都四線齒軌列車牽引動力單元配置研究

魏德豪，李 艷，寇峻瑜

(中鐵二院工程集團有限責任公司 科研院，四川 成都 610083)

0 引言

齒軌鐵路作為一種山地軌道交通，自出現以來，經過了150多年的發展，已在多個國家投入應用[1]。車輛通過與敷設在軌道中央的齒軌嚙合，可以克服輪軌粘著極限，實現爬坡能力的大幅提升，線路最大坡度可達480‰[2,3]。

都江堰至四姑娘山山地軌道交通扶貧項目(簡稱“都四線”)是國內首個齒軌交通工程，由成都平原向青藏高原東部行進，線路串聯了都江堰、臥龍、四姑娘山等多個景點[4]，線路全長約123 km，最大坡度達120‰。

為了提升旅客的乘車體驗，都四線采用粘著段與齒軌段貫通運行的方式，乘客無需在途中換乘。根據國外經驗，為實現粘著段與齒軌段貫通運行，列車的驅動模式主要采用獨立式或組合式[5]。

獨立式驅動的列車配有一定比例的齒軌和粘著兩種轉向架，列車在齒軌線路上由齒軌轉向架驅動，在普通輪軌線路上由粘著轉向架驅動。組合式驅動的列車通過離合器等動力切換裝置實現牽引方式的轉換，列車可根據所處線路的不同，使電機牽引力的輸出在齒軌輪和傳統輪對之間切換。

由于組合式方案的轉向架結構復雜、維護成本高，加之其核心部件——離合器在國內尚未在軌道交通車輛上加以應用驗證，因此，都四線列車采用獨立式驅動方案。

1 粘著與齒軌動力配比

1.1 列車頂層設計指標

為滿足都四線運營需要，在項目方案研究中對列車提出了多項頂層設計指標，如表1所示。

表1 列車頂層設計指標

1.2 動力配比計算原則

對于粘著轉向架，由于輪周牽引力受粘著極限限制，可先通過牽引計算確定粘著路段所需的起動牽引力，并根據軸重及粘著系數確定粘著輪軸數。而對于齒軌轉向架，可通過牽引計算確定齒軌路段的起動牽引力，再根據齒軌輪和齒條之間允許的最大受力來確定齒軌輪軸數。

由于國內尚無相關試驗提出齒軌輪與齒條之間的最大受力要求，為盡量降低對齒軌輪及齒條的受力要求，建議在除粘著轉向架外的其余位置均布置齒軌轉向架，不考慮放置拖車轉向架。

1.3 轉向架配置方案

列車起動階段牽引力最大，為滿足起動平均加速度不小于0.8 m/s2的要求，以起動目標速度為計算速度，根據表1中的基本阻力計算公式得到列車此時的基本阻力f為5.78 kN。

粘著段列車起動牽引力Fn需求為：

Fn=n·A·Mx·(1+γ)·an_acc+f.

(1)

將相關參數代入式(1)計算得Fn=168.6 kN。

有研究表明[6]，地鐵列車的計算粘著系數取值約為0.16～0.18，為保守起見，取粘著系數μ=0.16。則所需的最小粘著重量Mn為：

Mn=Fn/(μ·g).

(2)

將相關參數代入式(2)計算得Mn=107.4 t。

按軸重12 t計算，粘著動軸數量為：

nn=Mn/Mx=107.4/12=8.95.

(3)

因列車轉向架軸式為B0，因此粘著動軸數應為偶數，取nn=10，粘著轉向架數量為5臺。其余轉向架均為齒軌轉向架，即共3臺齒軌轉向架。

2 輪周牽引功率需求

2.1 輪周牽引功率計算原則

列車輪周牽引功率的計算需要滿足兩種運用工況，一是列車在起動階段加速到起動目標速度時還應具有要求的起動加速度;二是列車達到最大速度時還應有規定的剩余加速度。設計時需比較兩種工況下的功率需求，并取較大值。

2.2 粘著段輪周功率需求

2.2.1 起動階段

為滿足加速到起動目標速度時還具有要求的起動加速度，所需起動牽引力由式(1)計算得知為168.6 kN,則所需輪周牽引功率Pn為：

Pn=Fn·vn_acc/3.6=1 873.3 kW.

(4)

2.2.2 極速階段

列車以最大運行速度行駛時，根據表1中的基本阻力計算公式得到列車此時的基本阻力f為15.95 kN。

(5)

(6)

2.3 齒軌段輪周功率需求

2.3.1 起動階段

以起動目標速度為計算速度，根據表1中的基本阻力計算公式得到列車此時的基本阻力f為4.11 kN。

為滿足加速到起動目標速度時還具有要求的起動加速度，列車所需起動牽引力Fc為：

Fc=n·A·Mx·[g·i+(1+γ)·ac_acc]+f.

(7)

將相關參數代入式(7)計算得Fc=372.60 kN。

所需輪周牽引功率Pc為：

Pc=Fc·vc_acc/3.6=1 863 kW.

(8)

2.3.2 極速階段

列車在齒軌段以最大運行速度行駛時，根據表1中的基本阻力計算公式得到列車此時的基本阻力f為4.96 kN。

(9)

(10)

2.4 列車輪周功率配置

根據上述計算結果，為滿足所有運用工況的需求，分別取粘著段和齒軌段計算輪周功率的較大值，即列車所需的粘著輪周總功率為1 873.3 kW，齒軌輪周總功率為1 941.83 kW。

3 輪周牽引特性曲線

根據上述計算結果，繪制列車的牽引特性曲線及加速度特性曲線。粘著段平坡運行的特性曲線如圖1所示，齒軌段120‰上坡運行的特性曲線如圖2所示。

圖1 粘著段特性曲線

圖2 齒軌段特性曲線

4 牽引電機功率配置

牽引電機的功率需根據輪周功率并考慮傳動系統的效率計算。按一般軌道交通動車組經驗，車輛機械傳動系統效率η約為0.98。

對于粘著轉向架，電機功率Pmn為：

(11)

對于齒軌轉向架，主力軸數nc=6，電機功率Pmc為：

(12)

5 結語

依據國外齒軌列車的技術現狀，從技術成熟度角度考慮，都四線齒軌列車采用獨立式驅動方案。為滿足粘著段與最大坡度120‰齒軌段貫通運行，一列4編組列車需配置5臺粘著轉向架和3臺齒軌轉向架。粘著轉向架牽引電機功率應不小于191.2 kW，齒軌轉向架牽引電機功率應不小于330.2 kW。

隨著旅游業的發展及山地景區的開發，齒軌鐵路必將受到越來越多的關注。組合式驅動方案因其有更多的動軸同時投入牽引，可以適應更為嚴苛的線路條件，應用前景廣闊。建議在總結獨立式驅動方案運用經驗的同時，開展組合式驅動方案的技術研究。