軌道客車(chē)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用*

趙海波 李雪昆 付 麗

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司總體研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

全國(guó)各軌道客車(chē)運(yùn)營(yíng)單位的統(tǒng)計(jì)顯示,在各種運(yùn)營(yíng)成本中，軌道客車(chē)能源消耗的比例超過(guò)50%。因此,在保障軌道客車(chē)正常運(yùn)行的前提下,降低軌道客車(chē)能源消耗的重要性越來(lái)越凸顯。研制綠色節(jié)能型軌道客車(chē)已經(jīng)成為未來(lái)主要技術(shù)研究方向。

本文旨在通過(guò)軌道客車(chē)能耗因素分析，從軌道客車(chē)正向設(shè)計(jì)的角度對(duì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要開(kāi)展的節(jié)能設(shè)計(jì)工作進(jìn)行論述。

1 能耗影響因素分析

軌道客車(chē)能量消耗影響因素分析通常采用現(xiàn)車(chē)試驗(yàn)測(cè)試和軟件仿真分析兩種方法進(jìn)行。文獻(xiàn)[1—3]詳細(xì)分析了軌道客車(chē)能耗影響因素，總結(jié)歸納后得出的具體因素主要有8項(xiàng)。

(1) 線路坡度：在目標(biāo)速度和坡道長(zhǎng)度不變的前提下，能耗隨著坡度的增加而增加。

(2) 曲線半徑：當(dāng)曲線半徑超過(guò)5 000 m時(shí)，其對(duì)能耗的影響可以忽略不計(jì)。

(3) 站間距離：在目標(biāo)速度不變的前提下，能耗隨著站間距里的增加而降低。

(4) 橋梁隧道：如果處于軌道客車(chē)加速階段，橋梁和隧道對(duì)能耗有影響。

(5) 運(yùn)行速度：如果軌道客車(chē)的功率較大，則能耗隨著運(yùn)行速度的增加而增加。

(6) 車(chē)輛質(zhì)量：在目標(biāo)速度不變的前提下，能耗隨著車(chē)輛質(zhì)量的增加而增加。

(7) 車(chē)輛阻力：能耗隨著車(chē)輛阻力增加而快速增加。

(8) 牽引效率：在目標(biāo)速度不變的前提下，能耗隨著牽引傳動(dòng)效率增加而降低。

以上8項(xiàng)影響因素可歸納成軌道客車(chē)內(nèi)部因素和線路、調(diào)度指揮等外部因素兩大類(lèi)。其中：內(nèi)部因素包括車(chē)輛質(zhì)量、車(chē)輛阻力、牽引效率；外部因素包括線路坡度、曲線半徑、站間距離、橋梁隧道、運(yùn)行速度。

針對(duì)軌道客車(chē)內(nèi)部因素，可以通過(guò)優(yōu)化車(chē)輛設(shè)計(jì)、提升車(chē)輛相關(guān)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。針對(duì)線路、調(diào)度指揮等外部因素，可以在線路建設(shè)階段提前做好規(guī)劃，合理布局，降低外界環(huán)境對(duì)能源消耗的影響，或者合理安排車(chē)輛運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)速度和能量消耗的最優(yōu)匹配。本文后續(xù)章節(jié)主要針對(duì)軌道客車(chē)的內(nèi)部因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

車(chē)輛質(zhì)量、車(chē)輛阻力和牽引效率是軌道客車(chē)節(jié)能的內(nèi)部因素。車(chē)輛設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)內(nèi)部因素的車(chē)輛節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)包括車(chē)輛質(zhì)量控制、車(chē)輛阻力控制和牽引效率提升。

2.1 車(chē)輛質(zhì)量控制

根據(jù)動(dòng)能定理可知，車(chē)輛的動(dòng)能與車(chē)輛的物理質(zhì)量成正比，同時(shí)，車(chē)輛的物理質(zhì)量和車(chē)輛克服的滾動(dòng)摩擦力成正比，因此，可以通過(guò)降低車(chē)輛的物理質(zhì)量來(lái)降低軌道客車(chē)的能量消耗。具體的降低方式主要有新型材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1.1 新型材料應(yīng)用

目前，碳纖維、鎂合金、陶鋁纖維等新型復(fù)合材料的發(fā)展非常迅速，其主要特點(diǎn)是與現(xiàn)有材料(鋁合金、不銹鋼等)相比質(zhì)量有顯著的降低，因此，可以通過(guò)對(duì)車(chē)體及車(chē)配設(shè)備所用材料的選用優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降低車(chē)輛質(zhì)量的目的。

