都四線齒軌列車牽引動(dòng)力單元配置研究

魏德豪，李 艷，寇峻瑜

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 科研院，四川 成都 610083)

0 引言

齒軌鐵路作為一種山地軌道交通，自出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)了150多年的發(fā)展，已在多個(gè)國(guó)家投入應(yīng)用[1]。車輛通過(guò)與敷設(shè)在軌道中央的齒軌嚙合，可以克服輪軌粘著極限，實(shí)現(xiàn)爬坡能力的大幅提升，線路最大坡度可達(dá)480‰[2,3]。

都江堰至四姑娘山山地軌道交通扶貧項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱“都四線”)是國(guó)內(nèi)首個(gè)齒軌交通工程，由成都平原向青藏高原東部行進(jìn)，線路串聯(lián)了都江堰、臥龍、四姑娘山等多個(gè)景點(diǎn)[4]，線路全長(zhǎng)約123 km，最大坡度達(dá)120‰。

為了提升旅客的乘車體驗(yàn)，都四線采用粘著段與齒軌段貫通運(yùn)行的方式，乘客無(wú)需在途中換乘。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)粘著段與齒軌段貫通運(yùn)行，列車的驅(qū)動(dòng)模式主要采用獨(dú)立式或組合式[5]。

獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)的列車配有一定比例的齒軌和粘著兩種轉(zhuǎn)向架，列車在齒軌線路上由齒軌轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)，在普通輪軌線路上由粘著轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)。組合式驅(qū)動(dòng)的列車通過(guò)離合器等動(dòng)力切換裝置實(shí)現(xiàn)牽引方式的轉(zhuǎn)換，列車可根據(jù)所處線路的不同，使電機(jī)牽引力的輸出在齒軌輪和傳統(tǒng)輪對(duì)之間切換。

由于組合式方案的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高，加之其核心部件——離合器在國(guó)內(nèi)尚未在軌道交通車輛上加以應(yīng)用驗(yàn)證，因此，都四線列車采用獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)方案。

1 粘著與齒軌動(dòng)力配比

1.1 列車頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)

為滿足都四線運(yùn)營(yíng)需要，在項(xiàng)目方案研究中對(duì)列車提出了多項(xiàng)頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 列車頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.2 動(dòng)力配比計(jì)算原則

對(duì)于粘著轉(zhuǎn)向架，由于輪周牽引力受粘著極限限制，可先通過(guò)牽引計(jì)算確定粘著路段所需的起動(dòng)牽引力，并根據(jù)軸重及粘著系數(shù)確定粘著輪軸數(shù)。而對(duì)于齒軌轉(zhuǎn)向架，可通過(guò)牽引計(jì)算確定齒軌路段的起動(dòng)牽引力，再根據(jù)齒軌輪和齒條之間允許的最大受力來(lái)確定齒軌輪軸數(shù)。

由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)試驗(yàn)提出齒軌輪與齒條之間的最大受力要求，為盡量降低對(duì)齒軌輪及齒條的受力要求，建議在除粘著轉(zhuǎn)向架外的其余位置均布置齒軌轉(zhuǎn)向架，不考慮放置拖車轉(zhuǎn)向架。

1.3 轉(zhuǎn)向架配置方案

列車起動(dòng)階段牽引力最大，為滿足起動(dòng)平均加速度不小于0.8 m/s2的要求，以起動(dòng)目標(biāo)速度為計(jì)算速度，根據(jù)表1中的基本阻力計(jì)算公式得到列車此時(shí)的基本阻力f為5.78 kN。

粘著段列車起動(dòng)牽引力Fn需求為：

Fn=n·A·Mx·(1+γ)·an_acc+f.

(1)

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計(jì)算得Fn=168.6 kN。

有研究表明[6]，地鐵列車的計(jì)算粘著系數(shù)取值約為0.16～0.18，為保守起見(jiàn)，取粘著系數(shù)μ=0.16。則所需的最小粘著重量Mn為：

Mn=Fn/(μ·g).

(2)

將相關(guān)參數(shù)代入式(2)計(jì)算得Mn=107.4 t。

按軸重12 t計(jì)算，粘著動(dòng)軸數(shù)量為：

nn=Mn/Mx=107.4/12=8.95.

