齒輪傳動(dòng)比對(duì)動(dòng)車組牽引特性的影響

張川寶，湯鈺鵬

(北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100004)

0 引言

2008年8月1日，我國第一條擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速城際鐵路——京津城際鐵路通車運(yùn)營(yíng).截至2010年7月28日，中國北車唐山客車公司制造的最高時(shí)速350 km/h CRH3-350動(dòng)車組，在京津城際高速鐵路、武廣高速鐵路客運(yùn)專線和滬寧城際高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)總里程已經(jīng)突破2000萬公里，這標(biāo)志著我國高鐵技術(shù)以其快速、安全、可靠的運(yùn)營(yíng)品質(zhì)，躋身世界鐵路先進(jìn)行列［1］.但CRH3-350動(dòng)車組運(yùn)行中出現(xiàn)的一些小問題也值得我們?nèi)パ芯亢吞接?，比如部分?dòng)車組動(dòng)力輪對(duì)與電機(jī)之間的齒輪箱存在的滲油問題.本文主要從動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)比的改變對(duì)齒輪箱滲油問題的影響進(jìn)行分析.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 CRH3-350動(dòng)車組主電路原理框圖

動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要有受電弓、牽引變壓器、四象限脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等組成［2］.CRH3-350型動(dòng)車組主電路原理框圖如圖1.

受電弓將接觸網(wǎng)的25kV單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經(jīng)變壓器降壓后的單相交流電供給四象限脈沖整流器，四象限脈沖整流器將單相交流電變換成直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)將直流電輸給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓、電流、頻率可控的三相交流電供給三相異步電動(dòng)機(jī)，牽引電機(jī)軸輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速通過齒輪傳動(dòng)傳遞給輪對(duì)，轉(zhuǎn)換成輪緣牽引力和線速度.

2 控制策略及運(yùn)行中存在的問題

圖2 CRH3-350動(dòng)車組牽引特性曲線

CRH3-350型動(dòng)車組設(shè)計(jì)牽引特性曲線如2所示 (標(biāo)稱網(wǎng)壓、半磨耗車輪、設(shè)計(jì)重量、齒輪傳動(dòng)比為2.788、逆風(fēng) 15 km/h)［3］.通過對(duì)動(dòng)車組牽引電機(jī)的控制，可使動(dòng)車組按照牽引特性曲線運(yùn)行.

2.1 控制方式

動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的控制原理如圖3［4-5］，采用交流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方法［6］.設(shè)v*為速度指令，v為實(shí)際速度，則Δv=v*－v，當(dāng)Δv＞5 km/h時(shí)，系統(tǒng)切入牽引模式，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令計(jì)算公式:

其中，Te*為1臺(tái)牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;F為牽引特性曲線牽引力;r為車輪半徑;N為動(dòng)車組牽引電機(jī)總數(shù);a為傳動(dòng)比;ηGear為齒輪傳動(dòng)效率.

當(dāng)Δv＜－5 km/h時(shí)，系統(tǒng)切入再生制動(dòng)模式，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令計(jì)算公式與牽引模式相同.

當(dāng) －5 km/h≤Δv≤5 km/h時(shí)，系統(tǒng)切入恒速控制模式;當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)由牽引切換為恒速控制(稱為牽引恒速控制模式)，即動(dòng)車組運(yùn)行速度進(jìn)入設(shè)定速度指令(v*－5)km/h范圍內(nèi)時(shí)，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令計(jì)算式為:

當(dāng) －2 km/h≤Δv＜1 km/h時(shí)，動(dòng)車組進(jìn)入惰行工況;當(dāng)Δv=1 km/h時(shí)，動(dòng)車組再次運(yùn)行在牽引恒速控制模式，穩(wěn)定在(v*－1)km/h.

圖3 動(dòng)車組控制原理圖

電機(jī)轉(zhuǎn)速與動(dòng)車組運(yùn)行速度換算關(guān)系:

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;d為車輪直徑.

CRH3高速動(dòng)車組基本阻力公式為:

式中，fz為動(dòng)車組基本阻力;m為動(dòng)車組總質(zhì)量.

由式(1)、式(5)可得歸算到每臺(tái)牽引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:

2.2 動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行中存在的問題

CRH3-350動(dòng)車組原設(shè)計(jì)持續(xù)運(yùn)行速度為300 km/h，而列車的實(shí)際運(yùn)行最高速度在330 km/h，動(dòng)車組在按照上述牽引特性曲線運(yùn)行過程中，如果長(zhǎng)時(shí)間以最高速度運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生齒輪箱滲油現(xiàn)象.齒輪箱滲油除了與主從動(dòng)齒輪和齒輪箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還應(yīng)與動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān).

3 改進(jìn)方案分析

動(dòng)車組牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，齒輪箱內(nèi)的油脂受到的離心力越大，如果齒輪箱機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)產(chǎn)生滲油現(xiàn)象.由式(4)可得，通過減小原齒輪傳動(dòng)比2.788，可以降低相同動(dòng)車組速度下電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而減小齒輪箱內(nèi)油脂所受的離心力，避免齒輪箱出現(xiàn)的滲油現(xiàn)象.

