CRH6城際動車組的牽引系統(tǒng)研究

曾要爭 黃文杰

（中國南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動車設(shè)計部，210031，南京∥第一作者，工程師）

城際列車一般指城市群內(nèi)開行的多班次趨向公交化的中小編組短途旅客列車，沿途停靠各鄉(xiāng)鎮(zhèn)車站。城際列車的運輸組織模式是“高密度、大容量、小編組、公交化”。城際列車與城市軌道交通的地鐵、輕軌列車一樣，需要有較大的起動加速度和減速度，來滿足頻繁的起停要求。但其最大的不同點在于：城際列車運輸距離較長，站間距更大，運營速度更快。

CRH6型城際動車組是依托和諧號動車組技術(shù)平臺，基于珠三角地區(qū)的城際狀況，為適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展和城市群崛起對城際快速軌道交通工具的需要而研制的。其具有快起快停、快速乘降、大載客量等技術(shù)特點。根據(jù)運營情況的需要，分為站站停使用的時速160 km城際動車組（以下簡為CRH6－160）和大站停使用的時速200 km城際動車組（以下簡為CRH6－200）。

CRH6－160運行于100 km內(nèi)的城市之間，以建立1 h經(jīng)濟圈，滿足站站停的要求；CRH6－200運行于距離在500 km內(nèi)的城市之間，連接較大城市，實現(xiàn)這些城市間乘客的快速出行，實現(xiàn)大站?？康囊蟆?/p>

本文結(jié)合該項目研制過程中對牽引系統(tǒng)設(shè)計所作的相關(guān)研究，闡述CRH6城際動車組的牽引性能設(shè)計。

1 牽引系統(tǒng)關(guān)鍵要素

牽引系統(tǒng)的設(shè)計需要實現(xiàn)三大技術(shù)指標(biāo)：平均旅行速度，最大運營速度，加速性能。

1.1 平均旅行速度

平均旅行速度與平均旅行時間成反比。其直接關(guān)系到線路建成后，能否滿足線路規(guī)劃的初衷，且對列車調(diào)度和運營有直接的影響。城際列車的設(shè)計是為了實現(xiàn)珠三角地區(qū)城市之間1h經(jīng)濟圈的構(gòu)建，如果平均旅行速度太小，必然無法實現(xiàn)此目標(biāo)；但是平均旅行速度也不能太大，雖然可能在時間指標(biāo)上滿足甚至優(yōu)于1h的目標(biāo)，但會使線路建設(shè)配套成本加大，車輛配置的價格也更高，顯然不符合經(jīng)濟適用的設(shè)計原則。因此，平均旅行速度的選取既要滿足頂層技術(shù)目標(biāo)，又要經(jīng)濟合理。

1.2 最高運營速度

最高運營速度要結(jié)合實際的線路情況來合理選取，需充分考慮線路的站間距、曲線半徑及坡度等。

1.3 列車加速性能

列車加速性能的兩個關(guān)鍵指標(biāo)為起動加速度和剩余加速度。

起動加速度是衡量列車起動能力大小的指標(biāo)。一般來說對于站間距較短的列車更具有現(xiàn)實意義。由于站間距較小，因此要求列車有快速起停的能力，為保證列車有更多的時間運行在高速區(qū)域，才能有效提高旅行速度。

剩余加速度是衡量列車加速裕度的指標(biāo)，是在逆風(fēng)、坡道等情況下仍可保持正常運行的一種能力，也是進行列車構(gòu)造速度試驗的基本條件。但對列車正常運營需求分析的影響不大。

CRH6型城際列車運行于主城市及周圍的次級城市之間，既要滿足乘客在不同城市之間短時通行，又要實現(xiàn)在沿途站點的快速起停。前者要求列車的運營速度和平均旅行速度要高，則列車牽引系統(tǒng)的功率要大；后者要求有較高的起動加速度和制動減速度，則牽引電機要有較大的扭矩。為了實現(xiàn)車輛成本的最優(yōu)化和能源的有效利用，一般不會同時實現(xiàn)運營速度高和有較大起動加速度這兩個要求。因此，在長大站間距運行時，起動加速度對運營的影響較小，而最高運營速度及平均旅行速度直接影響了運營模式；在短的站間距運營時，列車很難達到或難以長時間維持高速運行，因此不需要高的運營速度，而大的起動加速度和減速度反而更為重要。

為此，設(shè)計了CRH6－160型和CRH6－200型兩種速度的動車組配置。CRH6－200型動車組的運營速度和旅行速度高，運行模式是長時工作制，大站停車，能發(fā)揮列車大牽引功率的優(yōu)點；而CRH6－160起動加速度大，為站站停的短時工作制模式，發(fā)揮了大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢。

