一種用于高速動(dòng)車組碰撞試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)車設(shè)計(jì)

王增寶，方繼武，游 帥

( 1.寶雞中車時(shí)代工程機(jī)械有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412000； 2.株洲時(shí)代電子技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

用于高速動(dòng)車組碰撞試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)車(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車)是根據(jù)用戶的碰撞試驗(yàn)需求研發(fā)的。目前碰撞試驗(yàn)主要以內(nèi)燃軌道車作為動(dòng)力，牽引被試車輛完成碰撞試驗(yàn)。但在實(shí)際運(yùn)用過程中，由于內(nèi)燃機(jī)車對(duì)試驗(yàn)速度的控制精度較差，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音和排放的廢氣對(duì)周邊環(huán)境和人員造成影響，而且試驗(yàn)過程也存在一定的操作人員安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要設(shè)計(jì)一種智能、綠色、環(huán)保的試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車。

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車最高速度須達(dá)到 80 km/h；具備恒速控制功能，且速度在3～66 km/h可調(diào)節(jié)；具備地面遠(yuǎn)程控制和車內(nèi)人工控制2種模式；具備自動(dòng)脫鉤、車內(nèi)控制脫鉤和地面控制脫鉤3種模式；同時(shí)，還應(yīng)滿足我國寒冷地區(qū)的環(huán)境條件。試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車使用環(huán)境條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車使用環(huán)境條件

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 技術(shù)路線

為了滿足用戶需求，試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車技術(shù)路線主要包含以下幾個(gè)方面。

1)采用磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力源。磷酸鐵鋰電池具有大倍率充放電特性，且能量密度高，相比其他電池性價(jià)比高。

2)采用直交電傳動(dòng)技術(shù)，電制動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)車輛恒速精確控制、回收制動(dòng)能量等。直交電傳動(dòng)效率高，能有效提高能源利用率。

3)車內(nèi)設(shè)置2個(gè)司控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車上控制；地面設(shè)置1個(gè)司控臺(tái)，通過無線通信系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車遠(yuǎn)程控制，提高試驗(yàn)過程的安全性。

4)采用高精度射頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)車輛精確定位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。

5)采用密接式車鉤連掛。在車輛運(yùn)行狀態(tài)下可以自動(dòng)解鉤，并且可以減小車鉤沖擊對(duì)試驗(yàn)速度的影響。

2.2 牽引制動(dòng)特性

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車屬于牽引車。整車最大起動(dòng)牽引力為90 kN，最大輪周功率為380 kW，恒力階段為0～15.2 km/h，恒功階段為15.2～80 km/h。整車最大電制動(dòng)力為40 kN，最大電制動(dòng)功率為95 kW。根據(jù)實(shí)際工況需求，電制動(dòng)有效速度范圍為3～66 km/h。其中，3～8.5 km/h為恒力階段，8.5～66 km/h為恒功階段。牽引制動(dòng)特性曲線如圖1所示。

圖1 牽引制動(dòng)特性曲線

2.3 主要性能參數(shù)

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車主要性能參數(shù)如表2所示。

3 主要部件設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車組成

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車采用單司機(jī)室，中間布置設(shè)備，兩側(cè)采用外走廊結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車主要由車體、車鉤緩沖裝置、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成。試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車組成如圖2所示。

3.2 車體

車體是試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車的承載部件，采用底架單獨(dú)承載全鋼焊接結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。車體由底架、司機(jī)室、蓄電池箱、地板、欄桿、排障器等組成。司機(jī)室和電池箱坐落在底架上方并與之形成焊接結(jié)構(gòu)，以適當(dāng)增加車體剛度。車體兩側(cè)設(shè)有走廊，司機(jī)室前后端墻設(shè)有通往走廊的過道門，可保證整車前后端貫通。欄桿設(shè)計(jì)成可拆卸形式，以便于車上設(shè)備吊裝和維護(hù)。車體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2 試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車主要性能參數(shù)