(1)車(chē)輛主要子系統(tǒng)質(zhì)量分布。統(tǒng)計(jì)某4輛編組的軌道客車(chē)主要子系統(tǒng)質(zhì)量和所占比重，結(jié)果如表1所示。由表1可知，車(chē)體、內(nèi)裝和設(shè)備占據(jù)了整車(chē)質(zhì)量的50%以上，因此，對(duì)這些子系統(tǒng)開(kāi)展減重研究的效果最為明顯。

(2)車(chē)體減重。車(chē)體的質(zhì)量占總重的31.5%，因此，車(chē)體的減重是所有減重方案中成果最顯著的。碳纖維材料因其高強(qiáng)度、高模量纖維的特點(diǎn)，具有其他金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到國(guó)內(nèi)外大量機(jī)構(gòu)對(duì)其在車(chē)體上的應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)。其中，中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司研發(fā)的碳纖維車(chē)體，利用碳纖維復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、可一體化成型的特點(diǎn)，通過(guò)模具一體成型，能最大限度地實(shí)現(xiàn)部件整合，避免了傳統(tǒng)金屬車(chē)體因焊接變形導(dǎo)致的尺寸、形位偏差，提高車(chē)體尺寸精度和外觀質(zhì)量，在強(qiáng)度不變的情況下，降低了車(chē)體質(zhì)量40%(見(jiàn)圖1)。

表1 車(chē)輛主要子系統(tǒng)質(zhì)量及所占比重

圖1 碳纖維車(chē)體內(nèi)部實(shí)景

(3)內(nèi)裝和設(shè)備減重。內(nèi)裝和設(shè)備占據(jù)車(chē)輛質(zhì)量的19.5%，通過(guò)新型復(fù)合材料應(yīng)用，同樣對(duì)車(chē)輛質(zhì)量控制有著積極的意義。鎂合金作為高強(qiáng)度復(fù)合材料(其密度為鋼的25%～40%)，因其具有良好的傳熱和減振等性能，目前相關(guān)研究工作正在逐步開(kāi)展，現(xiàn)階段可以將其用在扶手、座椅等部件上，質(zhì)量能夠降低30%左右。與其他新型復(fù)合材料的低質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)相比，玄武巖纖維作為一種新型復(fù)合材料(見(jiàn)圖2)，同時(shí)還兼具環(huán)保特性和良好的降噪特性[4]，因此，在座椅面料、墻板、間壁和地板等車(chē)內(nèi)飾件中有很大的應(yīng)用空間。

圖2 玄武巖纖維板

(4)電氣系統(tǒng)減重。電氣系統(tǒng)減重主要包括：優(yōu)化電氣設(shè)備外形尺寸及材質(zhì)；設(shè)備內(nèi)部元器件輕量化設(shè)計(jì)；提高電氣設(shè)備集成化程度(見(jiàn)圖3)；優(yōu)化電氣設(shè)備排布，采用就近原則，合理規(guī)劃布線路徑，減小整車(chē)線纜質(zhì)量。

(5)轉(zhuǎn)向架走行部減重。轉(zhuǎn)向架走行部部件的減重需要考慮走行部的特殊性，一般是通過(guò)對(duì)非承載部件進(jìn)行材質(zhì)更換，來(lái)達(dá)到減重效果。具體減重?cái)?shù)值如表2所示。

2.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

因經(jīng)濟(jì)因素或使用條件等約束而不進(jìn)行更換系統(tǒng)(或部件)材質(zhì)的前提下，可以通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)手段，開(kāi)展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、固有頻率、疲勞強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)等方面的分析，進(jìn)行部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)減重目的。圖4為通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功減重的車(chē)體部件支架結(jié)構(gòu)。

圖3 集成化電氣系統(tǒng)

部件原質(zhì)量?jī)?yōu)化后質(zhì)量牽引梁87.041.0齒輪箱箱體92.054.0軸箱前蓋13.55.0牽引拉桿桿體19.07.0

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的支架結(jié)構(gòu)

2.2 車(chē)輛阻力控制

2.2.1 車(chē)輛阻力分類(lèi)

列車(chē)運(yùn)行阻力主要包括基本阻力和線路附加阻力，具體內(nèi)容如圖5所示。

圖5 列車(chē)運(yùn)行阻力分類(lèi)

車(chē)輛基本阻力是由車(chē)輛結(jié)構(gòu)決定的，車(chē)輛附加阻力是由于車(chē)輛在不同環(huán)境下運(yùn)行產(chǎn)生的。本文主要討論車(chē)輛基本阻力的控制。