2 CRH6型動車組牽引系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)分析

CRH6－200型動車組在和諧號200km／h動車組的基礎(chǔ)上優(yōu)化了牽引性能，采用4動4拖編組形式，2動2拖為一個動力單元，每個動力單元設(shè)1臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、8臺牽引電機，采用車控模式。CRH6－160型在CRH6－200型基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化了性能配置，采用架控模式。在確定了牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，需要對牽引系統(tǒng)各主要技術(shù)參數(shù)進行分析和確定。

2.1 動車組的牽引力

已知所需的牽引加速性能，可得出對應(yīng)的起動牽引力

式中：

M——動車組質(zhì)量，t；

β——慣性系數(shù)；

a——加速度，m／s2；

ω0——動車組運行單位基本阻力，N／t。

2.2 牽引電機主要參數(shù)的確定

2.2.1 起動轉(zhuǎn)矩T

確定了F后，可由式（2）計算出牽引電機的起動轉(zhuǎn)矩

式中：

N——齒輪傳動比；

η——齒輪箱效率；

D——車輪直徑，m。

由式（2）可知，電機的起動轉(zhuǎn)矩與動車組牽引力、齒輪傳動比、輪徑三者有關(guān)。

2.2.2 牽引電機的轉(zhuǎn)速n

式中：

v——動車組速度，m／s；

n——電機轉(zhuǎn)速，r／min。

由式（3）可知，動車組速度與電機轉(zhuǎn)速、齒輪傳動比、車輪直徑三者有關(guān)。

已知動車組的最大運營速度，在最大磨耗輪徑時，可以計算出對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速，考慮一定的余量后，可得所需的電機最大轉(zhuǎn)速，并用來驗證新輪的試驗速度。而列車的平均旅行速度可以作為電機額定轉(zhuǎn)速設(shè)計的參考。

由上述可知，傳動比對電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的選擇有影響，需要電機供應(yīng)商、齒輪箱供應(yīng)商和整車（含轉(zhuǎn)向架）廠商等共同商討確定傳動比。

2.2.3 電機功率P

動車組輪周牽引總功率主要與動車組運行最高速度、動車組質(zhì)量、最高速度時的列車運行阻力和剩余加速度、齒輪傳動效率、牽引電機效率等有關(guān)。

式中：

Pk——動車組輪周牽引總功率，kW；

Δa——剩余加速度，m／s2；

Δv——逆風(fēng)速度，km／h；

vmax——動車組最高運行速度，km／h；

ηM——牽引電機效率；

Fvmax——最高速度時動車的輪周牽引力，N。

牽引電機的功率為動車組總功率除以動車組電機的總臺數(shù)Nm，即P＝Pk／（Nmη）。

2.3 牽引系統(tǒng)的容量匹配

牽引傳動系統(tǒng)中牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機的容量計算是非常重要的設(shè)計依據(jù)。首先應(yīng)根據(jù)動車組的牽引特性、再生制動特性的最大值求出Pk，根據(jù)牽引傳動系統(tǒng)中各部件的效率、功率因數(shù)等，按牽引電機→牽引變流器→牽引變壓器的順序求得每個部件的最大功率。

3 CRH6型動車組牽引設(shè)備選型

通過對以上參數(shù)關(guān)系的分析比較和論證，確定CRH6型動車組牽引系統(tǒng)的設(shè)備選型。CRH6－200型動車組牽引系統(tǒng)采用車控方式，每臺電機最大輸出功率為345kW，牽引系統(tǒng)主電路如圖1所示。

圖1 CRH6－200型動車組牽引系統(tǒng)主電路簡圖

CRH6－160型動車組采用架控方式，每臺電機額定輸出功率為250kW、最大功率為322kW，牽引系統(tǒng)主電路如圖2所示。

圖2 CRH6－160型動車組牽引系統(tǒng)主電路簡圖

經(jīng)初步分析計算的牽引性能指標(biāo)比較見表1。

表1 牽引性能指標(biāo)比較

根據(jù)動車組質(zhì)量、阻力公式、傳動裝置效率、牽引性能指標(biāo)要求及牽引系統(tǒng)各參數(shù)間函數(shù)關(guān)系的分析，并結(jié)合實際設(shè)備的綜合參數(shù)，可以初步確定牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)見表2所示。

表2 牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)

4 驗證分析

在確定了表2的參數(shù)后，可以初步選擇牽引設(shè)備的型號和特定參數(shù)。要最終判斷所選設(shè)備是否滿足要求，還需要進行仿真計算和試驗驗證?？己说年P(guān)鍵因素有兩個：一個是牽引特性結(jié)果和線路仿真的平均旅行速度均須滿足相關(guān)指標(biāo)要求；另一個是在各種要求的工況運行時，各牽引設(shè)備的溫升不能超過其限值。

