一種鐵路貨車軸驅(qū)供電系統(tǒng)研制

董 曉 涂智文 張金發(fā) 李 智

（1.國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100120；2.中車長(zhǎng)江集團(tuán)科技開發(fā)分公司，湖北 武漢 430212；3.株洲科盟車輛配件有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412003）

0 引言

隨著交通運(yùn)輸供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的持續(xù)深化以及鐵路運(yùn)輸增量行動(dòng)的開展，大宗貨物運(yùn)輸回歸鐵路，鐵路貨車運(yùn)用安全壓力逐年增大，為進(jìn)一步提升鐵路貨車安全運(yùn)用保障能力，有必要提升既有鐵路貨車裝備性能?！督煌◤?qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》也明確提出推廣新能源、清潔能源、智能化、數(shù)字化、輕量化、環(huán)保型交通裝備及成套技術(shù)裝備。因此從安全需求、技術(shù)發(fā)展、政策導(dǎo)向等多層面來看，鐵路貨車上電已成為發(fā)展趨勢(shì)。

鐵路貨車供電方式可分為機(jī)車集中供電、車輛自供電以及外部充電等，從車輛運(yùn)用方便性、用電安全持久性等方面考慮，宜采用車輛自供電方式。車輛自供電可采用太陽(yáng)能、風(fēng)能、振動(dòng)、軸驅(qū)、柴油機(jī)、聲能等發(fā)電形式。該文提出了一種適應(yīng)鐵路貨車使用的軸驅(qū)供電系統(tǒng)，旨在提供一種結(jié)構(gòu)輕巧、性能可靠、綠色環(huán)保且發(fā)電量大的車輛自供電系統(tǒng)，解決鐵路貨車上電問題。

1 國(guó)、內(nèi)外車輛供電技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外車輛供電技術(shù)現(xiàn)狀

柏林工業(yè)大學(xué)2002年研制的時(shí)速160 km Leila快速貨車轉(zhuǎn)向架，裝用電子智能故障診斷系統(tǒng)，具有軸承溫度、制動(dòng)機(jī)狀態(tài)、脫軌等監(jiān)測(cè)及車輪防滑功能。其系統(tǒng)能源由小型太陽(yáng)能蓄電池、軸承發(fā)電機(jī)或風(fēng)動(dòng)發(fā)電機(jī)供給。

日本Sinfonia Technolog公司2010年研發(fā)的Sinfonia貨運(yùn)列車ABS系統(tǒng)由軸端發(fā)電機(jī)、速度傳感器、控制器、節(jié)電型防滑閥組成?？刂破靼娫纯刂撇糠帧⒒锌刂撇糠趾烷L(zhǎng)壽命雙層型電容。其軸端發(fā)電機(jī)質(zhì)量14 kg，轉(zhuǎn)速164 r/min時(shí)輸出功率25 W，轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)輸出功率122 W，使用溫度為-30 ℃～120 ℃。

在2012年柏林技術(shù)展覽會(huì)上，德國(guó)Kaminski科技公司展出了一種車輛定位和運(yùn)用信息傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在任一臺(tái)裝有軟件能連接互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)查詢車輛所處的位置和運(yùn)行速度等信息。該系統(tǒng)當(dāng)年即已在歐洲裝車100余輛。該系統(tǒng)主要包括線圈、電磁鐵、蓄電池、速度傳感器、GPS位置定位器和信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備，安裝于Y25軸箱軸承端蓋內(nèi)。系統(tǒng)的供電采用車軸與端蓋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)電，利用蓄電池存儲(chǔ)電能。該發(fā)電裝置在車速80 km/h時(shí)的發(fā)電能力約30 W。

1.2 國(guó)內(nèi)車輛供電技術(shù)

我國(guó)206系列客車轉(zhuǎn)向架采用客車感應(yīng)子發(fā)電機(jī)，通過皮帶輪將車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到發(fā)電機(jī)，進(jìn)入帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。我國(guó)的鐵路冷藏車采用柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

2 主要結(jié)構(gòu)及功能

2.1 軸驅(qū)供電系統(tǒng)

軸驅(qū)供電系統(tǒng)主要由軸驅(qū)發(fā)電裝置、整流單元、儲(chǔ)能單元以及電能管理和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 軸驅(qū)供電系統(tǒng)框圖

2.2 軸驅(qū)發(fā)電裝置

軸驅(qū)發(fā)電裝置主要由軸端發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)支座、聯(lián)軸器和防護(hù)罩等組成。發(fā)電機(jī)支座通過4個(gè)螺栓與轉(zhuǎn)向架承載鞍端面連接，軸端發(fā)電機(jī)、防護(hù)罩分別通過6個(gè)螺栓與發(fā)電機(jī)支座連接，軸端發(fā)電機(jī)通過安裝在車軸端面上的聯(lián)軸器與車軸相連，如圖2所示。

