8輛編組跨座式單軌車故障及救援模式優(yōu)化設(shè)計及驗證

吳晶 薛浩飛

摘 要：8編組單軌車輛的運營最大的困難在于列車的救援?，F(xiàn)有的8編組單軌車輛的車體強(qiáng)度設(shè)計為350kN，經(jīng)理論計算，兩列8編組單軌車在進(jìn)行縱向救援連掛時車鉤及車體承受的強(qiáng)度已超出最大設(shè)計值，因此縱向救援連掛成為制約8編組單軌車輛應(yīng)用的難題。就此問題，本文從降低啟動時的沖擊強(qiáng)度的角度著手，通過高加速的調(diào)整，坡起聯(lián)動的施加以及主回路的改進(jìn)等措施，最終將此問題解決。

關(guān)鍵詞：8編組；單軌車；故障及救援

1 前言

作為世界上首例8編組跨座式單軌車，重慶三號線增購車項目自項目立項開始就面臨諸多難題，其中一個主要焦點問題就是該車在故障及救援模式下的運行能力。本項目經(jīng)過一系列的設(shè)計、試驗等方面的工作，降低了發(fā)生救援的機(jī)率，提高了車輛在故障及救援模式下的運行能力，增強(qiáng)了車輛的可用性。

2 8編組單軌車介紹

2.1 編組型式

跨座式單軌車每兩輛車為一個牽引單元，8編組單軌車是在原6輛編組單軌車基礎(chǔ)上增加一個牽引單元，擴(kuò)編之后全車由4個相互獨立的牽引單元組成；每個單元包括完整的牽引傳動及輔助電源系統(tǒng)。8編組跨座式單軌車車輛編組型式如圖1所示。

列車由8輛車組成，每輛均為動車，每列車動力轉(zhuǎn)向架占轉(zhuǎn)向架總數(shù)的3/4。

編組方式為：

×Mc1+M2+M4+M5+M7+M6+M3+Mc2×

Mc1和M2，Mc2和M3，M4和M5，M6和M7各為一動力單元；列車分成兩個大單元，即笫1大單元（×Mc1+M2+M4+M5+）和笫2大單元（+M7+M6+M3+Mc2×）。

其中：

Mc1/Mc2 帶司機(jī)室動車（帶有1個非動力轉(zhuǎn)向架及1個動力轉(zhuǎn)向架）；

M2/M3/M4/M6 動車（帶有2個動力轉(zhuǎn)向架）；

M5/M7 不帶司機(jī)室的動車（帶有1個動力轉(zhuǎn)向架和一個非動力轉(zhuǎn)向架）。

2.2 車輛性能

8編組車輛主要性能如下：

（1）列車牽引性能

AW3負(fù)載、在干燥、清潔的平直軌道和額定電壓下列車速度從5km/h達(dá)到30km/h的平均加速度不低于0.833m/s2。

（2）牽引粘著系數(shù)計算值：不大于0.18（非常運行時可達(dá)0.32）。

（3）列車制動特性

AW3負(fù)載、在干燥、清潔的平直軌道和額定電壓下，最大常用制動減速度：≥1.1m/s2；緊急制動減速度：≥1.25m/s2。

（4）車體靜態(tài)壓縮試驗載荷 350kN。

2.3 車輛故障及救援要求

（1）在坡度為50‰的上坡道上（坡長不超過500m），一列處于超員（AW3）狀態(tài)下的并且切除了1/2動力的列車（允許采用高加速控制），可載客運行至就近的車站疏散旅客，退出運營。

（2）在坡度為50‰的坡道上（坡長不超過500m），一列空載（AW0）并且健全的列車能夠牽引或推進(jìn)一列由相同數(shù)量車輛編組的處于超員（AW3）狀態(tài)下的失去動力的列車上坡（可采用高加速控制），并運行至就近的車站疏散乘客，退出運營。