在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行中,通常采用式(1)所示的經(jīng)驗(yàn)公式即Daivs公式進(jìn)行基本阻力計(jì)算[5]。

w0=a+bv+cv2

(1)

式中：

w0——車(chē)輛單位基本阻力；

v——車(chē)輛速度;

a——基準(zhǔn)阻力系數(shù)；

b——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

c——空氣阻力系數(shù)。

由式(1)可以看出，空氣阻力系數(shù)為車(chē)輛基本阻力公式的二次項(xiàng)系數(shù)，車(chē)輛的空氣阻力隨車(chē)速的二次方快速增加，因此，降低車(chē)輛的運(yùn)行阻力首先應(yīng)考慮降低車(chē)輛空氣阻力。

2.2.2 空氣阻力控制

空氣阻力的降低通常采用車(chē)輛流線型頭型設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向架區(qū)域降阻、車(chē)端區(qū)域降阻及車(chē)頂區(qū)域降阻等4種方式進(jìn)行。

(1)流線型頭型設(shè)計(jì)。車(chē)輛流線型頭型設(shè)計(jì)不僅代表著一個(gè)車(chē)輛品牌的形象，而且對(duì)降低空氣阻力有著重要意義。車(chē)輛頭型直接影響整列車(chē)的氣動(dòng)性能，國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠均對(duì)此開(kāi)展了大量的技術(shù)研發(fā)工作，目前基本形成的有橢球型、扁寬型和錐型3個(gè)系列，其具體參數(shù)如表3所示。

表3 車(chē)輛流線型頭型參數(shù)

長(zhǎng)細(xì)比是衡量車(chē)輛空氣阻力的重要指標(biāo)。一般來(lái)講，長(zhǎng)細(xì)比增加，阻力系數(shù)減小。長(zhǎng)細(xì)比確定后，通過(guò)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)(斷面形狀、截面變化率和鼻錐引流等)可以進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)輛氣動(dòng)性能。

(2)轉(zhuǎn)向架區(qū)域降阻。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,受流動(dòng)空氣影響時(shí)表面壓力分布不均，會(huì)形成較大的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū),大大增加了轉(zhuǎn)向架區(qū)域的空氣壓力[6]。在轉(zhuǎn)向架區(qū)域設(shè)置裙板(見(jiàn)圖6)，可以有效阻止氣流從兩側(cè)進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域，降低進(jìn)入轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流速度，達(dá)到減阻的效果(側(cè)風(fēng)情況下尤為明顯)。風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證了小裙板轉(zhuǎn)向架較無(wú)裙板轉(zhuǎn)向架可減阻6.2%。

a) 無(wú)裙板b) 小裙板c) 大裙板

圖6 轉(zhuǎn)向架區(qū)域裙板設(shè)置方案

(3)車(chē)端區(qū)域降阻。車(chē)端(兩車(chē)連接處)阻力主要是由氣體進(jìn)入該區(qū)間形成渦流所造成。增加車(chē)端外風(fēng)擋(見(jiàn)圖7)可以阻止氣體進(jìn)入，降低各節(jié)車(chē)壓差阻力，達(dá)到減阻效果。實(shí)測(cè)證明，半包外風(fēng)擋較無(wú)外風(fēng)擋減阻1.8%。

a) 無(wú)外風(fēng)擋b) 有外風(fēng)擋

圖7 車(chē)端區(qū)域外風(fēng)擋設(shè)置方案

(4)車(chē)頂區(qū)域降阻。車(chē)頂受電弓區(qū)域氣流流場(chǎng)復(fù)雜，對(duì)中間車(chē)的阻力和噪聲影響較大。通過(guò)采取受電弓平臺(tái)下沉設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖8)，可達(dá)到較好的減阻效果。

a) 無(wú)下沉b) 有下沉

圖8 車(chē)頂受電弓平臺(tái)下沉設(shè)計(jì)方案

2.3 牽引效率提升

軌道客車(chē)的牽引系統(tǒng)主電路如圖9所示(不同車(chē)型存在一定的結(jié)構(gòu)差異，如城市軌道客車(chē)不包括牽引變壓器)。牽引系統(tǒng)的效率計(jì)算公式為：

(2)

式中：

η——牽引系統(tǒng)效率；

η1——變壓器效率；

η2——整流器(PMCF)效率；

η3——牽引逆變器效率；

η4——齒輪箱效率；

η5——牽引電機(jī)效率。

由式(2)可知，通過(guò)提高牽引系統(tǒng)各部件的效率能夠?qū)崿F(xiàn)提升牽引系統(tǒng)效率的目的，其物理意義為將更多的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，降低機(jī)械損耗。具體方法包括使用新型電氣部件和優(yōu)化牽引控制策略。