3.1 動(dòng)車組功率特性分析

動(dòng)車組在低速階段，由式(1)得，牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變情況下，齒輪傳動(dòng)比減小時(shí)，動(dòng)車組的牽引力降低.要保持牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，動(dòng)車組功率特性曲線必須向下移動(dòng).在相同質(zhì)量和牽引功率情況下，隨著傳動(dòng)比的減小，CRH3-350型動(dòng)車組0～200 km/h的平均加速度略有減小，加速至最高速度時(shí)剩余加速度不變，但加速時(shí)間和加速距離略有增加，傳動(dòng)比調(diào)整為2.429能夠滿足0～200 km/h的平均加速度不小于0.4 m/s2的要求［7］.齒輪傳動(dòng)比為 2.788 和 2.429 時(shí)，CRH3-350動(dòng)車組牽引特性曲線如圖2.

3.2 牽引電機(jī)特性分析

齒輪傳動(dòng)比減小后，牽引電機(jī)的特性并不發(fā)生變化，由式(4)得在同樣動(dòng)車組速度區(qū)間內(nèi)，只是電機(jī)運(yùn)行速度區(qū)間變小.CRH3-350動(dòng)車組1TB2019型牽引電機(jī)［8］特性曲線如圖4所示.

圖4 動(dòng)車組速度0～300 km/h范圍內(nèi)牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性曲線

3.3 變流器牽引電機(jī)容量分析

齒輪傳動(dòng)比改變后，恒功速度點(diǎn)之前運(yùn)行時(shí)，動(dòng)車組總功率減小，恒功點(diǎn)之后動(dòng)車組功率不變.因此CRH3-350動(dòng)車組系統(tǒng)變壓器容量、變流器容量和電機(jī)容量均符合要求，不需要調(diào)整.

4 仿真分析

根據(jù)動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制框圖搭建Matlab/Simulink仿真模型.牽引電機(jī)仿真參數(shù)為:功率560 kW，額定線電壓2 750 V，額定頻率138 Hz，定子電阻 0.106 5 Ω，定子漏感 1.31 mH，轉(zhuǎn)子電阻0.066 3 Ω，轉(zhuǎn)子漏感1.93 mH，互感53.6 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.5 kg·m2，極對(duì)數(shù)2.變流器中間直流電壓取36 00 V.

當(dāng)給定速度v*由100→200→300→250 km/h變化時(shí)，按照齒輪傳動(dòng)比為2.788和2.429，分別進(jìn)行仿真，并測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電流.各波形如圖5所示，a1、b1、c1為齒輪傳動(dòng)比為2.788 時(shí)波形，a2、b2、c2 為齒輪傳動(dòng)比為2.429 時(shí)波形.

通過分析仿真波形，可以得出:

(1)動(dòng)車組相同速度時(shí)，齒輪傳動(dòng)比小時(shí)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速低.

(2)動(dòng)車組相同速度時(shí)，恒功速度點(diǎn)以前牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和電流不變，恒功速度點(diǎn)以后齒輪傳動(dòng)比減小時(shí)，牽引電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和輸出電流增大.

5 結(jié)論

通過以上分析，可以得出把CRH3-350動(dòng)車組齒輪傳動(dòng)比適當(dāng)降低，并適當(dāng)改變控制策略，可以降低牽引電機(jī)的運(yùn)行速度，有效避免齒輪箱滲油的發(fā)生.CRH3-350動(dòng)車組已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)入三級(jí)修［9］，對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的一些情況進(jìn)行總結(jié)分析，在三級(jí)修過程中加以改進(jìn)，是CRH3-350動(dòng)車組安全可靠運(yùn)行的保障，也可為時(shí)速380 km動(dòng)車組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)提供一些借鑒經(jīng)驗(yàn).

［1］劉瑞揚(yáng).構(gòu)建京津城際高速動(dòng)車組安全質(zhì)量保障體系的思考與實(shí)踐［J］.中國鐵路，2009(12):5-9.

［2］馮曉云.交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2009:155-174.

［3］張曙光.高速列車設(shè)計(jì)方法研究［M］.北京:中國鐵道出版社，2009:150-157.

［4］馮曉云，王利軍.高速動(dòng)車組牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與仿真［J］.電氣傳動(dòng)，2008(11):25-28.

［5］李官軍，馮曉云.高速動(dòng)車組恒速控制策略的研究與仿真［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2007(5):12-14.

［6］丁榮軍，黃濟(jì)榮.現(xiàn)代變流技術(shù)與電氣傳動(dòng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009:205-233.

［7］張曙光.京滬高速鐵路系統(tǒng)優(yōu)化研究［M］.北京:中國鐵道出版社，2009:29-46.

［8］姜東杰.CRH3型動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2008，28(12):95-99.

［9］周愛生.關(guān)于CRH2型動(dòng)車組三級(jí)修驗(yàn)收作業(yè)規(guī)范化的探討［J］.鐵道機(jī)車車輛工人，2010(8):1-5.