3 故障及救援能力驗證

3.1 理論驗證

通過牽引計算，校核牽引系統(tǒng)自身故障及運行能力。

故障及救援能力計算：

（1）正常工況牽引力設(shè)定

在接觸網(wǎng)壓DC1500V條件下，不同載荷下列車恒轉(zhuǎn)矩區(qū)牽引力設(shè)定如下：

AW0：236.90kN（9.97kN/電機(jī)）；

AW2：313.58kN（13.1kN/電機(jī)）；

AW0：342.99kN（14.3kN/電機(jī)）。

（2）故障運行能力

按照車輛故障運行能力要求，考核損失1/2動力的情況下，AW3載荷車輛在線路最大坡道的啟動能力。

根據(jù)前面設(shè)定，正常模式、AW3工況下，啟動階段（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）全車牽引力為342.99kN，此時車輛啟動加速度為-0.11m/s2，列車無法正常起動，即列車按照正常AW3工況牽引力輸出不能保證此故障情況下的車輛運行。

為保證列車在此故障下能正常起動，引入高加速控制，此時取每臺電機(jī)最大起動牽引力為21.67kN，全車牽引力為520kN，計算列車啟動加速度為0.1391m/s?，滿足車輛坡道啟動要求。

（3）救援能力

按照車輛運行能力要求，救援能力考察在坡度為50‰的坡道上，一列空載（AW0）并且健全的列車能夠牽引或推進(jìn)一列由相同數(shù)量車輛編組的處于超員（AW3）狀態(tài)下的失去動力的列車上坡。

正常模式、AW0工況下，啟動階段（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）全車牽引力為236.9kN，此時車輛啟動加速度為-0.194m/s2，列車無法正常起動，即列車按照正常AW0工況牽引力輸出不能保證此故障情況下的車輛運行。

在8編組空車AW0救援8編組超載列車AW3的情況下，最終高加速的時間既要滿足不溜車也要滿足降低沖擊強(qiáng)度的要求此時取每臺電機(jī)最大起動輪緣牽引力為16.7kN，計算列車啟動加速度為0.0833m/s?，滿足車輛坡道啟動要求。

3.2 試驗驗證

重慶三號線8編組通過一系列的救援試驗，對車輛的故障救援運行能力進(jìn)行了驗證，并解決了前期牽引計算中的問題。

3.2.1 坡道停車問題

為防止坡道溜車，跨座式單軌車輛設(shè)置坡起按鈕。坡道起步時，激活該按鈕，制動系統(tǒng)自動為車輛施加制動4級空氣制動，該制動力設(shè)置為保證本列車可在線路最大坡道停放不遛車。當(dāng)進(jìn)入牽引模式時，坡起功能中的延時繼電器被激活，到達(dá)設(shè)定時間后，坡起功能（制動力）自動撤銷。

為保證救援功能順利實現(xiàn)，將坡起功能進(jìn)行擴(kuò)展，坡起按鈕信號通過救援車與故障車之間的車端鏈接線纜進(jìn)行傳遞，保證兩列車的坡起功能同時激活，各自施加保證自身不遛車的制動力。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證，改造后的車輛坡起功能正常，連掛列車可在正線最大坡道平穩(wěn)停放，為救援功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

3.2.2 啟動過程中車輛縱向擺動過大問題

因跨座式單軌車輛采用橡膠輪胎，車輛的彈性緩沖相對較大，在進(jìn)行救援連掛推進(jìn)啟動的過程中車輛的晃動較大，為解決該問題，利用專用列車縱向動力學(xué)計算軟件，按照列車縱向動力學(xué)理論，將整列車視為若干單自由度（縱向）質(zhì)點，通過對質(zhì)點系運動微分方程組的逐步求解計算整個碰撞過程各個車位的加速度、車鉤力、速度歷程曲線，研究不同工況下車輛的受力情況。車輛動力學(xué)模型示意如圖2所示：

