直線電機驅(qū)動地鐵車輛運行阻力試驗研究①

袁修法， 林建輝

(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

0 引言

直線電機驅(qū)動地鐵車輛采用直線感應(yīng)電機牽引，技術(shù)先進、安全可靠、綠色環(huán)保，具有良好的經(jīng)濟效益，為城市軌道交通在特定線路條件下提供一種新選擇[1，2].列車運行阻力直接影響列車運行速度與列車質(zhì)量的優(yōu)化，并與列車能耗密切相關(guān)，此外，列車運行阻力還是選擇配置牽引動力的基本參數(shù)[3]，因此，合理的確定出列車運行阻力顯得十分必要.本文根據(jù)直線電機驅(qū)動地鐵車輛在廣州5號線上進行的運行阻力試驗結(jié)果，確定出直線電機驅(qū)動地鐵車輛單位運行基本阻力計算公式，并與傳統(tǒng)地鐵車輛進行比較，確定出其具有更好的運行阻力特性.

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗條件

試驗列車為六編組形式，試驗時列車載荷AW2狀態(tài)，試驗速度范圍為0～80km/h，同時應(yīng)保證軌面粘著條件良好[4].

在業(yè)主線路選取YDK9+100～YDK8+600區(qū)間段作為試驗區(qū)段，該線路為直線上坡區(qū)段，其中YDK9+100～YDK8+800坡度為 4.935‰，YDK8+800～YDK8+600坡度為6‰.

1.2 試驗程序

(1)因為試驗區(qū)段為直線上坡區(qū)段，所以在試驗結(jié)果計算時需要將坡道阻力減去，試驗進行時皆選取上坡.在試驗區(qū)段外，司機將司機手柄移至全牽引位置，將列車加速至75km/h;

(2)保持75 km/h恒速運行，在列車進入試驗區(qū)段瞬間(即列車到達如圖1所示位置A時)，司機立即將手柄推至惰行位，列車開始惰行并記錄數(shù)據(jù);

(3)在列車惰行出試驗區(qū)段瞬間，記錄此時列車的速度值V1，并停止記錄數(shù)據(jù);

(4)列車駛出試驗區(qū)段后施加常用制動減速停車;

圖1 列車運行阻力試驗示意圖

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

(5)換司機室，司機將列車開回試驗點A前足夠距離，然后再換司機室按圖1方向?qū)⒘熊嚰铀僦了俣戎礦1+5;

(6)保持恒速V1+5運行，然后按照第2到5步重復(fù)執(zhí)行，直至列車在試驗區(qū)段內(nèi)速度惰行至0km/h;

1.3 試驗數(shù)據(jù)采集

列車速度信號及列車牽引制動信號從M1車的低壓分線箱采集，經(jīng)信號調(diào)理器，輸出范圍為－10V～+10V的對應(yīng)模擬電壓信號，再經(jīng)NI數(shù)據(jù)采集器采集并輸入到PC機進行記錄和保存，如圖2所示.

NI數(shù)據(jù)采集器的型號為NI－6255，可采集±100mV到±10V范圍內(nèi)的16位模擬信號，最高速度可達1.25MS/s，可同時支持80路模擬輸入，測試精度為0.1%.

PC機上采用與數(shù)據(jù)采集器配套的軟件DASYLab編輯程序進行數(shù)據(jù)的分析處理與記錄保存.DASYLab采用圖形化編輯語言G編寫程序，能方便快捷的編輯出用戶程序.

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)惰行中記錄的列車速度信號數(shù)據(jù)計算列車的阻力公式，繪制v－ω單位運行基本阻力曲線.

試驗列車單位運行基本阻力求取公式[5]:

式中:γ 為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，取0.1;ωi，ωr分別為單位坡道附加阻力和單位曲線附加阻力;為坡道坡度，上坡取正值，下坡取負值;R為曲線半徑.

由列車速度信號計算速度變化率Δv/Δt，部分結(jié)果記錄如表1所示.

