新能源軌道車單電機(jī)動(dòng)力總成匹配設(shè)計(jì)

段啟楠

(中鐵四局集團(tuán)有限公司第八工程分公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，環(huán)境保護(hù)要求的提高，工程機(jī)械設(shè)備采用新能源動(dòng)力取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力趨勢明顯。新能源軌道車作為地鐵施工中各種軌料、混凝土的物料和鋼軌焊接運(yùn)輸設(shè)備的牽引動(dòng)力的唯一來源，是地鐵軌道施工時(shí)必備裝備，要求在35‰坡道上具有牽引100 t的能力，最高運(yùn)行速度45 km/h，最小通過曲線半徑100 m。新能源軌道車牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方式，一種是單電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(圖1)，即采用一臺永磁同步牽引電機(jī)將動(dòng)力傳送至車輛分動(dòng)箱裝置，分動(dòng)箱將動(dòng)力分別傳送至前、后車軸齒輪箱的輪對上，從而驅(qū)動(dòng)整車走行；另一種是雙電機(jī)獨(dú)立牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(圖2)，即采用兩臺永磁同步牽引電機(jī)，分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)前、后車軸齒輪箱的輪對上，從而驅(qū)動(dòng)整車走行[1]。

圖1 單電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖2 雙電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1 電機(jī)功率計(jì)算及選型

1.1 電機(jī)功率計(jì)算

電機(jī)功率P=m*g*μj*V/η

根據(jù)(GB12814—2002)鐵道車輛用車軸型式與基本尺寸規(guī)定，B型車軸每根軸重小于15 t，新能源軌道車軸重按14 t設(shè)計(jì)，則新能源軌道車設(shè)計(jì)自重28 t。

V是新能源軌道車運(yùn)行速度，根據(jù)軌道車在地鐵施工的經(jīng)驗(yàn)綜合分析，軌道車一般牽引運(yùn)行速度不超過15 km/h，綜合平均速度V取值為15 km/h。

輪軌粘著系數(shù)的選取，是參照《牽規(guī)》中國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車車輪與鋼軌粘著系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[2]：

μj= 0.248+5.9/(70+20*45)

=0.254 (直線)

機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率η取0.9。

P=118.5 kW

1.2 電機(jī)選型

(1)單電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)

對比電機(jī)特性，選用具有低速大扭矩輸出特性的永磁同步牽引電機(jī)，電機(jī)功率為150 kW，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)該電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為1450 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為2900 N·m，額定轉(zhuǎn)速為980 rpm，最大轉(zhuǎn)速為2600 rpm。

(2)雙電機(jī)獨(dú)立牽引驅(qū)動(dòng)

對比電機(jī)特性，選用具有低速大扭矩輸出特性的永磁同步牽引電機(jī)，數(shù)量2臺，電機(jī)功率為150 kW，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)該電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為1450 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為3100 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1000 rpm，最大轉(zhuǎn)速為2800 rpm。

2 單、雙電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)方案比選

2.1 電機(jī)工作效率分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為整車驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源，電機(jī)的工作效率高低，直接影響到新能源軌道車的續(xù)航里程。根據(jù)軌道車在地鐵施工的經(jīng)驗(yàn)綜合分析，軌道車一般牽引運(yùn)行速度不超過15 km/h，且單程運(yùn)距短，存在啟停、加速、減速和制動(dòng)等頻繁操作，永磁同步牽引電機(jī)大部分工作區(qū)間轉(zhuǎn)速為0～1500 rpm，此時(shí)，電機(jī)處于低速大扭矩輸出狀態(tài)，牽引電機(jī)長時(shí)間處于低功率工作狀態(tài)，永磁同步牽引電機(jī)輸出特性曲線示意圖如圖3所示，從效率曲線(紅色)可知，車輛常用工作區(qū)域牽引電機(jī)大部分時(shí)間工作于低效率區(qū)間。因此，同等工況下，單電機(jī)效率更高，能耗利用率高，經(jīng)綜合分析計(jì)算，相較于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式可提高能耗利用率10%以上。相同作業(yè)工況下，同等電量電池組，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式作業(yè)續(xù)航里程可提高約10%。

