快捷貨車軸端發(fā)電裝置的研制

李智澤，段仕會(huì)，孔維剛，穆鳳軍，徐世鋒，李立東，邵文東

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

鐵路快捷貨車需要車輛及轉(zhuǎn)向架安全監(jiān)測(cè)、車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)、定位、通信及車輛智能運(yùn)維等設(shè)備和技術(shù)的支持，這些設(shè)備均涉及用電問題，而國(guó)內(nèi)既有鐵路貨車并無供電經(jīng)驗(yàn)，除機(jī)車供電方式以外，研制快捷貨車轉(zhuǎn)向架軸端發(fā)電技術(shù)也是解決供電問題的有效途徑[1]。

1 國(guó)外鐵路貨車軸端發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外鐵路貨車針對(duì)車輛安全監(jiān)測(cè)等小功率用電需求的發(fā)電裝置研發(fā)工作主要集中在貨車轉(zhuǎn)向架軸端發(fā)電系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)目前尚無鐵路貨車軸端發(fā)電裝置使用先例。貨車軸端發(fā)電技術(shù)基本原理是利用車輛行駛產(chǎn)生的動(dòng)能，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與車軸、車輪等轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)安裝固定，定子與軸箱等不轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)安裝固定，實(shí)現(xiàn)車輛行駛過程中轉(zhuǎn)子、定子的相對(duì)回轉(zhuǎn)，切割磁場(chǎng)發(fā)電，經(jīng)電源管理裝置穩(wěn)壓、整流后向備用蓄電池充電及負(fù)載供電[2]。下文簡(jiǎn)要介紹國(guó)外鐵路貨車幾種典型軸端發(fā)電裝置。

圖1(a)為克諾爾集團(tuán)研制的貨車軸端發(fā)電裝置，在轉(zhuǎn)向架同側(cè)軸端安裝多個(gè)發(fā)電機(jī)，由于不同車軸轉(zhuǎn)速存在微小差異，需要將2臺(tái)發(fā)電機(jī)的電能同步后再整流、穩(wěn)壓，或先整流、穩(wěn)壓后再合并。圖1(b)為奧地利PJ Messtechnik公司研制運(yùn)用的軸端發(fā)電裝置，采用盤式發(fā)電機(jī)，在端蓋內(nèi)部集成了GSM通信和GPS定位模塊、蓄電池，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)、用電負(fù)載都集成在軸端，總體功率較小。圖1(c)為德國(guó)KBS公司在Y25型轉(zhuǎn)向架軸端安裝的一種額定功率為100 W的徑向磁路發(fā)電裝置，目前在瑞典等國(guó)的行包列車上已長(zhǎng)期運(yùn)用。

圖1 幾種國(guó)外鐵路貨車軸端發(fā)電裝置

舍弗勒公司提出了一種用于Y25型轉(zhuǎn)向架的發(fā)電機(jī)方案，該方案將原有的軸承端蓋替換為體積較小的軸端發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的外殼與定子固定后安裝在軸箱上，轉(zhuǎn)子與車軸通過軸端螺栓固定隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的相互回轉(zhuǎn)發(fā)電，其結(jié)構(gòu)見圖2。為適應(yīng)軸端安裝的空間和結(jié)構(gòu)條件，該發(fā)電機(jī)體積較小，再加上因車軸直接驅(qū)動(dòng)造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，故總體發(fā)電功率較低，其高功率版發(fā)電機(jī)能夠在100～180 km/h的車輛運(yùn)行速度范圍內(nèi)達(dá)到90～269 W的發(fā)電能力，供電電壓為直流12/24 V，用于車輛定位、軸承和輪對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

國(guó)外鐵路貨車軸端發(fā)電系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)、電源控制器、蓄電池等，大多采用軸向磁通發(fā)電機(jī)方案(盤式發(fā)電機(jī))，具有結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)電密度高等特點(diǎn)。徑向磁通發(fā)電機(jī)(與籠式電動(dòng)機(jī)類似)的定子、轉(zhuǎn)子發(fā)電部分為圓筒形，根據(jù)車軸端部空間可以在徑向、軸向加大尺寸以提高發(fā)電功率，發(fā)電能力通常高于盤式發(fā)電機(jī)，因而負(fù)載功率大時(shí)常選用徑向磁通發(fā)電機(jī)，該型發(fā)電機(jī)不需要額外使用軸承，故發(fā)電機(jī)可靠性更高，但體積、質(zhì)量相對(duì)來說也更大。