4.1 牽引特性校驗

根據(jù)所選的牽引設(shè)備參數(shù)和牽引單元配置，進行牽引特性仿真計算；將仿真計算結(jié)果與牽引性能指標(biāo)要求進行對比分析，并進行必要的修正直至完全滿足牽引需求，最終設(shè)計出動車組的牽引／制動特性曲線。

通過對牽引系統(tǒng)特性的計算和反復(fù)修正與驗證，得到CRH6－200型動車組和CRH6－160型動車組的仿真牽引特性，如圖3和圖4所示。

圖3 CRH6－200型動車組仿真牽引性能曲線

圖4 CRH6－160型動車組仿真牽引性能曲線

由圖3和圖4的牽引力性能曲線及列車重量，可以計算出CRH6－200型動車組加速度為0.651m／s2，CRH6－160型動車組的加速度為0.810m／s2。計算結(jié)果表明：正常工況時加速度性能滿足要求；25%動力損失時，在平直道可以達到最高運行速度，在30‰坡道上可以起動，并在恒功區(qū)達到平衡；救援工況下，1列空車在30‰坡道上可以救援1列重車。

4.2 運行仿真計算

根據(jù)仿真計算出的牽引特性，針對相應(yīng)的線路進行列車運行模擬仿真，得到運行區(qū)段的列車速度－距離曲線、運行時分曲線、加速度／減速度曲線、能耗曲線、牽引力曲線、坡道最高運行速度、不同線路坡度的加速距離和制動距離、故障模擬運行結(jié)果等牽引計算要求的所有參數(shù)與曲線。根據(jù)線路數(shù)據(jù)進行了模擬運行仿真計算（見圖5），結(jié)果表明列車的平均旅行速度能滿足指標(biāo)要求。

圖5 CRH6－160型動車組模擬仿真運行

在坡道故障起動、坡道救援等絕端工況下，需要對牽引電機、變流器和變壓器進行仿真計算，從而考核牽引系統(tǒng)設(shè)備溫升熱容量是否達到其限值。仿真結(jié)果見圖6、圖7所示，都能滿足要求。

圖6 變壓器熱態(tài)工況溫升仿真

圖7 牽引電機最惡劣工況下的溫升仿真

4.3 試驗驗證

最終的設(shè)計研究結(jié)果需用試驗來作驗證，應(yīng)進行各部件試驗、牽引聯(lián)調(diào)、牽引制動地面試驗、裝車試驗等一系列試驗來驗證設(shè)計的科學(xué)合理性。

牽引電機、變壓器和變流器樣機試制完成后，進行牽引電機、變壓器和變流器型式試驗；然后進行牽引聯(lián)調(diào)、牽引制動地面試驗及整車型式試驗，以驗證牽引系統(tǒng)的輸出特性是否符合牽引特性設(shè)計要求，并對列車旅行速度進行驗證。

5 結(jié)語

本文通過建立動車組牽引系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，分析各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)CRH6型城際動車組的項目特點，針對CRH6－160型動車組站站停和CRH6－200型動車組大站停的運營模式，分析了二者牽引性能的差異，并在理論分析的基礎(chǔ)上初步確定了牽引系統(tǒng)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。

然后根據(jù)所選擇的牽引設(shè)備參數(shù)，進行牽引特性計算和仿真計算，將計算結(jié)果與要求的牽引性能指標(biāo)對比，進行反復(fù)修正與驗證，最終確定牽引系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和特性曲線。另外，在故障和救援工況下，牽引性能也須達到相應(yīng)的指標(biāo)要求。為了進一步驗證所選的設(shè)備是否滿足指標(biāo)要求，還需要對設(shè)備進行型式試驗、聯(lián)調(diào)試驗和整車試驗。

［1］王慶中.長三角一體化趨勢下跨城市的軌道交通發(fā)展研究［J］.城市軌道交通研究，2012（4）：1.

［2］陳世坤.電機設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］胡虔生，胡敏強，杜炎森.電機學(xué)［M］.北京：中國電力出版社，2001.

［4］林文立.地鐵動車牽引傳動系統(tǒng)分析、建模及優(yōu)化［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［5］張中央.列車牽引計算［M］.北京：中國鐵道出版社，2000.

［6］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

［7］TB／T 1407—1998列車牽引計算規(guī)程［S］.

［8］李瑞榮，譚喜堂，許春生.CRHI型動車組牽引系統(tǒng)的仿真研究［J］.城市軌道交通研究，2012（6）：78.