圖2 軸驅(qū)發(fā)電裝置安裝示意圖

軸端發(fā)電機(jī)采用盤式軸向磁路永磁無刷結(jié)構(gòu)，主要由端蓋、轉(zhuǎn)子、定子、轉(zhuǎn)軸和殼體等組成，具有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高和效率高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足車輛限界要求，對(duì)車軸影響小。軸端發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軸端發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機(jī)支座采用半環(huán)弧面開式結(jié)構(gòu)，設(shè)內(nèi)、外兩安裝面，內(nèi)安裝面與承載鞍連接，外安裝面與軸端發(fā)電機(jī)、防護(hù)罩連接。半環(huán)弧面開式結(jié)構(gòu)既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又有利于車輛運(yùn)行時(shí)軸承及軸端發(fā)電機(jī)充分散熱。

為滿足不拆卸發(fā)電機(jī)達(dá)到卸輪的要求以及避免發(fā)電機(jī)卡滯對(duì)車軸的不良影響，該裝置采用的聯(lián)軸器為開口槽型間隙連接結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)嵌高強(qiáng)度尼龍襯套，底座設(shè)置3個(gè)連接孔，通過車軸上既有的螺栓與軸承端蓋連接，將與聯(lián)軸器配合的軸端發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸端部分打扁，并在轉(zhuǎn)軸軸端外圈增設(shè)軸套，軸套與轉(zhuǎn)軸軸端通過彈性銷連接。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扁平的軸端結(jié)構(gòu)可將車軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)作可靠傳遞給發(fā)電機(jī)，進(jìn)而保證平穩(wěn)發(fā)電，而彈性銷連接軸套結(jié)構(gòu)可在軸端發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)生卡滯故障時(shí)破壞彈性銷，釋放車軸旋轉(zhuǎn)。

2.3 整流單元

整流單元采用自適應(yīng)主動(dòng)變流器及直流變流器，利用自主學(xué)習(xí)的算法控制及軟開關(guān)技術(shù)，使軸驅(qū)發(fā)電裝置在車輛不同運(yùn)行速度（即轉(zhuǎn)速）下輸出穩(wěn)定的直流電壓，并能夠在變速（特別是在低速）情況下保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，可解決鐵路貨車運(yùn)行速度波動(dòng)對(duì)輸出電壓穩(wěn)定性的不良影響。

2.4 儲(chǔ)能單元

儲(chǔ)能單元鋰采用鋰電池，具有能量密度大、無記憶功能等優(yōu)點(diǎn)，通過合理的電能管理，使用壽命不低于4年。儲(chǔ)能單元可保證車輛在停車或低速狀態(tài)下通信、照明、制動(dòng)等功能正常，并具備一定時(shí)長(zhǎng)的待機(jī)功能。

2.5 電能管理和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

電能管理和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用智能故障診斷算法，預(yù)測(cè)故障并報(bào)警，根據(jù)能量最優(yōu)原則調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，并具備提供電量顯示、預(yù)測(cè)工作時(shí)間的功能。電能管理和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可提高電能使用效率、延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，使電源適應(yīng)車輛寬溫度范圍的使用條件，確保用電安全。

3 主要技術(shù)參數(shù)

當(dāng)軸驅(qū)發(fā)電機(jī)自重≤10kg；適應(yīng)環(huán)境溫度-50℃～110℃；車速20km/h（車輪直徑840mm）時(shí)，輸出功率≥15W，車速100km/h（車輪直徑840mm）時(shí)，輸出功率≥200W；輸出直流電壓DC110V、DC48V、DC24V、DC12V；防護(hù)等級(jí)IP65。

4 試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證軸驅(qū)供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件——軸端發(fā)電機(jī)的了可靠性，該文開展了性能、高低溫、振動(dòng)沖擊、防水以及鹽霧等系列試驗(yàn)。

4.1 性能試驗(yàn)

在常溫、無風(fēng)冷狀態(tài)下，軸端發(fā)電裝置三相輸出線懸空，控制試驗(yàn)臺(tái)模擬車速?gòu)?0km/h上升至140km/h，記錄軸端發(fā)電機(jī)三相輸出線電壓，每級(jí)車速試驗(yàn)時(shí)間不超過30s。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中車速為20km/h時(shí)，軸端發(fā)電機(jī)最小空載交流電壓為36V，對(duì)應(yīng)整流后直流電壓為24.2V。

圖4 空載特性試驗(yàn)曲線

在常溫、無風(fēng)冷狀態(tài)下，將軸端發(fā)電裝置三相輸出線接入試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整模擬負(fù)載至55Ω，控制試驗(yàn)臺(tái)模擬車速?gòu)?0km/h上升至140km/h。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中車速為20km/h時(shí)，軸端發(fā)電機(jī)輸出功率為16.7W，車速為100km/h時(shí)，軸端發(fā)電機(jī)輸出功率為383.1W。

圖5 額定負(fù)載試驗(yàn)曲線

在常溫、無風(fēng)冷狀態(tài)下，將軸端發(fā)電裝置三相輸出線接入試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整模擬負(fù)載至48Ω，控制試驗(yàn)臺(tái)模擬車速?gòu)?0km/h上升至140km/h。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)整負(fù)載至48Ω時(shí)，各速度等級(jí)下軸端發(fā)電裝置均能正常工作。過載試驗(yàn)曲線如圖6所示。

