下一代地鐵平臺制動電阻研制易

萬成　彭自堅

摘要：介紹了下一代地鐵平臺制動電阻工作原理，關(guān)聯(lián)關(guān)系。重點分析了該制動電阻的性能參數(shù)，主要結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對電阻單元、熱設(shè)計、保護等方面內(nèi)容進行了簡述。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;制動電阻;溫升;熱設(shè)計

0 ?引言

下一代地鐵平臺牽引系統(tǒng)研制是為了滿足城市軌道客戶技術(shù)要求并在提高系統(tǒng)可靠性的情況下達到減重、降本目的而研制的一套平臺類牽引電氣系統(tǒng)。制動電阻是該牽引電氣系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部件，其對實現(xiàn)列車平穩(wěn)操控，保證列車運行安全，減少閘瓦和車輪磨損，車輛自動控制方面有著十分重要意義。

1 ?工作原理

制動電阻是軌道車輛進行電制動時的功率耗散裝置。當車輛處于電制動工況時，牽引電機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，并產(chǎn)生反力矩促使車輛減速，產(chǎn)生的電能如果不能回饋電網(wǎng)或儲存起來會造成電網(wǎng)壓升高，這對電站設(shè)備和車輛運行非常不利，因此需要制動電阻將剩余的能量消耗掉。同時車輛在運行的過程中有時會遇到輪對空轉(zhuǎn)、跳弓等瞬態(tài)過程，從而引直流電壓的上升，為了防止直流電壓上升超過允許范圍，也需要通過制動電阻的開通來降低相應(yīng)的過電壓。制動電阻內(nèi)部電路原理圖見圖1。

2 ?主要技術(shù)參數(shù)

額定電阻值（20℃） ? ? ?; ? ? ? ? 2×2.6Ω（-5%～+5%）

額定工況下的最大電阻值 ? ? 2×3.2Ω

額定工作電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC 1800V

最大溫升 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?600K

電阻帶材料 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 鎳鉻合金

風(fēng)機流量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.7m3/s

風(fēng)機風(fēng)壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?300Pa空氣入口20℃

噪聲 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ≤78dB（A）

3 ?總體結(jié)構(gòu)及主要功能單元

3.1 總體結(jié)構(gòu)

本制動電阻主要由構(gòu)架、電阻單元、斜流風(fēng)機、控制信號盒、面板和排風(fēng)罩等部件組成，詳見圖2，制動電阻通過構(gòu)架上的兩根直梁托裝在車輛底架的橫梁上。

電阻單元安裝在不銹鋼制成的構(gòu)架內(nèi)。電阻單元上安裝有導(dǎo)軌，利用導(dǎo)軌可以將電阻單元沿軌道推入構(gòu)架。制動電阻是安裝在車輛底部，對于以往制動電阻單元都是采用下抽拉，而當制動電阻安裝在車底后，其底部已經(jīng)靠近軌道導(dǎo)軌，電阻單元向下抽拉時候被軌道導(dǎo)軌擋住抽不出來，往往需要將制動電阻從車輛上拆卸下來后才能維護與更換單元，針對這一情況，本制動電阻采用單元側(cè)抽來結(jié)構(gòu)方式，利用上板與下板組成一個軌道系統(tǒng)，用戶只需將電阻單元間的連接母排拆除，并松開固定電阻單元的擋板螺釘即可將電阻單元從構(gòu)架中卸下進行更換，這樣在不拆卸制動電阻時就能維護電阻單元，極大的減少了維護時間和成本。

風(fēng)機安裝在構(gòu)架的前端，為電阻單元提供冷卻空氣，風(fēng)機網(wǎng)罩阻止風(fēng)機吸入異物。排風(fēng)罩安裝在構(gòu)架的后端，為冷卻電阻單元的空氣提供出口，排風(fēng)罩出口朝下使經(jīng)過了電阻帶加熱的熱空氣吹到地面，而減小對周圍設(shè)備影響。

建立有限元力學(xué)模型，利用結(jié)構(gòu)強度分析對制動電阻結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后比優(yōu)化前重量減輕11%。

3.2 電阻單元設(shè)計

電阻單元采用模塊化，抽屜式設(shè)計，電阻單元可以完全互換，整個單元采用雙重絕緣設(shè)計，第一重絕緣為電阻帶與絕緣螺桿之間的絕緣，第二重絕緣為絕緣螺桿與導(dǎo)軌之間的絕緣。（圖3）

制動電阻的開通將會使得電阻帶的溫度升高。為保證制動電阻在高溫狀態(tài)下正常工作，電阻元件采用既有產(chǎn)品使用過的鎳鉻合金材料，電阻帶表面沖有加強筋，既提高了受熱抗變形能力也增大了散熱系數(shù)。

3.3 熱仿真分析

環(huán)境溫度為45℃時，電阻帶最高允許工作溫度：640℃

根據(jù)公式：

其中：T：瞬態(tài)溫度;T：初始溫度;kt：傳導(dǎo)系數(shù);Kc：散熱系數(shù);A：散熱面積。

電阻帶的參數(shù)為：電阻帶質(zhì)量M=31.8kg，散熱面積A=12.8m2。散熱系數(shù)Kc=97（W·K/m2），傳導(dǎo)系數(shù)kt=1.99，根據(jù)制動電阻的負荷條件，將以上各參數(shù)代入公式利用Matlab編程仿真得到的電阻帶最熱點的溫度變化曲線如圖4所示。

從圖4中的結(jié)果可知，最熱層電阻帶最高溫度為：545.9℃，該溫度滿足<640℃的要求。

4 ?試驗驗證

為了驗證制動電阻是否滿足設(shè)計需求，依據(jù)相關(guān)標準，對制動電阻做了多項型式試驗，溫升試驗電阻帶最高溫升為556K，噪音值為76dB（A），所有試驗均通過，滿足設(shè)計要求。

5 ?結(jié)論

制動電阻的技術(shù)性能及可靠性要求均滿足設(shè)計要求，通過型式試驗考核。此制動電阻對于以往產(chǎn)品，在降成本、降重、增加可靠性、及維護方面都有很大的提高 ，同時平臺化的設(shè)計對以后制動電阻設(shè)計具有很重要的指導(dǎo)作用。下一代地鐵平臺制動電阻現(xiàn)已經(jīng)在長沙地鐵一號線上開始批量應(yīng)用。

參考文獻：

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