1—車鉤緩沖裝置；2—車體；3—轉(zhuǎn)向架；4—電氣系統(tǒng)；5—輔助設(shè)備；6—制動(dòng)系統(tǒng)。

1—地板；2—電池箱；3—司機(jī)室；4—欄桿；5—排障器；6—底架。

3.3 車鉤緩沖裝置

車鉤選用密接式車鉤。密接式車鉤可以與試驗(yàn)車輛車鉤直接連掛，不需要借用過渡車鉤。密接式車鉤設(shè)有解鉤氣缸，氣缸連通車輛風(fēng)源后，可以推動(dòng)鉤舌動(dòng)作，另外，車鉤設(shè)有車鉤開閉狀態(tài)檢測(cè)裝置，可以將車鉤狀態(tài)信號(hào)反饋到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解鉤功能。密接式車鉤結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4 轉(zhuǎn)向架

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車采用電傳動(dòng)轉(zhuǎn)向架，主要由構(gòu)架、懸掛裝置、牽引裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、接地裝置和管路附屬件等組成。構(gòu)架采用H型整體焊接結(jié)構(gòu)。一系懸掛裝置采用螺旋彈簧，二系懸掛裝置采用橡膠旁承，牽引裝置采用Z字型拉桿結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)低位牽引。牽引電機(jī)采用剛性懸掛，通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱聯(lián)接，軸箱采用轉(zhuǎn)臂式定位結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)制動(dòng)采用踏面制動(dòng)。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—連掛機(jī)構(gòu)；2—解鉤氣缸；3—安裝吊座；4—檢測(cè)裝置；5—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

1—構(gòu)架；2—牽引電機(jī)；3—二系橡膠旁承；4—輪緣潤滑器；5—齒輪箱；6—聯(lián)軸節(jié)；7—軸端接地裝置；8—單元制動(dòng)器；9—牽引裝置；10—軸箱；11—一系鋼彈簧；12—輪對(duì)。

3.5 空氣制動(dòng)系統(tǒng)

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)采用電空制動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，主要由風(fēng)源系統(tǒng)、DK型制動(dòng)機(jī)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、電子防滑系統(tǒng)和空氣管路等組成。DK型制動(dòng)機(jī)作為車輛的主制動(dòng)機(jī)，采用微機(jī)控制，可以與整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信。每根軸的基礎(chǔ)制動(dòng)分別由采用帶停放制動(dòng)的單元制動(dòng)器和不帶停放制動(dòng)的單元制動(dòng)器組成。帶停放制動(dòng)的單元制動(dòng)器可滿足車輛單機(jī)在40‰坡道的停放要求。

3.6 電氣系統(tǒng)

3.6.1 主電路

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車主電路主要由牽引蓄電池系統(tǒng)、牽引蓄電池配電箱、線路電抗器、牽引逆變器、充電機(jī)和牽引電機(jī)等組成。牽引蓄電池通過牽引蓄電池配電箱、高壓柜，為牽引逆變器和輔助逆變器供電。牽引逆變器將輸入直流電壓逆變成VVVF三相交流電，分別給2個(gè)轉(zhuǎn)向架上的4臺(tái)牽引電機(jī)供電。外接AC 380 V電源通過充電機(jī)為牽引蓄電池充電。主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.6.2 輔助供電系統(tǒng)

輔助供電系統(tǒng)通過輔助逆變器為整車輔助負(fù)載供電。輔助逆變器從牽引蓄電池配電箱取電，將高壓直流電通過逆變、濾波、隔離后，輸出三相四線交流電源。輔助逆變器主要為空壓機(jī)、空調(diào)、控制蓄電池充電機(jī)、電暖器、插座等負(fù)載提供AC 380 V/220 V交流電。輔助供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 主電路結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 輔助供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.6.3 電池系統(tǒng)