結(jié)合對車輛每個結(jié)合面的動力學(xué)分析，同時通過試驗驗證，當(dāng)救援列車單臺電機(jī)牽引力設(shè)定為16.7kN（高加速模式）、牽引力上升時間設(shè)定為4s時，在滿足車輛救援需求的情況下，對車輛每個接觸面的沖擊能夠達(dá)到最小。同時結(jié)合實車試驗情況，建議優(yōu)先采用救援車牽引故障車的救援操作方式。

4 降低救援概率的優(yōu)化措施

考慮到發(fā)生救援后對于整個線路運營的影響，需盡可能提高車輛的故障運行能力，使車輛自身具備”自救”能力，最大程度降低車輛發(fā)生縱向連掛救援的概率。

為實現(xiàn)車輛的“自救”性能，提出了車輛高壓母線分?jǐn)嗉笆茈姽毩⒖刂品桨浮＜磳⒘熊嘍C1500V高壓母線及AC380V母線在前后兩個大單元（4輛車）間進(jìn)行分?jǐn)?，全車形成兩個大的供電單元，兩個單元的受電弓可獨立進(jìn)行控制。該項改進(jìn)類似于4輛編組和4輛編組進(jìn)行連掛重聯(lián)運行。

按照上述方式改造后，當(dāng)車輛發(fā)生母線接地故障無法復(fù)位后，司機(jī)可通過操作控制柜內(nèi)的“受電弓升弓選擇開關(guān)”，選擇升1弓（對應(yīng)前半列車）或升2弓（對應(yīng)后半列車），切除故障的一個大單元，然后用剩余大動力單元（全列車1/2動力）牽引運行至就近車站清客，退出運營。此時原設(shè)計中可能需要救援的工況，轉(zhuǎn)化為車輛故障運行工況，實現(xiàn)了自救，最大程度的降低了車輛救援發(fā)生的概率。

通過試驗驗證，在三號線最大坡度約50‰的線路上，可通過上述操作方式實現(xiàn)車輛故障運行。

5 結(jié)論和建議

通過各種坡道及各種工況下的救援分析，以及現(xiàn)場反復(fù)對比試驗，在滿足連掛車輛坡起功能正常施加的情況下，以上牽引力的設(shè)定可滿足車輛救援和自救需求。

為實現(xiàn)正常運營中的救援任務(wù)同時保證救援中對車輛相關(guān)部件的沖擊降到最小，建議：

（1）建議以50‰設(shè)置高加速模式牽引力的輸出，滿足車輛救援需求的最小牽引力作為系統(tǒng)高加速模式對應(yīng)的牽引力，這樣既保障了正常救援，同時又降低了對電機(jī)、車輛、車鉤的沖擊。

（2）為進(jìn)一步降低對車輛和相關(guān)受力部件的沖擊，高加速中，將牽引力從0增長到最大的時間適當(dāng)延長，救援工況設(shè)定為4s、自救工況設(shè)定為2s。

（3）改進(jìn)各車輛的坡起聯(lián)動功能，在坡道上進(jìn)行縱向連掛救援時兩列車的制動同時施加和緩解，降低沖擊。

（4）考慮到單軌車輛的橡膠充氣輪胎以及空氣彈簧的緩沖影響，在坡道上為避免連掛后啟動時的相對晃動，在坡道上進(jìn)行8編組的連掛救援時宜采用：牽拉方式，盡量避免推進(jìn)。

同時對于后續(xù)的研發(fā)推廣的跨座式單軌車輛如何在保留單軌車輛的輕量化水平的基礎(chǔ)上提高車輛車體的靜強(qiáng)度載荷也是需要進(jìn)一步研究和解決的問題。

參考文獻(xiàn)

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[2]吳新安，吳晶，孫國斌.跨座式單軌車國產(chǎn)化牽引系統(tǒng)的研制[J].鐵道車輛，2012， 50（12）：33-35.

作者單位：（1.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司；2.中車青島四方車輛研究所有限公司）