B型地鐵車輛永磁直驅(qū)轉向架的研制及性能分析*

胡定祥 金 鑫 馬曉光 沈 鋼 賈小平 解 斛

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司技術中心轉向架研發(fā)部, 210031, 南京; 2.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804， 上海; 3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室, 610031, 成都∥第一作者， 正高級工程師)

B型地鐵車輛是目前國內(nèi)城市軌道交通需求量最大的車型。綜合考慮列車的運行安全性和磨耗經(jīng)濟性，地鐵正線上的最小曲線半徑需不小于250 m。若增大線路的最小曲線半徑，需拆遷大量的房屋，導致建設成本偏高。此外,城市軌道交通的能耗仍然較大。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《2019年中國城市軌道交通牽引能耗》，牽引能耗在列車運營總能耗的占比達到51.8%。因此，在保證運行安全和經(jīng)濟性的同時，降低列車的牽引能耗是城市軌道交通線路節(jié)能減排、降低全壽命周期成本所亟需解決的問題。本文對B型地鐵車輛(80 km/h速度級)采用永磁直驅(qū)轉向架的研制方案進行研究，以期提高列車牽引系統(tǒng)的經(jīng)濟性與節(jié)能性。

1 永磁直驅(qū)轉向架的主要技術參數(shù)

與三相交流異步電機相比，永磁同步電機具有效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點。永磁直驅(qū)轉向架利用永磁電機高效率的優(yōu)點，采用抱軸安裝方式直接驅(qū)動車軸，避免了齒輪傳動的效率損失，節(jié)約了齒輪箱空間，減小了車輛軸距，從而使列車具有優(yōu)良的小半徑曲線通過性能。依據(jù)B型地鐵車輛的運用要求，確定永磁直驅(qū)轉向架[1-3]的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 B型地鐵車輛永磁直驅(qū)轉向架的主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of permanent magnet direct drive bogie of type-B metro vehicle

2 永磁直驅(qū)轉向架的結構特點

如圖1所示，永磁直驅(qū)轉向架的驅(qū)動系統(tǒng)采用永磁同步電機直接驅(qū)動車軸，利用對稱式三角反力桿[4-5]平衡牽引/制動力矩，其構架采用H型箱型焊接結構。其中：一系采用錐形橡膠堆定位、小輪徑輪對軸箱裝置；二系采用空氣彈簧承載、Z型雙拉桿牽引、無扭桿結構；基礎制動采用踏面制動單元制動。該型轉向架具有結構簡單、成本較低、曲線通過能力強、平穩(wěn)性和安全性較高等優(yōu)點。

圖1 采用H型箱型焊接結構的永磁直驅(qū)轉向架Fig.1 Permanent magnet direct drive bogie with H-shaped box welded structure

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

永磁直驅(qū)轉向架的驅(qū)動系統(tǒng)(見圖2)由永磁直驅(qū)電機(見圖3)和對稱式三角反力桿(見圖4)組成。

圖2 永磁直驅(qū)轉向架的驅(qū)動系統(tǒng)Fig.2 Drive system of permanent magnet direct drive bogie

圖3 永磁直驅(qū)電機Fig.3 Permanent magnet direct drive motor

圖4 對稱式三角反力桿Fig.4 Symmetrical triangular reaction rod

永磁直驅(qū)電機為全封閉式水冷結構，冷卻效率很高。如圖5所示，永磁直驅(qū)電機由轉子和定子組成。其中：轉子由車軸、軸套、永磁體等構成，無勵磁線圈，軸套與車軸過盈配合；定子由機殼、鐵芯、線圈繞組等構成，鐵芯采用冷軋硅鋼片疊壓而成，線圈采用扁銅線繞制，定子的兩端通過軸承安裝在車軸上[6]。

a) 轉子

對稱式三角反力桿設有3個彈性節(jié)點，其中，與構架端連接的彈性節(jié)點在縱向(列車前進方向)采用開槽設計，使得節(jié)點縱向剛度和節(jié)點偏轉剛度極小但垂向(平衡牽引/制動力矩方向)剛度較大。彈性節(jié)點的垂向大剛度在電機牽引制動提供反力矩時產(chǎn)生的變形小，彈性節(jié)點的縱向小剛度不會對一系產(chǎn)生額外附加剛度。彈性節(jié)點偏轉剛度極小，導致其產(chǎn)生的輪對附加搖頭剛度也極小，同時由于三角桿式彈性支撐結構在縱向上的長度足夠，可以保證輪對與構架在相對運動時電機定子與轉子的相對角較小。

2.2 永磁直驅(qū)轉向架構架

如圖6所示，永磁直驅(qū)轉向架構架采用全鋼焊接H型結構，側梁采用U型結構，斷面為箱形結構，橫梁采用箱型結構，并設有對稱式三角反力桿安裝座、橫向止擋和牽引拉桿安裝復合座。

圖6 永磁直驅(qū)轉向架構架示意圖Fig.6 Schematic diagram of permanent magnet direct drive bogie frame

2.3 其他結構

圖7為一系懸掛裝置，該裝置采用錐形橡膠堆提供垂向橫向與縱向剛度，結構簡單，技術成熟可靠。圖8為二系懸掛裝置，該裝置采用空氣彈簧全承載結構，設置了橫向和垂向減振器衰減振動，設置橫向止擋用以限制二系產(chǎn)生過大的橫向位移，設置了較大的空簧橫向跨距，并取消了扭桿。

