時速160km鼓形動力集中動車組動力車總體設(shè)計

王 松 ,戚百靈 ,楊俊鋒

(1.中車大連機車車輛有限公司,遼寧 大連 116022;2.大連交通大學(xué),遼寧 大連 116028)

時速160 km 動力集中動車組是由中國國家鐵路集團有限公司主導(dǎo)研制開發(fā)的,用于在普速線路上開通動車組列車,提升客運列車運行品質(zhì)。為解決走廊過道尺寸小、座椅相對較窄等問題,將動車組外形改為鼓形,車寬由3 105 mm 變更為3 360 mm。作為整列動車組動力源的動力車,也需要同時改為鼓形車體,進行系統(tǒng)優(yōu)化和提升,為此筆者公司進行了時速160 km 鼓形動力集中動車組動力車(以下簡稱“動力車”)的研制工作,該車是在FXD3-J型動力車上進行優(yōu)化升級,運行于普通線路的動力集中動車組動力車。

1 動力車的主要技術(shù)特點

1.1 主要變化項點

動力車采用異步牽引電機、臥式主變壓器、IGBT 元件組成的水冷變流器、單軸控制、微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、電子控制的制動系統(tǒng)、全懸掛轉(zhuǎn)向架、獨立通風(fēng)冷卻等技術(shù),單軸功率≥1 400 kW,最高運營速度160 km/h,適應(yīng)我國鐵路使用環(huán)境。圖1為時速160 km 動力車外形圖。

圖1 時速160 km 動力車外形圖

相比較既有動力車,鼓形動力車主要變化項點如下:

(1) 車體寬度增加,側(cè)面變?yōu)楣男?司機室流線形做相應(yīng)調(diào)整;

(2) 通信網(wǎng)絡(luò)由Lon Works/MVB 變?yōu)镋TH/MVB;

(3)DC 110 V 供電、停放制動、安全環(huán)路一體化設(shè)計;

(4) 車端間距變化,后端密接式車鉤向后移動138 mm,取消后端墻的折棚風(fēng)擋過渡架,重聯(lián)插座和列車供電插座相應(yīng)變化;

(5) 頭罩、內(nèi)裝、操縱臺、前窗玻璃、側(cè)窗玻璃、側(cè)開窗、遮陽簾、側(cè)入口門、側(cè)入口門鎖、扶手桿根據(jù)鼓形變化進行相應(yīng)變化;

(6) 折棚風(fēng)擋、外風(fēng)擋、導(dǎo)流罩、司機座椅根據(jù)聯(lián)合設(shè)計要求進行變更;

(7) 保溫材料、地板根據(jù)司機室空氣質(zhì)量控制要求進行變更。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 技術(shù)參數(shù)

表1為時速160km 動力車主要技術(shù)參數(shù)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2.2 功率發(fā)揮基本要求

動力車功率發(fā)揮不得低于圖2所示的曲線。由圖2可知,在22.5 kV到29 kV網(wǎng)壓下,輪周功率為5 600 kW;網(wǎng)壓從22.5 kV到19 kV,輪周功率從5 600 kW線性減小,網(wǎng)壓在19 kV時,輪周功率為4 729 kW;網(wǎng)壓從19 kV到17.5 kV,輪周功率從4 729 kW線性下降到0;網(wǎng)壓從29 kV到31 kV,輪周功率從5 600 kW線性下降到0。

圖2 功率發(fā)揮曲線

1.2.3 牽引特性

牽引特性曲線和再生制動特性曲線見圖3。

圖3 牽引制動特性曲線

由圖3可知,本車啟動牽引力≥240 kN,持續(xù)制牽引力≥212 kN,最大再生制動力(車鉤處)≥153 kN,牽引工況下的恒功率速度范圍為95～160 km/h,再生制動工況下的恒功率速度范圍為132～160 km/h。

