智軌電車低溫適應(yīng)性研究與應(yīng)用

李俊義 肖磊 楊勇 張陳林 肖化友 付建朝 湯學清

摘 要：文章通過參考電力機車的防寒設(shè)計以及針對智軌電車本身特有系統(tǒng)的防寒設(shè)計 2 方面對智軌電車開展低溫適應(yīng)性設(shè)計。為驗證設(shè)計的可行性，除在實驗室內(nèi)對部件進行低溫試驗驗證外，還開展相應(yīng)的整車試驗驗證，包括采暖性能試驗、制動系統(tǒng)動態(tài)試驗和能耗試驗。試驗結(jié)果表明，低溫對整車的能耗無明顯影響，而整車采暖性能和制動性能滿足標準要求，為智軌電車在低溫地區(qū)的應(yīng)用提供科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：智軌電車;低溫;適應(yīng)性;試驗

中圖分類號：U467.1

1 研究背景

目前，由中車株洲電力機車研究所有限公司自主研發(fā)的具有虛擬軌跡跟隨能力、以全電驅(qū)動膠輪車輛作為運載工具的智軌電車（按照工作環(huán)境溫度為-25～45℃設(shè)計）相繼在湖南株洲、江西永修、四川宜賓等中國南方地區(qū)開通運行。然而，根據(jù)該工作環(huán)境溫度條件設(shè)計的智軌電車不能滿足寒冷地區(qū)的要求，例如，中國最北方省會城市哈爾濱的氣候特點為：11月至次年3月為冬季，氣溫最低的1月份平均氣溫為-30～-15℃，最低氣溫曾達-38.1℃，有時會出現(xiàn)暴雪天氣。因此，如何定義我國智軌電車的最低環(huán)境溫度是首先需要面對的問題。在軌道交通行業(yè)標準中，GB/T 3317-2006《電力機車通用技術(shù)條件》對電力機車的使用環(huán)境條件要求為周圍空氣溫度在-40～40℃之間;BS EN 50125-1 ： 2014《Railway applications-Environmental conditions for equipment-Part1 ： Equipment on board rolling stock》中TX等級的外部空氣溫度范圍為-40～50℃;IEC 60571 ： 2012《Railway applications-Electronic equipment used on rolling stock》規(guī)定的最低外部環(huán)境溫度為-40 ℃;GB/T 25119-2010《軌道交通 機車車輛電子裝置》

規(guī)定的機車車輛外界環(huán)境溫度為-25 ℃，其中電子裝置應(yīng)允許在不低于-40 ℃環(huán)境溫度下存放。在汽車行業(yè)標準中，QC/T 413-2002《汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件》規(guī)定的最低工作溫度為-40℃、儲存溫度為-40℃;GB/T

28046.4-2011《道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗 第4部分：氣候負荷》規(guī)定的最低儲存溫度為-40℃。綜合考慮軌道交通行業(yè)和汽車行業(yè)標準，以及我國北方寒冷城市的氣候特點，將智軌電車的最低工作環(huán)境溫度和儲存溫度定義為-40℃，并稱為低溫環(huán)境。車輛系統(tǒng)和部件需滿足在-40℃環(huán)境溫度下可正常起動工作，特殊部件可以通過保溫、加熱等方式，使核心器件的溫度上升到其允許的工作溫度范圍內(nèi)，以便發(fā)揮其較高的效率。

本文以-40～45℃環(huán)境溫度為智軌電車的工作環(huán)境溫度，在該環(huán)境溫度下進行低溫適應(yīng)性設(shè)計，并開展低溫試驗，以驗證智軌電車低溫適應(yīng)性設(shè)計的可行性。通過本次設(shè)計及試驗驗證，為智軌電車在低溫地區(qū)應(yīng)用提供科學的依據(jù)。

2 智軌電車低溫適應(yīng)性研究與設(shè)計

智軌電車低溫適應(yīng)性研究將從以下2方面開展。

（1）參考電力機車的低溫適應(yīng)性設(shè)計[7-11]，采取有效的抗寒、防寒措施：①采用低溫材料，如金屬結(jié)構(gòu)材料、電氣及電子部件、油脂、冷卻液、復(fù)合材料等需符合低溫要求;②采暖和保溫設(shè)計;③防止制動系統(tǒng)中的管路結(jié)冰。

（2）針對智軌電車本身采用動力電池作為儲能方式的特點，解決低溫條件下動力電池放電性能降低的問題。

2.1 材料選擇

（1）有些金屬材料在室溫時并不顯示脆性，而在低溫下可能發(fā)生脆斷，這一現(xiàn)象被稱為冷脆現(xiàn)象，表現(xiàn)為沖擊功值隨溫度的降低而顯著減小。智軌電車中底盤的金屬結(jié)構(gòu)件按照-40 ℃進行設(shè)計，以滿足低溫地區(qū)使用的要求。