圖9 軌道客車(chē)牽引系統(tǒng)主電路圖

2.3.1 使用新型電氣部件

與傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)中的變壓器、變流器和異步電機(jī)相比，電力電子變壓器、碳化硅變流器和永磁電機(jī)能夠顯著提高效率。

(1)電力電子變壓器。電力電子變壓器將變壓器技術(shù)和電力電子變流技術(shù)融合在一起，可實(shí)現(xiàn)變壓器的小型化和輕量化(體積減小60%，質(zhì)量降低50%)，同時(shí)比傳統(tǒng)變壓器擁有更高的效率(效率提升1%)。目前，國(guó)內(nèi)外已有樣機(jī)完成了試制和試用，ABB公司已經(jīng)在城市軌道客車(chē)上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位和高校也正在開(kāi)展相關(guān)研究和試用工作[7]。

(2)碳化硅變流器。牽引變流器(PMCF和逆變器)使用的大功率元器件目前為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。以碳化硅(SiC)為代表的新一代電力電子元器件具有帶寬度高、泄露電流小、導(dǎo)熱率高、導(dǎo)通損耗小、耐電壓高和耐電流強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，今后可用于代替IGBT，以此提升變流器的功率和效率。目前，碳化硅變流器已在日本N700S型軌道客車(chē)上使用[8]。

(3)永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)利用永磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，不再通過(guò)勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子能量損耗有效降低[9]，故效率較傳統(tǒng)異步電機(jī)有顯著提高(能夠達(dá)到98%左右)。在輸出參數(shù)不變的前提下，永磁同步電機(jī)的質(zhì)量和體積較傳統(tǒng)異步電機(jī)低20%～30%，功率密度顯著提高。目前，國(guó)內(nèi)外主要軌道客車(chē)主機(jī)廠在永磁同步電機(jī)應(yīng)用方面已開(kāi)展了大量工作，如中國(guó)中車(chē)集團(tuán)的永磁動(dòng)車(chē)組和日本的N700S型軌道客車(chē)已開(kāi)始采用永磁同步電機(jī)替代傳統(tǒng)異步電機(jī)。

2.3.2 優(yōu)化牽引控制策略

優(yōu)化牽引控制策略主要有：改進(jìn)牽引變流器中牽引控制單元的IGBT驅(qū)動(dòng)調(diào)制算法及牽引電機(jī)控制算法，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)全頻帶磁鏈觀測(cè)；在牽引控制單元中進(jìn)行IGBT驅(qū)動(dòng)技術(shù)優(yōu)化，降低功率回路諧波含量；在牽引控制單元中實(shí)現(xiàn)黏著力精確控制，提高輪軸牽引/制動(dòng)力運(yùn)用效率。

利用以上對(duì)牽引變流器控制算法的優(yōu)化，能夠提升PMCF效率和牽引逆變器效率，進(jìn)而提升整個(gè)牽引系統(tǒng)效率。

另外，在列車(chē)恒速控制等階段，利用目標(biāo)速度與實(shí)際速度的速度差，并結(jié)合線路情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引力的精準(zhǔn)控制，也可實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

3 節(jié)能效果

根據(jù)前述節(jié)能技術(shù)措施，并結(jié)合國(guó)外新開(kāi)發(fā)的城市軌道客車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(日本JR東海鐵路公司研制的N700S型試驗(yàn)列車(chē)、德國(guó)西門(mén)子公司研制的Velaro Novo型試驗(yàn)列車(chē))，得出的城市軌道客車(chē)各項(xiàng)節(jié)能措施及其節(jié)能效果如表4所示。

表4 車(chē)輛各項(xiàng)節(jié)能措施及其效果

由表4可見(jiàn)，降低車(chē)輛的運(yùn)行阻力是最為有效的降低能耗的手段，新型材料和新型電子技術(shù)的應(yīng)用也能夠有效地降低車(chē)輛能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

“安全、可靠、綠色、智能”已經(jīng)成為軌道客車(chē)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的主要方向。在滿足廣大旅客出行的前提下，如何降低能量消耗，進(jìn)而搭建旅客-車(chē)輛-社會(huì)之間的共贏關(guān)系是未來(lái)軌道客車(chē)正向設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。軌道客車(chē)節(jié)能工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要不斷深入開(kāi)展各項(xiàng)基礎(chǔ)理論及前沿技術(shù)研究。