CRH3高速動車組牽引特性分析

朱幗蓉 陳慧民 上海鐵路局科研所

中國北車集團唐山軌道客車有限責任公司引進德國西門子公司先進技術實現國產化生產的動力分散型交流傳動動車組CRH3型已于2008年8月1日在京津城際鐵路和2009年8月武廣客運專線投入運行。動車組以4輛動車和4輛拖車構成一個基本編組,在規定的載客人數，平直的軌道上，啟動加速度為0.5 m/s2，牽引控制為VVVF控制方式。電氣制動為再生制動方式加電阻制動，由輪緣潤滑/防空轉防滑行控制來提高粘著力。系統軟件不斷地監視車輛及驅動輪的運行。如發現偏離允許值，牽引力或制動力會自動減少到一個適當水平，以保證粘著要求，并使車輪踏面磨耗與擦傷可以減少到最小程度。整列車制動方式為電氣制動與空氣制動并用，電氣制動優先。交流傳動動車組的電源，由接觸網提供單相交流27.5 kV，通過車輛上的變壓器降壓整流為3 000 V直流電源再由牽引逆變器變成頻率為0～200 Hz，電壓為0～2 500 V的三相變頻變壓交流電源，提供給三相交流牽引電動機，再通過齒輪箱的傳動給車輪在鋼軌產生牽引力，驅動列車的運動。

列車由 8輛車構成，EC08，IC06，IC03和 EC01車是動車，而TC07，FC05，BC04和TC02是拖車（如圖1所示）。

圖1 動車組車輛構成

EC01/EC08為帶駕駛室有牽引逆變器動車,TC02/TC07為帶變壓器輔助逆變器拖車,IC03/IC06為有牽引逆變器動車,BC04為雙輔助逆變器蓄電池餐車，FC05為雙輔助逆變器蓄電池頭等車。

1 列車的牽引力

在牽引計算時需要考慮到：

（1）列車的總重量M及轉動質量J(每輛拖車3 t;每輛動車6 t)

（2）軌道坡度

（3）空氣阻力（啟動時計算到50 kph）

必須考慮到空氣阻力,因為它提高了需要的牽引力。表1為CRH3車輛數據，由此可以計算空氣阻力。

V- 列車速度V=50 km/h（用于計算啟動加速度的阻力）

N-車輛數N=8

A-正面的截面積A=9 m2

牽引電機是四極三相異步電機,型號1TB2019-0GC02型。其參數如下：額定功率：560 kW；額定電壓：2750 V；額定電流：145 A；額定轉速：4100 rpm；最高使用轉速：5900 rpm。額定頻率：138 Hz；效率：94%；功率因素：87%；轉差率：1.4%；額定轉矩：3000 Nm。

列車動輪的參數為：車輪直徑：92 cm(半磨耗輪徑為87.5 cm，全磨耗輪徑為83 cm)；齒輪傳動比： =2.788；齒輪傳動效率：=0.97

根據輪周牽引力計算公式：

嘉絨藏繡泛指在嘉絨藏區（四川省甘孜州丹巴縣、康定縣部分地區，阿壩州金川、小金、馬爾康、理縣、黑水、紅原和汶川部分地區）藏民族傳統服飾上的刺繡。由于該地區處于“藏彝遷徙走廊”是連接中國古代東、西、南、北的重要樞紐地帶和半月地帶，這里居住著藏、漢、羌、回、滿、彝等15個民族，多民族的融合聚居讓這里的嘉絨藏族刺繡有別于藏族其他地區。色彩上嘉絨藏繡采用黑底配以紅、黃、綠、白色點綴或黑白為主配紅、黃、綠色，色彩處理簡約而經典，極具地域特色；繡法上嘉絨藏繡融合了藏、羌、漢、彝等民族的傳統技法使嘉絨藏繡成為一種獨特的刺繡藝術，是藏族文化的一種傳承。

公式中： ：轉動比；η：轉動效率；D：輪徑；MD：電機額定轉矩。通過式（1）可算出每對動輪輪周上產生的牽引力為：18.54418 kN；則 1輛動車（4個電機）牽引力為：18.54418×4=74.17672。4輛動車（16個電機）總牽引力為：18.54418 kN×16=296.70688 kN。