（2）針對電氣及電子部件在低溫環(huán)境條件下可能出現(xiàn)功能失效的現(xiàn)象，智軌電車中的關(guān)鍵電氣及電子部件（如牽引系統(tǒng)中的牽引電機、受流系統(tǒng)中的受電弓、無軌導(dǎo)向系統(tǒng)中的控制箱、傳感器等）將嚴格按照-40 ℃進行設(shè)計。

（3）針對油脂和傳動液壓油在低溫條件下出現(xiàn)黏度增加或硬化的現(xiàn)象，應(yīng)對智軌電車更換耐低溫型潤滑脂和傳動油等?？紤]到驅(qū)動電機冷卻液在低溫條件下有結(jié)冰的可能，應(yīng)對智軌單車更換耐低溫冷卻液。

（4）智軌電車內(nèi)外裝采用復(fù)合材料，如碳纖維增強復(fù)合材料和玻璃纖維增強復(fù)合材料，根據(jù)王賢鋒、趙建華等人的研究，上述2種復(fù)合材料均滿足低溫使用環(huán)境的要求。

2.2 采暖和保溫設(shè)計

采暖是低溫地區(qū)冬日出行必不可少的一項功能，采用空調(diào)系統(tǒng)中的暖風功能進行采暖，通過增加隔熱材料進一步提升整車的隔熱性能。

2.3 制動系統(tǒng)低溫適應(yīng)性設(shè)計

針對制動管路在低溫條件下可能結(jié)冰的問題，在空壓機和干燥器之間串聯(lián)冷凝器裝置，提升空壓機管路冷凝排水性能，減少進入氣路系統(tǒng)中空氣的含水量;另外，需選用具有低溫加熱功能的干燥器，且采用智能排水系統(tǒng)代替原儲氣筒放水閥，提升儲氣筒放水的能力。

2.4 動力電池低溫適應(yīng)性設(shè)計

針對動力電池在低溫條件下存在充電困難、放電性能降低的問題，可采用插槍加熱方案解決充電困難的問題;采用動力電池空調(diào)機組為動力電池加熱的措施，使動力電池工作在最佳的環(huán)境溫度，解決放電性能降低的問題。

3 低溫試驗驗證

下面針對智軌電車低溫適應(yīng)性設(shè)計，開展相關(guān)的試驗驗證。材料的低溫試驗選擇在實驗室中開展，如金屬結(jié)構(gòu)件的低溫沖擊試驗、電氣及電子部件的低溫試驗。但是，有關(guān)整車的低溫試驗驗證，如采暖試驗、制動系統(tǒng)動態(tài)試驗等，在實驗室中無法順利開展。所以，本次整車低溫試驗驗證選擇在中國最北方省會城市哈爾濱開展。由于外部試驗條件不可控性，在整個試驗期間的最低溫度約為-20 ℃。

3.1 材料的低溫試驗

（1）針對金屬材料的冷脆現(xiàn)象，對智軌電車的金屬結(jié)構(gòu)件按照GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》開展沖擊試驗。試驗結(jié)果表明，智軌電車底架的金屬結(jié)構(gòu)件滿足低溫環(huán)境使用需求。

（2）針對智軌電車的電氣及電子部件，按照標準GB/T 2423.1-2008《電子電工產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫》中的規(guī)定開展最低溫度為-40℃的低溫儲存試驗和低溫運行試驗。針對低溫失效的電子部件，更換能適應(yīng)-40℃低溫環(huán)境的電氣器件或采取電加熱的優(yōu)化解決方案。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)采暖試驗

根據(jù)BS EN 14750-2 ： 2006《Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part2 ： Type tests》要求，采暖試驗時的環(huán)境溫度< 5℃，空氣流動速度為0～15km/h，無太陽照射。在客室1.1m和1.7m高度處布置溫度傳感器，以1.1m高度處溫度傳感器的算術(shù)平均值作為客室溫度。該試驗在室內(nèi)開展，溫度約為0 ℃，試驗結(jié)果如下。

（1）在AW0（整備狀態(tài)下的車輛自重）、關(guān)閉車門工況的預(yù)熱試驗中：在15 min時，室內(nèi)溫度上升到11.59℃，滿足BS EN 14750-1 ： 2006《Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part 1 ： Comfort parameters》中客室溫度大于10℃的要求;在試驗過程中，滿足BS EN 14750-1 ： 2006中同一垂直面和水平面任意兩點溫差不超過8 K的要求。

（2）在AW0、開關(guān)門試驗中，待車內(nèi)溫度穩(wěn)定后，將車輛一側(cè)的車門進行10次打開和關(guān)閉的循環(huán)操作。根據(jù)10次記錄的數(shù)據(jù)可知，客室平均溫度與設(shè)定值的偏差在±2 K內(nèi)，滿足BS EN 14750-1 ： 2006中的要求。

3.3 制動系統(tǒng)動態(tài)試驗

根據(jù)GB/T 14894-2005《城市軌道交通車輛 組裝后的檢查與試驗規(guī)則》以及GB 7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》在平直路面上開展初速度為30km/h的制動性能試驗，要求在AW0工況下的制動距離不大于9.5m，在AW2（按照用戶需求，加載9.8 t）工況下的制動距離不大于10.5 m。試驗結(jié)果表明，在低溫條件下，智軌單車的制動性能滿足相應(yīng)要求。