圖7 一系懸掛裝置Fig.7 Primary suspension device

圖8 二系懸掛裝置Fig.8 Secondary suspension device

圖9為該轉向架的中心牽引結構，該裝置采用Z型雙牽引拉桿牽引，其產(chǎn)生的附加橫向和垂向剛度均較小，有利于提高乘客的乘坐舒適性。

圖9 Z型雙牽引拉桿Fig.9 Z-type double traction rod

如圖10所示，基礎制動的踏面制動單元先安裝在過渡板上，再通過3個穿過側梁的螺栓固定在側梁上。在每根車軸的1個軸端上設置了1套軸端防滑裝置，以防止列車制動時車輪打滑。

圖10 踏面制動單元安裝示意圖Fig.10 Installation diagram of tread brake unit

3 主要臺架試驗驗證

為驗證永磁直驅(qū)轉向架的性能，本文對永磁直驅(qū)電機、構架等部件進行了試驗驗證。依據(jù)IEC 60349-4:2012《電力牽引 鐵路與道路車輛用旋轉電機 第4部分:與電子變流器相連接的永磁同步電機》，參照對電力牽引軌道機車車輛和公路車輛用旋轉電機的相關標準，對永磁直驅(qū)電機進行了冷態(tài)電阻、絕緣電阻、振動限度、空載反電動勢、穩(wěn)態(tài)短路、溫升、熱態(tài)絕緣電阻、耐壓、特性、效率、噪聲、超速等試驗，并與牽引系統(tǒng)進行了配套試驗。驗證結果表明：各項參數(shù)均符合相關標準的要求；永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)的效率比異步牽引系統(tǒng)的效率約高5%(見圖11)。

圖11 永磁直驅(qū)系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)牽引效率對比Fig.11 Efficiency comparison of permanent magnet direct drive system and asynchronous traction system

4 主要線路試驗驗證

將裝用永磁直驅(qū)轉向架的列車與裝有異步牽引系統(tǒng)的列車在線路上共線運行，依據(jù)合同和相關標準開展了各項型式試驗，結果表明各項性能指標均滿足要求。針對永磁直驅(qū)轉向架的特點，本文重點在能耗及動力學性能方面，將永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的試驗數(shù)據(jù)進行對比。

4.1 能耗對比

本文在徐州地鐵1號線(路窩站—徐州東站站)上進行試驗測試。分別選取1列永磁直驅(qū)列車和1列異步牽引系統(tǒng)列車，兩列車均采用ATO(列車自動運行)往返運行一圈，測試地鐵車輛在AW0(空載)、AW2(定員載荷)、AW3(超員載荷)3種載荷工況下的牽引總能耗(包括牽引能耗和輔助能耗)。

如表2所示，試驗結果表明，與異步牽引系統(tǒng)列車相比，永磁直驅(qū)列車的牽引總能耗可減少20%～30%。

表2 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的能耗對比結果Tab.2 Comparison results of energy consumption of permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train

4.2 動力學性能對比

動力學試驗結果表明：在AW0、AW3兩種載荷工況下，對于空氣彈簧有氣和無氣兩種情況，裝用永磁直驅(qū)轉向架的列車在正線運行時的安全指標均滿足GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》和合同的要求，平穩(wěn)性指標達到優(yōu)等級。

如圖12～15(皆在AW0工況下)，裝用永磁直驅(qū)轉向架的動車的動力學試驗指標(包括脫軌系數(shù)、輪重減振率、輪軸橫向力和垂向平穩(wěn)性指標等)均優(yōu)于裝用異步牽引系統(tǒng)轉向架的動車。

注：基于310 m最小曲線半徑進行計算對比。圖12 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的脫軌系數(shù)對比Fig.12 Comparison of derailment coefficients between permanent magnet direct drive trains and asynchronous traction system trains

注：基于310 m最小曲線半徑進行計算對比。圖13 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的輪重減載率對比Fig.13 Comparison of wheel load reduction ratio between permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train

注：基于310 m最小曲線半徑進行計算對比。圖14 永磁直驅(qū)列車和異步牽引系統(tǒng)列車的輪軸橫向力Fig.14 Axle lateral force of permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train

a) 橫向平穩(wěn)性

由圖12～14可看出,與異步牽引系統(tǒng)列車相比，永磁直驅(qū)轉向架列車的脫軌系數(shù)小0.05～0.21，輪重減載率小0.22～0.30，輪軸橫向力小3～18 kN。

由圖15可看出,相較于異步牽引系統(tǒng)列車,永磁直驅(qū)轉向架列車在橫向平穩(wěn)性、垂向平穩(wěn)性上更優(yōu)。在80 km/h運行速度下,永磁直驅(qū)轉向架列車的橫向平穩(wěn)性降低了約0.25,垂向平穩(wěn)性降低了約0.10。

5 結語

B型地鐵車輛采用永磁直驅(qū)轉向架既結合了具有節(jié)能環(huán)保特點的永磁同步電機技術，還實現(xiàn)了車輛的小軸距，提升了列車在曲線段的通過能力。與采用異步牽引系統(tǒng)的列車相比，采用永磁直驅(qū)轉向架的列車牽引系統(tǒng)效率約高5%，列車節(jié)能幅度為20%～30%。而且，裝用永磁直驅(qū)轉向架的地鐵列車的曲線通過安全性指標更優(yōu)，可適應更小的正線曲線半徑，有利于降低線路的規(guī)劃難度、減少線路的建設成本。