根據加速度計算公式：

式中：

在規定的載客人數工況下，按正常的無坡度的情況，由前述可知, 則據式（2）可以計算列車起動加速度：

這與廠方提供的啟動加速度0.50/s2較為接近。

由式（2）計算出有坡度和故障情況下8節編組列車牽引力為：1.2%斜坡上和100%的牽引力下的啟動加速度：0.38497；2%斜坡上和100%的牽引力下的啟動加速度：a=0.3114；3%斜坡上和100%的牽引力下的啟動加速度：a=0.2195；當一節動車失效時在平直的軌道上啟動加速度：a=

這些計算參數與廠方提供的基本一致。

圖2是唐山軌道客車有限責任公司提供的基本牽引特性，根據動車的牽引逆變器，牽引電機電氣參數，輪對，齒輪參數，以及軸重可以算出動車的牽引曲線。

2 列車的制動力

圖2 CRH3牽引曲線

2.1 8節編組列車制動力計算

在規定的載客人數，按正常的無坡度的情況，速度150 km/h實施制動如圖3中8檔（減速度a=1 m/s2）可以計算列車制動力：（計算在150 kph）

阻力：R=6.4M＋130n＋0.14MV＋[0.046＋0.0065(N-1)AV2

R=6.4×536=130×32＋0.14×536×150＋[0.046＋0.0065(8-1)9×1502=37375 N=37.375 kN

F=R＋(M＋J)×α=37.375＋(536＋36)×(-1)=-534.625 kN

圖3 行車制動步驟的減速特性曲線。(Fw)為阻力曲線

緊急制動過程中，將形成最大制動力，達到最大延滯。電制動也用于緊急制動過程中。緊急制動中，將同時使用電空制動系統（EP制動）與電動制動系統（ED制動）。

圖4所示為使用電制動模式以及電/氣制動模式下的緊急制動下的制動力。

圖4 制動力-速度圖（氣動制動＋100 ED 制動）

由圖4所知，在氣電混合制動ED＋R時，300～200 km/h制動力 550 kN；200～80 km/h制動力 650 kN；80～0 km/h 制動力600 kN。根據式（2）可以換算為300～200 km/h減速度a3=0.9265 m/s2；200～80 km/h 制動力a2=1.1364 m/s2；80～0 km/h 制動力a1=1.048 m/s2。

在規定的載客人數，按正常的無坡度的情況，速度300 km/h實施緊急制動可以計算列車制動距離；氣制動是每節車上有的，考慮再生制動在電網無法吸收時制動力必須氣制動承擔，如果再考慮坡度的影響及部分設備故障情況下，氣制動的余量要必須考慮在內。

2.2 制動距離

在平坦線路上制動的空駛時間（制動響應時間）須在3.5 s以內（其中空氣響應時間為1.5 s，控制響應時間為2 s）。如果以最快的實時電制動的響應時間為0.4 s，考慮到沖動率0.75 m/s3的限制，列車從加速中突然進行制動，這一過程為1.33 s。可簡略計算一下在200 km/h速度下實施緊急制動的制動距離h=22.22 m/s）

3 結束語

以上對300～350 km/h的CRH3型4動4拖動車組的牽引力作了較為詳盡的計算分析，目前在高速城際線上還有300～350 km/h的CRH2C型6動2拖動車組，以及200～250 km/h的5動3拖CRH1動車組，四方機車車輛股份公司與日本川崎重工合作生產的4動4拖CRH2型，阿爾斯通與長春車輛廠生產的5動3拖CRH5動車組。城際客運專線需要旅行時間短，更要啟動加速度大，速度快，制動距離短，實際上動車組中動車比例越大，牽引特性越好，制動性能也更好，電制動利用率高，同時電制動對防滑控制響應時間快、效果好，對車輪踏面磨損與擦傷小，粘著利用也好。本文介紹了一些牽引計算與分析的方法，可為車輛技術人員對動車動力配置提供技術參考。