(3)

因列車轉(zhuǎn)向架軸式為B0，因此粘著動(dòng)軸數(shù)應(yīng)為偶數(shù)，取nn=10，粘著轉(zhuǎn)向架數(shù)量為5臺(tái)。其余轉(zhuǎn)向架均為齒軌轉(zhuǎn)向架，即共3臺(tái)齒軌轉(zhuǎn)向架。

2 輪周牽引功率需求

2.1 輪周牽引功率計(jì)算原則

列車輪周牽引功率的計(jì)算需要滿足兩種運(yùn)用工況，一是列車在起動(dòng)階段加速到起動(dòng)目標(biāo)速度時(shí)還應(yīng)具有要求的起動(dòng)加速度;二是列車達(dá)到最大速度時(shí)還應(yīng)有規(guī)定的剩余加速度。設(shè)計(jì)時(shí)需比較兩種工況下的功率需求，并取較大值。

2.2 粘著段輪周功率需求

2.2.1 起動(dòng)階段

為滿足加速到起動(dòng)目標(biāo)速度時(shí)還具有要求的起動(dòng)加速度，所需起動(dòng)牽引力由式(1)計(jì)算得知為168.6 kN,則所需輪周牽引功率Pn為：

Pn=Fn·vn_acc/3.6=1 873.3 kW.

(4)

2.2.2 極速階段

列車以最大運(yùn)行速度行駛時(shí)，根據(jù)表1中的基本阻力計(jì)算公式得到列車此時(shí)的基本阻力f為15.95 kN。

(5)

(6)

2.3 齒軌段輪周功率需求

2.3.1 起動(dòng)階段

以起動(dòng)目標(biāo)速度為計(jì)算速度，根據(jù)表1中的基本阻力計(jì)算公式得到列車此時(shí)的基本阻力f為4.11 kN。

為滿足加速到起動(dòng)目標(biāo)速度時(shí)還具有要求的起動(dòng)加速度，列車所需起動(dòng)牽引力Fc為：

Fc=n·A·Mx·[g·i+(1+γ)·ac_acc]+f.

(7)

將相關(guān)參數(shù)代入式(7)計(jì)算得Fc=372.60 kN。

所需輪周牽引功率Pc為：

Pc=Fc·vc_acc/3.6=1 863 kW.

(8)

2.3.2 極速階段

列車在齒軌段以最大運(yùn)行速度行駛時(shí)，根據(jù)表1中的基本阻力計(jì)算公式得到列車此時(shí)的基本阻力f為4.96 kN。

(9)

(10)

2.4 列車輪周功率配置

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，為滿足所有運(yùn)用工況的需求，分別取粘著段和齒軌段計(jì)算輪周功率的較大值，即列車所需的粘著輪周總功率為1 873.3 kW，齒軌輪周總功率為1 941.83 kW。

3 輪周牽引特性曲線

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制列車的牽引特性曲線及加速度特性曲線。粘著段平坡運(yùn)行的特性曲線如圖1所示，齒軌段120‰上坡運(yùn)行的特性曲線如圖2所示。

圖1 粘著段特性曲線

圖2 齒軌段特性曲線

4 牽引電機(jī)功率配置

牽引電機(jī)的功率需根據(jù)輪周功率并考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的效率計(jì)算。按一般軌道交通動(dòng)車組經(jīng)驗(yàn)，車輛機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)效率η約為0.98。

對(duì)于粘著轉(zhuǎn)向架，電機(jī)功率Pmn為：

(11)

對(duì)于齒軌轉(zhuǎn)向架，主力軸數(shù)nc=6，電機(jī)功率Pmc為：

(12)

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)國(guó)外齒軌列車的技術(shù)現(xiàn)狀，從技術(shù)成熟度角度考慮，都四線齒軌列車采用獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)方案。為滿足粘著段與最大坡度120‰齒軌段貫通運(yùn)行，一列4編組列車需配置5臺(tái)粘著轉(zhuǎn)向架和3臺(tái)齒軌轉(zhuǎn)向架。粘著轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)功率應(yīng)不小于191.2 kW，齒軌轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)功率應(yīng)不小于330.2 kW。

隨著旅游業(yè)的發(fā)展及山地景區(qū)的開(kāi)發(fā)，齒軌鐵路必將受到越來(lái)越多的關(guān)注。組合式驅(qū)動(dòng)方案因其有更多的動(dòng)軸同時(shí)投入牽引，可以適應(yīng)更為嚴(yán)苛的線路條件，應(yīng)用前景廣闊。建議在總結(jié)獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)方案運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，開(kāi)展組合式驅(qū)動(dòng)方案的技術(shù)研究。