2 試驗結(jié)果分析

表1 速度信號處理結(jié)果

根據(jù)確認的3個參數(shù) γ，ωi，ωr，由上表試驗數(shù)據(jù)確定出各點速度v對應(yīng)的ω0i值，并用最小二乘法回歸各點ω0i擬合出試驗列車單位運行基本阻力曲線，并與得到的數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示.

因此得出，直線電機驅(qū)動地鐵車輛運行時單位基本阻力計算公式為:

2.2 試驗結(jié)果置信度分析

本文不再討論由于回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)γ預(yù)置0.1所產(chǎn)生的誤差，本文所述試驗方法所產(chǎn)生的誤差主要來源于數(shù)據(jù)處理中采用最小二乘法回歸擬合曲線.最小二乘法理論已經(jīng)非常成熟，一般用值R2表示擬合結(jié)果的置信度[6].

根據(jù)上式，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，求得所擬合曲線的R2值為 0.98597.

2.3 試驗結(jié)果比對

為了確定出直線電機驅(qū)動地鐵車輛運行時單位基本阻力的特點，將其與傳統(tǒng)地鐵車輛的運行阻力試驗結(jié)果進行對比.

下面給出在杭州地鐵1號線車輛進行的運行阻力試驗結(jié)果，如圖4所示.杭州地鐵1號線車輛采用的是旋轉(zhuǎn)式交流電機牽引驅(qū)動的B型車[7].試驗列車為四編組，AW0載荷狀態(tài)，試驗在坡度4‰，曲線半徑1800m的上坡段進行.

圖3 直線電機驅(qū)動地鐵車輛單位運行基本阻力曲線

圖4 旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動地鐵車輛單位運行基本阻力曲線

圖5 兩類地鐵車輛單位運行基本阻力曲線比較

對應(yīng)的列車單位運行基本阻力計算公式為:ω0=0.7377+0.01393v+0.0008599v2(4)對比兩種類型地鐵車輛的單位運行基本阻力曲線，如圖5所示.

將對應(yīng)速度點的單位運行基本阻力進行對比，數(shù)值如表2所示.

表2 兩類地鐵車輛單位運行基本阻力數(shù)值對比

由此可見，直線電機地鐵車輛與采用旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的地鐵車輛在低速時的運行阻力基本相當(dāng)，但在列車運行速度增大時，直線電機地鐵車輛具有相對小的運行阻力，而且隨著速度的增大，阻力差距越大.

3 結(jié)論

(1)通過本文所述試驗方法，可以較準確的得出直線電機驅(qū)動地鐵車輛單位運行基本阻力計算公式，由于數(shù)據(jù)處理方法引入的誤差在可控的范圍內(nèi).

(2)采用直線電機驅(qū)動的地鐵車輛相對于傳統(tǒng)地鐵車輛在較高速度運行時具有更小的單位運行基本阻力，主要原因在于其沒有機械傳動機構(gòu)，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)緊湊，輪對直徑減小，車廂地板高度降低，車輛橫斷面積大大減小，具有更小氣動阻力.

[1]馮雅薇，魏慶朝，孔令洋.直線電機地鐵系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析研究[J].都市快軌交通，2005，18(2):25－28.

[2]劉友梅，楊穎.城軌交通的一種新模式——直線電機驅(qū)動地鐵車輛[J].電力機車與城軌車輛，2003，26(4):4－7.

[3]黃問盈，楊寧清，黃民.列車基本阻力的思考[J].中國鐵道科學(xué)，2000，21(3):44－57.

[4]2006 I E C.鐵路設(shè)施鐵路車輛車輛組裝后和運行前的整車試驗[S][D].

[5]1998 T B T.列車牽引計算規(guī)程[S].1998.

[6]鄭雪洋.動車組牽引性能試驗方法的探討[J].鐵道機車車輛，2002，3:40－42.

[7]謝振國.杭州地鐵1號線車輛編組的探討[J].機車電傳動，2004，3:013.