圖3 永磁同步牽引電機(jī)輸出特性曲線示意圖

2.2 電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)高度分析

如圖4所示，采用單電機(jī)與雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)形式相比，采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其牽引電機(jī)的安裝高度明顯提高，兩種方案電機(jī)的高差為370 mm，優(yōu)化了軌道車車架下側(cè)部件的布置，從而提高軌道車下側(cè)電氣部件距離軌面的最低高度，有利于軌道車通過積水、泥漿、揚(yáng)塵等復(fù)雜惡劣工況，提高車輛運(yùn)行安全防護(hù)。

圖4 單、雙電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)對比圖

2.3 電機(jī)同步控制分析

車輛前后均為單動(dòng)力輪對，因軸箱間隙等機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，在軌道不平順或濕滑狀況，易出現(xiàn)一輪對打滑及被動(dòng)沖擊等情況，且兩臺電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，獨(dú)立的電機(jī)控制器控制會導(dǎo)致前、后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同步性存在誤差，從而導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)異常磨損，且打滑浪費(fèi)部分電能，從而減少續(xù)航里程；而單電機(jī)驅(qū)動(dòng)至分動(dòng)箱裝置，分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)前后車軸齒輪箱走行，車輛前后無輪對不同步走行問題[3]。

2.4 動(dòng)力電組的使用壽命及電路設(shè)計(jì)分析

150 kW永磁同步牽引電機(jī)額定電流為250～300 A，啟動(dòng)峰值電流500 A左右，雙電機(jī)在額定功率狀態(tài)下主回路放電電流為500～600 A，啟動(dòng)峰值電流1000 A左右，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組在1C以內(nèi)放電，新能源軌道車容量均未超過600 Ah，因此，2臺150 kW永磁同步牽引電機(jī)若同時(shí)大功率放電將降低鋰電池組的使用壽命，且500～600 Ah大電流電路對主電路電纜及電氣元器件要求更高，安全防護(hù)等級要求更高，難以實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，從電機(jī)能耗利用率、兩驅(qū)動(dòng)輪對同步控制、電氣部件安裝防護(hù)高度、動(dòng)力電組的使用壽命及電路設(shè)計(jì)分析來看，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)于雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，僅在鋰電池組安裝在軌道車車架下部，受制于空間限制，無法布置中間傳動(dòng)系統(tǒng)，采用雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式。

3 單電機(jī)動(dòng)力總成匹配設(shè)計(jì)

3.1 車軸齒輪箱及分動(dòng)箱的選型匹配

(1)根據(jù)牽引條件[4]，初步確定低速牽引工況車輛總減速比范圍k

k=1.06*(G+P)g*i*D/2 N

新能源車輛自重G取28 t；

被牽引車輛重量P取100 t；

線路坡度系數(shù)i取值35；

新能源車輛輪徑D取840 mm；

電機(jī)額定扭矩N取1450 Nm。

經(jīng)過計(jì)算，在低速牽引工況下，確定車輛總減速比范圍取值不小于13.4。

(2)根據(jù)運(yùn)行最高條件，初步確定高速走行工況車輛總減速比范圍

k=188*n*D/v

電機(jī)最大轉(zhuǎn)速n取2600 rpm。

新能源車輛速度v為取45 km/h。

經(jīng)過計(jì)算，在高速走行工況下，確定車輛總減速比取值范圍k不大于9.1。

(3)分動(dòng)箱的選型

考慮到車輛牽引力與速度對總減速比的要求差異大，需要兩檔以上分動(dòng)箱，綜合市場分動(dòng)箱廠家參數(shù)和成本價(jià)格，最終選擇兩檔分動(dòng)箱，設(shè)置一個(gè)高速檔(減速比為1)和一個(gè)低速檔(低檔減速比1.58)。分動(dòng)箱主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 分動(dòng)箱主要技術(shù)參數(shù)

