重慶軌道交通4號(hào)線列車(chē)牽引系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與研究

王小勇，劉 建，李國(guó)銀，谷翠軍

(1.重慶軌道交通產(chǎn)業(yè)投資有限公司，重慶 401135；2．重慶中車(chē)四方所科技有限公司，重慶 401133)

1 引 言

重慶軌道交通4號(hào)線是重慶軌道交通線網(wǎng)中的骨干線路之一，線路全長(zhǎng)60km，屬于As型地鐵列車(chē)。As型列車(chē)是介于A、B型(編注：A型一般車(chē)寬為3.0m，B型一般車(chē)寬2.8m)地鐵之間的新車(chē)型，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，融合了兩種車(chē)型的優(yōu)點(diǎn)，并擁有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。新車(chē)型車(chē)體最大寬度3m，列車(chē)還預(yù)留了8輛編組功能，通過(guò)增加車(chē)廂提高運(yùn)力，以滿足城市擴(kuò)容帶來(lái)的客流量激增。

As型地鐵列車(chē)適用于山地環(huán)境，具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、載客量大等特點(diǎn)。新車(chē)型的誕生，將為山地、丘陵地形的城市軌道交通基礎(chǔ)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)降低成本，提高列車(chē)安全性和運(yùn)行效率。新車(chē)型還通過(guò)一致化的設(shè)計(jì)和信號(hào)設(shè)備互聯(lián)互通的升級(jí)，在全國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了地鐵車(chē)輛的跨線路運(yùn)營(yíng)。牽引系統(tǒng)作為地鐵車(chē)輛的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其性能決定了列車(chē)能否穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行[1-3]。本文主要對(duì)As型地鐵列車(chē)牽引系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，同時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵子部件的選型。

2 列車(chē)基本情況及性能指標(biāo)

2.1 列車(chē)基本情況

重慶軌道交通4號(hào)線為6編組列車(chē)，牽引系統(tǒng)采用五動(dòng)一拖的方式，具體如圖1所示。

圖1 列車(chē)編組形式

其中：

(1)Mc車(chē)：帶有司機(jī)室的動(dòng)車(chē)，具有1臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和1臺(tái)無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；

(2)Mp車(chē)：帶有2臺(tái)受電弓的動(dòng)車(chē)，具有2臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；

(3)M車(chē)：動(dòng)車(chē)，具有2臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。

根據(jù)性能指標(biāo)要求，列車(chē)供電電壓為DC1500V，允許波動(dòng)范圍為DC1000～1800V，最高非持續(xù)電壓為DC1950V。列車(chē)最高運(yùn)行速度為100km/h，設(shè)計(jì)速度為110km/h。線路最大坡度為50‰。按照車(chē)輛設(shè)計(jì)的載荷要求，列車(chē)在AW0(空載)、AW2(額定荷載)、AW3(超載)下的質(zhì)量要求分別為217t、308.92t和356.32t。

在6輛編組的情況下，每3輛車(chē)(Mc、Mp、M)形成一個(gè)動(dòng)力單元，任一動(dòng)力單元發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，可利用另一個(gè)正常的動(dòng)力單元牽引整列車(chē)返回車(chē)輛基地，盡可能避免采用救援列車(chē)牽引故障列車(chē)返回車(chē)輛基地的情況。

2.2 列車(chē)性能指標(biāo)

列車(chē)最高運(yùn)行速度為100km/h，列車(chē)加速時(shí)，在0～40km/h速度運(yùn)行區(qū)間內(nèi)平均加速度≥1.1m/s2，在0～100km/h速度運(yùn)行區(qū)間內(nèi)平均加速度≥0.6m/s2；列車(chē)平均減速度≥1.0m/s2。