圖6 過載試驗(yàn)曲線

4.2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

為了驗(yàn)證軸端發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及連接可靠性，該文根據(jù)GB/T 21563—2018標(biāo)準(zhǔn)中3類車軸安裝的相應(yīng)試驗(yàn)要求對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。

測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)功能性振動(dòng)、長(zhǎng)壽命振動(dòng)以及沖擊等試驗(yàn)后，軸端發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)完好，無裂損情況，仍能正常發(fā)電，工作能力正常。

4.3 高、低溫試驗(yàn)

為了驗(yàn)證軸端發(fā)電機(jī)環(huán)境溫度適應(yīng)性，在高、低溫箱里分別進(jìn)行了70 ℃環(huán)境下保溫12 h、110 ℃環(huán)境下保溫3 h后恢復(fù)室溫、-50 ℃環(huán)境下保溫48 h等工況下的性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如下。1）70 ℃保溫12 h、車速40 km/h工況下，軸端發(fā)電機(jī)輸出功率為46.2 W，比常溫環(huán)境下的功率（48.8 W）下降5.2%。2）110 ℃保溫3 h后恢復(fù)室溫、車速40 km/h工況下，軸端發(fā)電裝置輸出功率為47.5 W，比常溫環(huán)境下的功率下降0.3%。3）-50 ℃保溫48 h、車速40 km/h工況下，軸端發(fā)電裝置輸出功率為49.0 W，在低溫環(huán)境下發(fā)電機(jī)仍能正常發(fā)電。

4.4 防水及鹽霧試驗(yàn)

為了驗(yàn)證軸端發(fā)電機(jī)的防護(hù)能力及耐腐蝕能力，該文對(duì)其進(jìn)行了防水試驗(yàn)及鹽霧試驗(yàn)。

防水試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境為25 ℃，49%RH；測(cè)試設(shè)備為防水試驗(yàn)箱；試驗(yàn)方法按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529-2013《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》的IP65進(jìn)行；噴嘴內(nèi)徑為6.3 mm；流量速率為12.5 L/min±5%；噴嘴到樣品表面的距離為2.5 m～3 m；測(cè)試時(shí)間為3 min。

鹽霧試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境為24 ℃，51%RH；測(cè)試設(shè)備為鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)；測(cè)試方法為GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》；鹽霧濃度為4%～6%；測(cè)試溶液pH值為6.5～7.2；噴霧量為1.0 ml/80 cm/h～2.0 ml/80 cm/h；試驗(yàn)柜溫度為35.0±2.0 ℃；駐留時(shí)間為48 h。

經(jīng)防水及鹽霧試驗(yàn)后，電機(jī)本體表面無銹蝕，分解后檢查，內(nèi)部無殘水跡、無銹蝕，內(nèi)部狀態(tài)良好。經(jīng)測(cè)試電機(jī)工作正常，性能穩(wěn)定。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，軸端發(fā)電機(jī)性能穩(wěn)定可靠，符合GB/T 21563—2018、GB/T 10125—2012等相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，可滿足鐵路貨車裝車使用要求，適應(yīng)中國(guó)鐵路運(yùn)用環(huán)境條件。

5 技術(shù)特點(diǎn)

鐵路貨車軸驅(qū)供電系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)。1）采用盤式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)，具有質(zhì)量輕、軸向長(zhǎng)度小、輸出穩(wěn)定、輸出功率密度大等優(yōu)點(diǎn)。2）采用安全的電池管理算法，可保證電池的安全運(yùn)行。3）采用主動(dòng)變流器及軟開關(guān)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同速度下輸出最佳功率并降低系統(tǒng)功耗，提高電能采集效率。4）采用間隙聯(lián)軸器，可適應(yīng)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架裝用，并可實(shí)現(xiàn)不拆卸發(fā)電機(jī)退卸輪對(duì)。5）模塊化設(shè)計(jì)，可適應(yīng)多種轉(zhuǎn)向架安裝需求。

6 結(jié)語(yǔ)

鐵路貨車軸驅(qū)供電系統(tǒng)采用盤式軸向磁路永磁無刷結(jié)構(gòu)的軸驅(qū)發(fā)電機(jī)、具有自適應(yīng)主動(dòng)變流功能的整流單元以及具有智能故障診斷與溫度調(diào)節(jié)能力的電能管理和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了安裝便捷性、輸出高效性及運(yùn)用的可靠性設(shè)計(jì)，為鐵路貨車上電提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，突破了很多安全新技術(shù)在鐵路貨車上應(yīng)用的瓶頸，奠定了大幅度提升鐵路貨車安全運(yùn)行性能的基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)鐵路貨車重載、快捷技術(shù)進(jìn)步以及促進(jìn)鐵路貨車跨入電氣化時(shí)代具有重要意義。