2 動力車的總體設(shè)計

2.1 設(shè)備布置

動力車為單司機室的4軸機車,司機室位于動力車的前端,后部為機械間。機械間內(nèi)設(shè)置700 mm 寬的十字形通道,在通道的兩側(cè)以大部件斜對稱原則排列著牽引變流柜、復(fù)合冷卻器、牽引電機風(fēng)機、電氣屏柜和空氣壓縮機等設(shè)備。在車體下部設(shè)有兩臺2軸轉(zhuǎn)向架及牽引變壓器,在頂蓋上設(shè)有受電弓、避雷器和車頂絕緣子。動力車入口門設(shè)置在機械間內(nèi),左右側(cè)各一個;尾端設(shè)端門,用于編組后由此門進入拖車;尾端還設(shè)有內(nèi)外風(fēng)擋。動力車設(shè)備布置如圖4所示。

圖4 動力車設(shè)備布置圖

2.2 總體設(shè)備布置原則

設(shè)備布置的總原則是車上全部設(shè)備的重力矩盡量平衡,車上所有設(shè)備的總重心盡量靠近動力車的中心線。動力車質(zhì)量分配計算的坐標(biāo)系定義如圖5所示。

圖5 動力車坐標(biāo)系

以重心的X軸方向距離計算為例:

式中:Xg為車上所有設(shè)備的重心與動力車橫向中心線的距離,mm;Gi為車上單個設(shè)備的質(zhì)量,kg;Xi為單個設(shè)備與動力車橫向中心線的距離,mm。

根據(jù)經(jīng)驗,一般Xg控制在±6 mm 之內(nèi)比較理想,重心與縱向中心線的距離Yg的值應(yīng)控制在±1 mm 之內(nèi)?？傮w布置除了要考慮重心的平衡,還考慮了如下因素:

(1) 為實現(xiàn)模塊化、通用化,車上各大部件盡可能采用成熟的電力機車平臺產(chǎn)品;

(2) 為控制重心,變流柜、復(fù)合冷卻器、牽引通風(fēng)機等大部件采用斜對稱布置,質(zhì)量較大的部件盡可能布置在動力車的后端,來平衡流線型司機室的重心;

(3) 為方便吊裝設(shè)備,變流柜、復(fù)合冷卻器等大設(shè)備要避開活動梁的位置,活動梁的布置要保證3個頂蓋的長度相差不大;

(4) 為縮短車長,各設(shè)備之間盡量緊湊,本車屏柜之間的間距設(shè)定為20 mm;

(5) 為避免發(fā)生電磁干擾,強電屏柜與弱電屏柜盡量遠(yuǎn)離;

(6) 電氣屏柜的布置盡可能減少走線的距離,避免走線橫跨中間走廊;

(7) 制動系統(tǒng)各部件盡量布置在一個區(qū)域,減少空氣管路的長度和管接頭的使用;

(8) 各類屏柜盡量要求從走廊側(cè)檢修或接線管,無法實現(xiàn)該要求的要考慮預(yù)留檢修空間;

(9) 突出底架面的4 個旁承座對設(shè)備布置的影響;

(10) 牽引電機通風(fēng)機和頂蓋進風(fēng)道的相對關(guān)系,牽引電機風(fēng)道的合理布置;

(11) 復(fù)合冷卻器、變流柜等需要與底架連通的部件的位置與底架的各梁的布置關(guān)系;(12) 出入動力車的兩側(cè)入口門盡量靠近司機室;(13) 將一些單獨安裝的散件進行集成,組成列供配電柜。

根據(jù)上述布置原則,形成了動力車的機械間總體設(shè)備布置,目的是在保證可靠性的基礎(chǔ)上提高檢修的便利性、機械間的美觀性,同時考慮了成本的控制。

2.3 軸重控制策略

動力車的軸重為19.5 t,相比較直車體,車寬從3 105 mm 增加到3 360 mm,車身變?yōu)楣男?由于底架加寬,增加了車頂導(dǎo)流罩,為保證軸重要求,動力車必須減重。

為了控制所有裝車部件的質(zhì)量,制定《時速160公里鼓形動力集中動車組動力車車上設(shè)備組裝前稱重技術(shù)條件》,要求所有部件裝車前必須稱重,稱重不合格不允許裝車。

2.4 限界計算

該車車寬從3 105 mm 增加到3 360 mm,必須進行限界校核以保證運行安全。根據(jù)GB 146.1—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌矩鐵路機車車輛限界》規(guī)定,在確定機車車輛最大容許制造寬度時,計算車輛在曲線半徑為300 m的計算曲線上,其中部和端部的最大偏移量為135 mm 和147 mm。