3.4 能耗試驗

根據(jù) GB/T 14894-2005、試驗線路及用戶要求，確定試驗條件為：在長度為3.8 km的環(huán)形道路上，每800m設(shè)置1個站點，最后1個站點為600 m，其中1 點為起始點，具體如圖1所示;車輛運行時，空調(diào)的采暖功能開啟，最高車速為50 km/h，到站點停車并打開車門約20 s，然后關(guān)閉車門，繼續(xù)行駛。試驗時，車輛按照圖1的線路至少運行1圈。

為探究不同溫度對車輛能耗的影響，試驗時的環(huán)境溫度分別為-8 ℃和-20 ℃。

（1）AW0工況的試驗結(jié)果如表1所示。試驗結(jié)果表明，在AW0工況下，-20 ℃和-8 ℃的能耗基本相同，低溫對能耗無明顯影響。

（2）通過AW0工況下的能耗試驗可知，低溫對能耗無明顯影響，所以在AW2（按照用戶需求，加載9.8t）工況下，不再進行不同溫度下的能耗對比試驗。在AW2工況下，試驗環(huán)境溫度為-14 ℃，試驗結(jié)果：平均車速為25.9km/h，能耗為3.41kW · h / km。由于載荷的增加，相比于AW0工況，AW2工況的能耗相對增加13.7%。

4 結(jié)語

智軌電車同軌道交通裝備行業(yè)一樣，由眾多的系統(tǒng)和零部件組成，其中影響車輛穩(wěn)定、安全行駛的重要系統(tǒng)和零部件有動力電池、制動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、牽引電機、輔助電源、走行機構(gòu)、智能輔助駕駛系統(tǒng)等。在低溫環(huán)境條件下，智軌電車的工作條件和常溫運用條件相差比較大，對機械結(jié)構(gòu)性能、電氣設(shè)備的動作響應(yīng)性能以及油脂潤滑、冷卻介質(zhì)以及風源管路等都提出了更高的要求。因此，提高零部件的低溫環(huán)境適應(yīng)性是根本。本文通過對金屬結(jié)構(gòu)件的低溫沖擊試驗、電氣及電子部件的低溫運行試驗和儲存試驗、更換耐低溫油脂等，使智軌電車零部件的低溫性能得到保障，從而避免零部件在裝車之后因低溫環(huán)境條件變化而失效或功能喪失。通過對智軌電車整車的采暖試驗、能耗試驗、制動系統(tǒng)動態(tài)試驗等，驗證了智軌電車的空調(diào)采暖功能和制動性能均滿足要求;低溫對整車的能耗基本無影響，從而驗證了低溫適應(yīng)性設(shè)計的可行性，為批量訂單車的設(shè)計提供了科學依據(jù)。

參考文獻

[1]GB/T 3317-2006 電力機車通用技術(shù)條件[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2]BS EN 50125-1 ： 2014 Railway applications-Environmental conditions for equipment-Part 1 ：Equipment on board rolling stock[S].London：BSI Standards Publication，2014.

[3]IEC 60571 ： 2012 Railway applications-Electronic equipment used on rolling stock[S].London：IEC Publications，2012.

[4]GB/T 25119-2010 軌道交通 機車車輛電子裝置[S].北京：中國標準出版社，2010.

[5]QC/T 413-2002 汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件[S].天津：中國汽車技術(shù)研究中心汽車標準化研究所，2002.

[6]GB/T 28046.4-2011 道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗 第4部分：氣候負荷[S].北京：中國標準出版社，2011.

[7]GB/T 229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2007.

[8]GB/T 2423.1-2008 電子電工產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫[S].北京：中國標準出版社，2008.

[9]BS EN 14750-2 ： 2006 Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part2 ： Type tests [S]. London：BSI Standards Publication，2006.

[10] BS EN 14750-1 ： 2006 Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part1 ： Comfort parameters [S]. London：BSI Standards Publication，2006.

[11] GB/T 14894-2005 城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則[S].北京：中國標準出版社，2005.

[12] GB 7258-2017 機動車運行安全技術(shù)條件[S].北京：中國標準出版社，2017.

[13] 王文偉，孫逢春. 全氣候新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)及展望[J].中國工程科學，2019，21（3）：47-55.

[14] 郭迎春. БКГ-1型電力機車的防寒保溫技術(shù)[J].鐵道機車車輛，2017，37（6）：62-64.

[15] 黃中榮.電力機車防寒措施及其技術(shù)分析[J].電力機車技術(shù)，2002，25（S1）：4-6.

[16] 王賢鋒，趙建華，姜洪源，等.玻纖和碳纖在低溫下的強度統(tǒng)計特性[J].無機材料學報，2003（1）：45-49.

收稿日期 2020-05-20

責任編輯 黨選麗