基礎(chǔ)制動(dòng)采用輪盤(pán)制動(dòng)。電制動(dòng)與空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)盡可能低，且小于3km/h。常用制動(dòng)對(duì)所有負(fù)載工況(AW0～AW3)均有效，即滿足制動(dòng)減速度和規(guī)定沖擊率的要求。采用再生制動(dòng)優(yōu)先的再生制動(dòng)與空氣制動(dòng)全列車(chē)交叉混合的制動(dòng)方式。制動(dòng)時(shí)，VVVF優(yōu)先進(jìn)行再生制動(dòng)，最大限度地將能量反饋給其它車(chē)輛負(fù)載。當(dāng)這些負(fù)載吸收不足時(shí)，由變電站的再生制動(dòng)能量吸收裝置吸收多余的能量。在網(wǎng)壓為1650V、折算輪徑為805mm、AW3載荷狀態(tài)下，要求進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域的速度不應(yīng)低于85km/h，并且應(yīng)持續(xù)到3km/h以下，在該區(qū)域內(nèi)，電制動(dòng)能單獨(dú)滿足常用的制動(dòng)要求。為確保在該區(qū)域列車(chē)制動(dòng)減速度不低于1.0m/s2，基于等磨耗的原則可在列車(chē)上補(bǔ)充適當(dāng)?shù)目諝庵苿?dòng)力。

列車(chē)故障運(yùn)行能力為當(dāng)喪失兩臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力情況下，在AW3狀態(tài)下，仍然可在正線的最大坡度(50‰)的上坡道上啟動(dòng)，并維持運(yùn)行至線路終點(diǎn)，清客后返回車(chē)輛基地；當(dāng)喪失1/2動(dòng)力的情況下，在AW3狀態(tài)下，列車(chē)可在正線最大坡度(50‰)的上坡道上啟動(dòng)，行駛到最近車(chē)站，清客后返回車(chē)輛基地；一列空載列車(chē)牽引一列超載AW3(無(wú)動(dòng)力)故障列車(chē)能在正線最大坡度(50‰)的坡道上啟動(dòng)(允許采用高加速控制)，行駛至最近車(chē)站，清客后返回車(chē)輛基地。

3 列車(chē)牽引及電制動(dòng)特性設(shè)計(jì)

3.1 列車(chē)牽引特性設(shè)計(jì)

用于牽引計(jì)算的列車(chē)輪徑取805mm，齒輪傳動(dòng)比為6.3125，效率取0.975。列車(chē)動(dòng)車(chē)慣性系數(shù)為10%，拖車(chē)慣性系數(shù)為5%，用于計(jì)算列車(chē)換算質(zhì)量。為滿足平均加速度的要求，考慮一定裕量，在接觸網(wǎng)壓DC1500V條件下，不同載荷下列車(chē)牽引特性如圖2所示，損失1/5動(dòng)力后牽引特性如圖3所示。

圖2 輪周牽引力-速度曲線

圖3 損失1/5動(dòng)力輪周牽引力-速度曲線

3.2 列車(chē)制動(dòng)特性設(shè)計(jì)

用于計(jì)算的列車(chē)輪徑取Φ=805mm，齒輪傳動(dòng)比為6.3125，效率取0.975。列車(chē)動(dòng)車(chē)慣性系數(shù)為10%，拖車(chē)慣性系數(shù)為5%，用于計(jì)算列車(chē)換算質(zhì)量。為滿足常用制動(dòng)平均減速度的要求，取全電制動(dòng)區(qū)減速度為1.0m/s2，制動(dòng)額定網(wǎng)壓DC1650V時(shí)不同載荷所需的輪緣電制動(dòng)力計(jì)算如下：

AW0：Fbk0=262.6kN；

AW2：Fbk2=363.7kN；

AW3：Fbk3=415.8kN。

相關(guān)電制動(dòng)特性曲線如圖4所示。

圖4 列車(chē)輪周電制動(dòng)力-速度曲線

3.3 列車(chē)故障運(yùn)行及救援能力

(1)列車(chē)故障運(yùn)行

考察列車(chē)在AW3載荷工況下，在喪失1/2動(dòng)力的情況下，能在正線最大坡道50‰上啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)加速度為：