2 國(guó)內(nèi)快捷貨車用電需求

快捷貨車的車上用電設(shè)備主要包括電子防滑器、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。根據(jù)快捷貨車綜合安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，相關(guān)功能需求見表1[3-4]。對(duì)各功能模塊電氣設(shè)備按照工作狀態(tài)、停車狀態(tài)的實(shí)際功率進(jìn)行分析，并保留一定的余量，最終設(shè)定總用電功率為200 W。

表1 快捷貨車安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊設(shè)置及功能

3 快捷貨車軸端發(fā)電裝置系統(tǒng)組成及技術(shù)要求

3.1 系統(tǒng)組成

快捷貨車軸端發(fā)電裝置主要包括軸端發(fā)電機(jī)、電源控制器、蓄電池組、狀態(tài)顯示器及電纜組件。

(1) 軸端發(fā)電機(jī)安裝于輪軸系統(tǒng)端部，隨車輛行駛而發(fā)電。

(2) 電源控制器是該發(fā)電裝置的調(diào)壓、穩(wěn)壓以及邏輯控制系統(tǒng)。

(3) 蓄電池組用于車輛低速運(yùn)行時(shí)，軸端發(fā)電機(jī)電能不滿足用電負(fù)載需求時(shí)為用電負(fù)載供電；同時(shí)，在高速運(yùn)行時(shí)，軸端發(fā)電機(jī)電能超出用電負(fù)載需求時(shí)進(jìn)行電能儲(chǔ)存。

(4) 狀態(tài)顯示器可顯示軸端發(fā)電機(jī)、電源控制器及蓄電池組狀態(tài)，方便運(yùn)用、維護(hù)。也可與整車電氣系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行集成。

軸端發(fā)電裝置系統(tǒng)工作原理見圖3。電源控制器將軸端發(fā)電機(jī)電能與蓄電池組電能進(jìn)行調(diào)壓、穩(wěn)壓至直流24 V，對(duì)負(fù)載供電。發(fā)電機(jī)電能滿足用電負(fù)載要求時(shí)，多余電能經(jīng)控制器向蓄電池組充電；發(fā)電機(jī)電能不滿足用電負(fù)載要求時(shí)，蓄電池組電能經(jīng)控制器向用電負(fù)載供電；電源控制器同時(shí)實(shí)現(xiàn)判斷軸端發(fā)電機(jī)、蓄電池組及控制器狀態(tài)，監(jiān)測(cè)軸端發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、繞組溫度、電池容量、電池充/放電狀態(tài)、控制器輸出電壓及電流等工作狀態(tài)，傳輸狀態(tài)信息至狀態(tài)顯示器或電氣系統(tǒng)主機(jī)。

圖3 軸端發(fā)電裝置系統(tǒng)工作原理

3.2 技術(shù)要求

根據(jù)快捷貨車相關(guān)技術(shù)要求及運(yùn)用條件，結(jié)合快捷貨車電氣系統(tǒng)要求和轉(zhuǎn)向架實(shí)際結(jié)構(gòu)，確定了軸端發(fā)電裝置的基本要求、功能要求、可靠性要求以及接口尺寸要求[5-7]。

3.2.1 運(yùn)用環(huán)境要求

使用環(huán)境溫度為-40～40 ℃；最大相對(duì)濕度≤100%；可適應(yīng)振動(dòng)、粉塵、腐蝕等惡劣工作環(huán)境；適應(yīng)風(fēng)、沙、雨、雪等惡劣天氣，偶有鹽霧、酸雨、沙塵暴及霧霾等現(xiàn)象。

3.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

表2為軸端發(fā)電裝置主要技術(shù)指標(biāo)。該裝置具有故障診斷及報(bào)警功能，可監(jiān)測(cè)軸端發(fā)電機(jī)、電源控制器、蓄電池組工作狀態(tài)，可循環(huán)充放電1 500次，壽命≥5年。

表2 軸端發(fā)電裝置主要技術(shù)指標(biāo)

3.2.3 可靠性要求

軸端發(fā)電裝置應(yīng)符合GB/T 21563—2018《軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》與安裝部件對(duì)應(yīng)的相關(guān)要求。

3.2.4 軸端發(fā)電裝置接口要求

安裝軸端發(fā)電裝置后不應(yīng)影響軸承、軸端螺栓、標(biāo)志板及軸箱等原轉(zhuǎn)向架部件的正常安裝及其功能。

4 快捷貨車轉(zhuǎn)向架軸端發(fā)電裝置技術(shù)方案及試驗(yàn)