牽引蓄電池系統(tǒng)由磷酸鐵鋰電池、電池管理系統(tǒng)、蓄電池配電箱、充電機(jī)等附件組成。磷酸鐵鋰電池容量為318 kW·h，單體電壓3.2 V，動(dòng)力電池系統(tǒng)以2并240串成組，總共10箱。電池系統(tǒng)標(biāo)稱電壓772.8 V。牽引電池配電箱主要用于保護(hù)牽引蓄電池，充電機(jī)主要用于監(jiān)視牽引蓄電池充電及充電狀態(tài)，并集成電池管理系統(tǒng)功能，充電機(jī)功率為60 kW。

3.6.4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車控制系統(tǒng)基于MVB網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并采用成熟的DTECS-2平臺(tái)模塊。牽引逆變器、輔助逆變器、制動(dòng)控制單元直接接入MVB主控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。電池管理系統(tǒng)、位置信號(hào)系統(tǒng)、充電機(jī)分別通過CAN和RS485通信接口，與MVB主控網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。地面控制臺(tái)也采用MVB網(wǎng)絡(luò)通信，與車載司控臺(tái)通過無線電臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車遠(yuǎn)程控制。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)車級(jí)控制，主要包括協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)車各部分運(yùn)行，實(shí)施驅(qū)動(dòng)車部分邏輯控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)車牽引制動(dòng)特性給定、恒速控制等。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 遠(yuǎn)程控制

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車具備車上操控和遠(yuǎn)程控制2種操作模式?？梢酝ㄟ^遠(yuǎn)端地面控制臺(tái)對(duì)驅(qū)動(dòng)車實(shí)施控制。地面控制臺(tái)和車載控制臺(tái)均設(shè)置無線重聯(lián)控制單元，2個(gè)無線重聯(lián)控制單元之間可以實(shí)時(shí)通信。通過無線通信可以在遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)控制驅(qū)動(dòng)車牽引、制動(dòng)和解鉤等。

圖8 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.2 自動(dòng)控制

在軌道線路布置信標(biāo)，在試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車上安裝信標(biāo)閱讀器。位置信號(hào)系統(tǒng)通過射頻識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車輛的準(zhǔn)確定位，同時(shí)反饋位置信息到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過邏輯運(yùn)算，觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車自動(dòng)控制功能主要包括自動(dòng)解鉤、常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)。

4.3 高速運(yùn)行狀態(tài)下解鉤

根據(jù)用戶試驗(yàn)要求，試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車牽引試驗(yàn)車輛達(dá)到指定速度后2車需要分離，試驗(yàn)車輛惰行，直至完成碰撞試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中需要在高速運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生解鉤，同時(shí)驅(qū)動(dòng)車進(jìn)行制動(dòng)。試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車和試驗(yàn)車輛分離之前一直保持恒速運(yùn)行。根據(jù)恒速控制原理，車鉤之間的受力是拉力和壓力不斷轉(zhuǎn)換的過程，而解鉤氣缸的風(fēng)壓是持續(xù)的，因此車鉤可以順利解開。解鉤到位后，車鉤上的檢測(cè)裝置會(huì)檢測(cè)到車鉤已處于打開狀態(tài)，則驅(qū)動(dòng)車施加常用制動(dòng)，2車發(fā)生分離。高速運(yùn)行狀態(tài)下的解鉤也經(jīng)過了多次試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)有效、可行。

5 結(jié)語

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)車集成了多種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碰撞試驗(yàn)的特殊功能要求，并且充分考慮車輛的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和互換性。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)用牽引車相比，電傳動(dòng)效率更高，動(dòng)力更加節(jié)能環(huán)保，控制技術(shù)更加智能化。該車已經(jīng)在用戶試驗(yàn)線路經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。該車的成功研制，為軌道車輛碰撞試驗(yàn)的精確性和安全性提供了保障，也為后續(xù)軌道工程車智能化控制提供了參考。