因此，列車(chē)可以在最大坡道上正常啟動(dòng)，為此，設(shè)定了一個(gè)參考最長(zhǎng)站間距長(zhǎng)為5300m的50‰的坡道進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，AW3載荷、損失1/2動(dòng)力的列車(chē)在坡道50‰上可以正常啟動(dòng)，最高速度可達(dá)56.2km/h。

圖5 損失1/2動(dòng)力坡道仿真

(2)列車(chē)救援能力

考察在50‰的坡道上，一列空載(AW0)并且正常的列車(chē)能夠牽引或推進(jìn)一列由相同數(shù)量車(chē)輛編組的處于超員(AW3)狀態(tài)下的失去動(dòng)力的列車(chē)上坡，此時(shí)加速度計(jì)算如下：

因此，需增加高加速按鈕，此時(shí)單電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩1211.6Nm，加速度可達(dá)0.1m/s2，列車(chē)可以在最大坡道上正常啟動(dòng)，但黏著系數(shù)可達(dá)0.209。為保證救援成功，此時(shí)列車(chē)啟動(dòng)需要采取相應(yīng)措施，適當(dāng)增加輪軌黏著。

4 列車(chē)牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)選型

牽引主電路主要由高壓保護(hù)回路、預(yù)充電/放電回路、輸入濾波回路、牽引逆變電路和過(guò)壓斬波電路等組成，重慶軌道交通4號(hào)線牽引系統(tǒng)高壓回路圖如圖6所示，本節(jié)主要對(duì)牽引系統(tǒng)關(guān)鍵保護(hù)器件的參數(shù)進(jìn)行選擇。

圖6 重慶軌道交通4號(hào)線牽引系統(tǒng)高壓回路圖

4.1 高速斷路器參數(shù)選型

根據(jù)重慶軌道交通4號(hào)線列車(chē)牽引和電制動(dòng)性能仿真數(shù)據(jù)，對(duì)高速斷路器進(jìn)行了負(fù)荷仿真分析，如圖7所示。從圖中可以看出，HB的RMS電流為440A，已知流過(guò)高速斷路器HB1的峰值電流為1032A，高速斷路器的保護(hù)特性為瞬間保護(hù)。考慮高速斷路器整定保護(hù)偏差系數(shù)1.1，逆變器波動(dòng)系數(shù)1.4，高速斷路器保護(hù)整定值設(shè)置為：

HB1：1032×1.1×1.4=1589A

圖7 HB負(fù)荷仿真分析數(shù)據(jù)

4.2 主熔斷器參數(shù)選型

Mp車(chē)的每?jī)膳_(tái)熔斷器箱保護(hù)半列三編組的高壓回路，主要用電設(shè)備包括5臺(tái)牽引逆變器、2臺(tái)輔助逆變器和1臺(tái)充電機(jī)。其中，石船站-唐家沱站全程線路仿真數(shù)據(jù)如圖8所示，計(jì)算均方根值為1105A，單臺(tái)輔助逆變器電流有效值73.4A(按照DC1500V，110%超額運(yùn)行考慮)；單臺(tái)充電機(jī)電流有效值22A(按照DC1500V，110%超額運(yùn)行考慮)；一個(gè)三編組單元的總電流有效值1105A+2×73.4A+22A=1273.8A，因此將1273.8A作為熔斷器通過(guò)的RMS電流值。

圖8 全程線路仿真數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文主要介紹了重慶軌道交通4號(hào)線列車(chē)牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，根據(jù)列車(chē)的性能指標(biāo)要求設(shè)計(jì)了列車(chē)的牽引及電制動(dòng)特性曲線，并進(jìn)行了線路仿真，根據(jù)線路仿真對(duì)高速斷路器、主熔斷器等系統(tǒng)關(guān)鍵保護(hù)器件的參數(shù)進(jìn)行了選擇。該設(shè)計(jì)方法可為城市軌道交通牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。