快捷貨車轉(zhuǎn)向架采用轉(zhuǎn)臂定位，發(fā)電裝置軸端安裝條件與歐洲鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的軸箱類似。

4.1 軸向磁通軸端發(fā)電裝置

軸向磁通軸端發(fā)電裝置見圖4，由轉(zhuǎn)子、定子、端蓋三部分構(gòu)成。轉(zhuǎn)子替代原軸承前蓋，固定安裝于車軸端部，定子替代原軸箱前蓋安裝在軸箱上，前蓋安裝在定子外側(cè)。

圖4 軸向磁通軸端發(fā)電裝置

4.2 徑向磁通軸端發(fā)電裝置

徑向磁通軸端發(fā)電裝置見圖5，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子替代原軸承前蓋安裝于車軸端部，轉(zhuǎn)子沿軸向伸出，定子與機(jī)殼一體包裹轉(zhuǎn)子替代原軸箱前蓋，安裝在軸箱端部。

圖5 徑向磁通軸端發(fā)電裝置

4.3 軸向磁通集成式軸端發(fā)電裝置

軸向磁通集成式軸端發(fā)電裝置見圖6，轉(zhuǎn)子、定子集成后安裝于軸箱前蓋腔內(nèi)，轉(zhuǎn)子與定子之間設(shè)有軸承，轉(zhuǎn)子與定子間有橫向間隙，該間隙在運(yùn)用過程中保持不變，使發(fā)電機(jī)能夠保持穩(wěn)定的發(fā)電性能，避免車軸與轉(zhuǎn)臂軸向橫移造成氣隙變化影響發(fā)電性能。

圖6 軸向磁通集成式軸端發(fā)電裝置

4.4 蓄電池的選用及電池箱設(shè)計(jì)

蓄電池的選用應(yīng)滿足鐵路貨車運(yùn)用工況下高低溫等環(huán)境適應(yīng)性、充放電性能、能量密度等特性，并借鑒機(jī)車、客車、城軌車用蓄電池經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合快捷貨車用電需求以及軸端發(fā)電裝置的充電能力，根據(jù)鐵路常用設(shè)備的供電條件及負(fù)載功率級(jí)別、待機(jī)工況選配蓄電池。本方案選用的蓄電池產(chǎn)品為鐵路專用型鉛酸蓄電池，滿足鐵路使用體積小、質(zhì)量輕的要求。該電池為閥控免維護(hù)電池，因此在電池的整個(gè)壽命周期內(nèi)不需要添加電解液。

針對(duì)控制器、蓄電池的空間尺寸與安裝條件，設(shè)計(jì)了集成式安裝電池箱，將兩者安裝在同一個(gè)電池箱內(nèi)，并借鑒客車、機(jī)車等車輛的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了滑動(dòng)臺(tái)電池箱及滑軌式電池箱方案，如圖7所示。

圖7 滑動(dòng)臺(tái)電池箱及滑軌式電池箱方案

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.5.1 可靠性振動(dòng)試驗(yàn)

按照GB/T 21563—2018標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，軸端發(fā)電機(jī)按照車軸安裝的3類沖擊振動(dòng)條件委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)滿足GB/T 21563—2018標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.5.2 電磁兼容性試驗(yàn)

按照EN 50121-3-2：2015《鐵路應(yīng)用 電磁兼容性 第3-2部分：鐵路車輛 設(shè)備》委托第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)軸端發(fā)電機(jī)進(jìn)行了電磁兼容性試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目包括輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、靜電放電抗擾度、輻射電磁場(chǎng)抗擾度、數(shù)字移動(dòng)電話的射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度及射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度等，檢測(cè)結(jié)果顯示各檢測(cè)項(xiàng)目均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5.3 功能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2018年11月，在中車齊齊哈爾車輛有限公司試驗(yàn)室完成了2種軸端發(fā)電裝置滾動(dòng)臺(tái)裝車運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，各速度級(jí)下軸端發(fā)電裝置工作狀態(tài)良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)發(fā)電能力。

圖8 軸端發(fā)電裝置功能運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)快捷貨車的用電需求，結(jié)合快捷貨車轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式，研制了軸端發(fā)電裝置。試制、安裝及各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果證明，該軸端發(fā)電裝置滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，初步具備了應(yīng)用和推廣的條件。軸端發(fā)電裝置作為貨車用電的一項(xiàng)支撐技術(shù)，其應(yīng)用和推廣對(duì)于鐵路貨車技術(shù)升級(jí)、促進(jìn)鐵路貨物運(yùn)輸發(fā)展均具有重要意義。