根據(jù)計算結(jié)果,時速160 km 鼓形動力集中動車組動力車的最大容許制造寬度為3 400 mm。若鼓形車體的最大車寬為3 360 mm,符合GB 146.1—1983的限界要求。

2.5 車鉤曲線通過計算

由于該車車寬增大,后端車鉤銜接線縮短138 mm,所以必須對該車通過曲線時的車鉤擺角及車端最小間隙進行校核,以保證行車安全。按照趨向安全考慮,車鉤通過曲線的狀況是緩沖器全壓縮時的工況最惡劣,所以計算時緩沖器按全壓縮來考慮。根據(jù)要求確定如下線路:

(1) 圓曲線:R145 m,緩沖器全壓縮;

(2) 圓曲線+切線:R145 m,緩沖器全壓縮;

(3)S曲線:R145 m S曲線夾9.5 m 直線,緩沖器全壓縮。

對以上3種工況進行模擬計算,表2為車鉤曲線通過的計算結(jié)果。

表2 車鉤曲線通過計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可以看出,車鉤在通過曲線的偏轉(zhuǎn)角度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,車端間距符合安全設(shè)計要求。

3 子系統(tǒng)

動力車由電氣系統(tǒng)、車體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、變壓器系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等組成。

電氣系統(tǒng)由高壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、列車供電系統(tǒng)等組成。高壓系統(tǒng)采用車內(nèi)網(wǎng)側(cè)柜技術(shù);牽引系統(tǒng)采用全去耦、輕量化牽引變壓器、輕量化牽引變流器(集成主輔變流器、輔助濾波及列供技術(shù))、大容量牽引電機,完全獨立的軸控技術(shù);輔助系統(tǒng)采用兩組輔助變流器,互為冗余;列車供電系統(tǒng)采用兩組200 kW水冷列供單元,通過列供配電柜可提供2 路200 kW或1路400 kW列車DC 600 V 供電電源。

車體鋼結(jié)構(gòu)采用輕量化鼓形車體,整體承載結(jié)構(gòu),單層鋁合金活動頂蓋,頭罩式司機室,車頭設(shè)置開閉機構(gòu)。

轉(zhuǎn)向架采用兩軸Bo-Bo 轉(zhuǎn)向架,低位推挽牽引桿,電機對置彈性架懸驅(qū)動,鑄鋁承載式齒輪箱,輪盤制動方式。主要由構(gòu)架、一系懸掛裝置、牽引裝置、驅(qū)動裝置、電機懸掛裝置和基礎(chǔ)制動裝置等部件組成。

制動系統(tǒng)為基于分布式現(xiàn)場總線控制的微處理式電空制動。制動系統(tǒng)按功能分為風(fēng)源系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、輔助控制和基礎(chǔ)制動四大部分。

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)由2個牽引通風(fēng)機、2個復(fù)合冷卻器等組成,采用獨立通風(fēng)冷卻,機械間正壓技術(shù),鋁制風(fēng)機。

牽引變壓器由1個原邊繞組、4個牽引繞組、2個輔助繞組(如有)、2個列車供電繞組等構(gòu)成,采用油循環(huán)、強迫風(fēng)冷方式。諧振電抗器、輔助繞組安裝在主變壓器油箱內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用符合IEC 61375-1:1999《鐵路電氣設(shè)備-列車總線 第1部分 列車通信網(wǎng)絡(luò)》的列車通信網(wǎng)絡(luò)。列車級通信網(wǎng)絡(luò)為WTB,實現(xiàn)互聯(lián)互通互控;車輛級通信網(wǎng)絡(luò)為MVB+ETH,互為冗余。微機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、模塊化,使動力車具有控制、診斷、檢測、傳輸、顯示和存儲功能。

4 結(jié)語

時速160km 鼓形動力集中動車組動力車是在時速160km 動力集中動車組動力車基礎(chǔ)上優(yōu)化升級的平臺產(chǎn)品,為中國國家鐵路集團公司在既有線路上提高旅客運輸品質(zhì)而研發(fā)設(shè)計的。本文闡述了動力車總體設(shè)計的概念、思路及頂層設(shè)計參數(shù),可對機車的總體設(shè)計提供參考、借鑒。