架線，有100m長(zhǎng)的架線可接成無(wú)電壓或連接成回線，這樣可進(jìn)行車(chē)輛無(wú)架線供電試驗(yàn)。

儲(chǔ)能器(圖16)用于接收制動(dòng)能量與敷平尖峰負(fù)荷并用于無(wú)架線供電運(yùn)行的研究。該裝置的外形尺寸為3300×2100×2700(長(zhǎng)×寬×高)，質(zhì)量約3t，作為核心的儲(chǔ)能器模塊是由大功率電容器構(gòu)成，與蓄電池和飛輪儲(chǔ)能器相比，其能量密度更高，該模塊共有額定電壓2.5V的電容器1536個(gè)，整個(gè)儲(chǔ)能單元的電容量為60.4F，容量為3KWh。

結(jié)語(yǔ)

如上所述，城軌車(chē)輛的研發(fā)與制造需要大量的試驗(yàn)設(shè)施，國(guó)外已有完善的檢測(cè)試驗(yàn)中心可滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的各種試驗(yàn)要求。我國(guó)的車(chē)輛檢測(cè)中心功能尚不齊全，尤其難以滿(mǎn)足有軌電車(chē)的特殊要求，為此，在建設(shè)新的制造能力時(shí)應(yīng)予以考慮。

[1] Klima-Wind-Kanal Wien zur Oualitats—sichemng bei Schienenfahrzeugen《ELEKTRIESCHE BAHNEN》2005．H8．

[2] Prufcenter fur Bahnsysteme Wegberg-Wilden—rathbestehtzehnJaher《ELEKTRIESCHEBAHNEN》2006．H12

[3] TestanlagenfurNahverkehrsfahrzeugeinBautzen《ELEKTRIESCHEBAHNEN》2008．H7

[4] Entwicklun～derNieder-undMittelflur-Strassen—undStadtbahnen《Stadtverkehr》2010．H1—2

Testing Facilities for Mass Transit Vehicle

After completion of mass transit vehicle manufacture, it's essential to carry out type test and routine test according to IEC 61133. This article introduces some foreign testing facilities for implementation of those tests, including Vienna Vehicle Environmental Testing Center, Siemens Testing Center for Traction System and Vehicle Testing Facilities in Bautzen Plant of Bombardier.

mass transit vehicle；testing facilities；environmental test；system test

池耀田，男，高級(jí)工程師，從事城軌車(chē)輛的研究。