(4)車軸齒輪箱速比的確定

根據(jù)計(jì)算總減速比與分動(dòng)箱速比之間的關(guān)系，確定車軸齒輪箱速比范圍在8.4～9.1之間，結(jié)合配套廠家的參數(shù)，最終選擇車軸齒輪箱減速比為8.72。因此車輛總減速比為：高速擋為8.72和低速擋為13.7。

3.2 動(dòng)力系統(tǒng)牽引力及速度校核計(jì)算

低速檔持續(xù)輸出牽引力：1450 Nm*13.7/0.42 m=47.3 kN，啟動(dòng)牽引力按1.5倍系數(shù)計(jì)算得啟動(dòng)牽引力71 kN

高速檔最大速度：

2600 rpm/8.72*60*3.14*840=47.2 km/h

因此，計(jì)算得車輛低速擋持續(xù)牽引力為47.3 kN，啟動(dòng)牽引力為71 kN，車輛高速擋最大走行速度47.2 km/h>45 km/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 單電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單電機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要由永磁同步電機(jī)、傳動(dòng)軸、分動(dòng)箱、車軸齒輪箱等組成，考慮地鐵施工部分線路積水，防止軌道車通過時(shí)，電機(jī)及分動(dòng)箱浸水，造成設(shè)備故障，故將永磁同步牽引電機(jī)和分動(dòng)箱高度設(shè)置于車架與車廂之間，電機(jī)偏向一端操作臺，分動(dòng)箱布置在車架中部[5]，如圖5所示。

圖5 單電機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型圖

4 新能源軌道車現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)線路：最大坡道30‰～35‰、帶曲線、道岔等綜合線路工況8 km左右，現(xiàn)場軌道車在線試驗(yàn)與部分線路施工作業(yè)穿插進(jìn)行；線路鋼軌表面干燥，環(huán)境溫度28 ℃，濕度58%。

4.1 軌道車單機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)

新能源軌道車根據(jù)現(xiàn)場線路工況進(jìn)行了單機(jī)啟動(dòng)、單機(jī)運(yùn)行、過曲線、過道岔等綜合線路運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 新能源軌道車單機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)

4.2 軌道車重載運(yùn)行試驗(yàn)

新能源軌道車根據(jù)現(xiàn)場線路工況進(jìn)行了重載聯(lián)掛103t(搗固車自重75t+整形車自重28t)、重載聯(lián)掛82t(K13漏斗車自重22t+載重60t道砟)試驗(yàn)，車輛多次重載聯(lián)掛大坡道啟動(dòng)、大坡道運(yùn)行、聯(lián)掛過曲線、過道岔等線路運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。表3

新能源軌道車重載運(yùn)行試驗(yàn)

4.3 軌道車制動(dòng)試驗(yàn)

針對新能源軌道車單機(jī)運(yùn)行、聯(lián)掛運(yùn)行的制動(dòng)性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 新能源軌道車制動(dòng)試驗(yàn)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

曲線和道岔通過性能試驗(yàn)，新能源軌道車以規(guī)定速度通過設(shè)計(jì)規(guī)定的最小半徑曲線時(shí)，檢查各部件正常運(yùn)動(dòng)不受限制，連接風(fēng)管、跨接電纜、傳動(dòng)裝置的連接軟管，連接線等長度符合要求，傳動(dòng)裝置、車軸齒輪箱，牽引電機(jī)運(yùn)行正常，軌道沒有因擠壓產(chǎn)生永久變形，檢查車鉤連接性能符合要求；以規(guī)定的速度通過道岔時(shí)，走行部運(yùn)行靈活，道岔鋼軌沒有產(chǎn)生永久變形。曲線和道岔通過性能試驗(yàn)結(jié)果符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

單機(jī)運(yùn)行風(fēng)制動(dòng)試驗(yàn)，單機(jī)緊急制動(dòng)試驗(yàn)，在通過施加制動(dòng)的標(biāo)志之前，切除動(dòng)力，使軌道車運(yùn)行速度接近預(yù)定速度25 km/h，進(jìn)入試驗(yàn)線路，實(shí)施緊急制動(dòng)，制動(dòng)后走行距離小于45 m，車輪踏面沒有擦傷，經(jīng)過三次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果誤差不超規(guī)定值，單機(jī)緊急制動(dòng)距離符合設(shè)計(jì)要求。單機(jī)駐車制動(dòng)試驗(yàn)，30‰～35‰大坡道，滿足不溜車。連掛列風(fēng)制動(dòng)試驗(yàn)(綜合測試)，平道及中小坡道，加速后制動(dòng)，制動(dòng)距離滿足同類型軌道車制動(dòng)要求。連掛試驗(yàn)列車大坡道風(fēng)制動(dòng)試驗(yàn)(綜合測試)，30‰～35‰大坡道連掛車輛滿足不溜車。

單機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)，在推送時(shí)，不同速度下的基本阻力試驗(yàn)和起動(dòng)阻力試驗(yàn)符合規(guī)定要求。牽引工況下?lián)Q檔性能試驗(yàn)，高速檔最大速度達(dá)45 km/h，低速檔最大速度達(dá)30 km/h。軌道車由低速到高速和由高速返回低速時(shí)各換檔點(diǎn)的速度、牽引力、主電壓、主電流等符合設(shè)計(jì)要求。

重載運(yùn)行牽引特性試驗(yàn)和最大起動(dòng)牽引力試驗(yàn)，軌道車牽引工況，受粘著力限制，取輪對空轉(zhuǎn)前牽引力最大值，聯(lián)掛試驗(yàn)列車82 t、103 t兩種牽引噸位，高低檔正常運(yùn)行，高檔最大速度達(dá)25 km/h，低檔最大速度達(dá)12 km/h，牽引特性試驗(yàn)和最大起動(dòng)牽引力試驗(yàn)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，新能源軌道車各試驗(yàn)項(xiàng)目的主要測量參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

新能源軌道車單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式采用一臺額定功率150 kW的永磁同步牽引電機(jī)，通過高低速檔位與分動(dòng)箱傳動(dòng)布置形式，低速檔位持續(xù)爬坡牽引力達(dá)47 kN，啟動(dòng)牽引力達(dá)71 kN，滿足車輛35‰坡道下牽引力要求，高速檔位下可滿足最大運(yùn)行速度45 km/h，且滿足軌道車地鐵施工工況下，牽引重量與速度匹配要求。

單電機(jī)加分動(dòng)箱裝置驅(qū)動(dòng)形式相比雙電機(jī)兩輪對獨(dú)立驅(qū)動(dòng)軌道車，單電機(jī)方案電機(jī)工作區(qū)間工作效率更高，整車效率及能耗利用率高；單電機(jī)加分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)形式，輪對不存在同步問題，亦減少了因同步問題產(chǎn)生的沖擊載荷，減少輪對磨耗及熱消耗。

新能源軌道車完成試制后在現(xiàn)場進(jìn)行型式試驗(yàn)及運(yùn)行，車輛運(yùn)行情況良好，整車性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能滿足地鐵各種施工工況下的工程路料運(yùn)輸及救援作業(yè)等牽引要求，該軌道車的成功研制，改善作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)尾氣“零排放”同時(shí)降低噪音污染，推動(dòng)了地鐵施工裝備向無煙、環(huán)保、節(jié)能方向發(fā)展的歷史征程，對于實(shí)現(xiàn)地鐵綠色施工具有重要意義。