齒軌列車動(dòng)力分配及高壓主電路設(shè)計(jì)

于超然 金文斌 劉 勇 蔣 鵬

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長春∥第一作者， 工程師)

列車在坡道行駛時(shí)，需要更大的牽引力和制動(dòng)力。為了增強(qiáng)列車的爬坡能力，列車需要增加動(dòng)車數(shù)量。受制于列車黏著使用利用率限制，即便是全動(dòng)車車輛，一般爬坡坡度亦不會(huì)超過60‰。齒軌是一種特殊的線路，和普通鐵路相比，齒軌軌道安裝有特殊的齒條，相應(yīng)的齒軌車輛配置有一個(gè)齒輪和軌道齒條咬合一起，通過車輛牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為整車提供牽引力和電制動(dòng)力。齒軌列車最大爬坡坡度可達(dá)250‰。增大列車爬坡坡度可減少線路展線長度，降低對山地旅游景區(qū)植被及地質(zhì)破壞的影響，并減少工程造價(jià)。齒軌列車目前在國外已廣泛應(yīng)用，技術(shù)相對成熟。

齒軌列車提高了車輛爬坡能力，但列車也需在正常線路運(yùn)行，因此，需根據(jù)實(shí)際線路需求進(jìn)行列車動(dòng)力合理配置，以實(shí)現(xiàn)車輛設(shè)計(jì)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

1 國內(nèi)外齒軌列車應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外齒軌列車應(yīng)用

目前，國外齒軌列車已在30個(gè)國家近180條線路上應(yīng)用[1-2]。較為成熟的齒軌牽引系統(tǒng)有Marsh齒軌系統(tǒng)、Riggenbach系統(tǒng)、Abt系統(tǒng)、Strub齒軌系統(tǒng)及Locher齒軌系統(tǒng)等[3]。目前，已經(jīng)建成的齒軌線路長度已超過3 000 km，廣泛應(yīng)用于歐洲和美國山地路段；瑞士齒軌列車運(yùn)行線路和數(shù)量占全世界總數(shù)的一半以上，技術(shù)最為成熟。

1.2 國內(nèi)齒軌列車應(yīng)用

目前，國內(nèi)齒軌列車尚處于研究階段。2020年6月，四川省發(fā)展與改革委員會(huì)批復(fù)了《四川省山地軌道交通規(guī)劃》，規(guī)劃了長度約1 700 km的山地軌道交通線路。這些項(xiàng)目的建設(shè)，可以帶動(dòng)齒軌軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展，構(gòu)建山地軌道交通產(chǎn)業(yè)，培育萬億級支柱產(chǎn)業(yè)。

1.3 齒軌列車牽引的主要研究內(nèi)容

相對于國內(nèi)常用的軌道交通列車，齒軌列車增加了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。區(qū)別于現(xiàn)有列車設(shè)計(jì)，齒軌列車需要特別設(shè)計(jì)的內(nèi)容有：

1) 根據(jù)車輛需求配置齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和黏著動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；

2) 齒軌路段列車牽引力計(jì)算；

3) 列車高壓主電路設(shè)計(jì)。

2 齒軌列車牽引性能需求

2.1 黏著路段齒軌列車牽引性能需求

黏著路段齒軌列車牽引性能參數(shù)見表1。

表1 黏著路段齒軌列車牽引性能參數(shù)表Tab.1 Traction performance requirements of cog rail train on the adhesive line

2.2 齒軌路段齒軌列車牽引性能需求

齒軌路段齒軌列車牽引性能參數(shù)見表2。

表2 齒軌路段齒軌列車牽引性能參數(shù)表Tab.2 Traction performance requirements of cog rail train on the cog rail line

2.3 齒軌列車的其他參數(shù)信息

齒軌列車其他參數(shù)見表3。

表3 齒軌列車其他參數(shù)表Tab.3 Table of other cog rail train information parameters

3 齒軌列車動(dòng)力配置計(jì)算

3.1 齒軌列車動(dòng)力分配方案計(jì)算

齒軌列車需要在黏著線路和齒軌線路運(yùn)行。在黏著路段，齒軌列車由黏著電機(jī)驅(qū)動(dòng)；在齒軌路段，齒軌列車由黏著電機(jī)和齒軌電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)。

齒軌列車在齒軌段的牽引力主要由齒軌電機(jī)貢獻(xiàn)。因此，列車動(dòng)力配置需要首先計(jì)算齒軌段列車牽引力需求來確定齒軌電機(jī)的數(shù)量，從而進(jìn)一步確定黏著電機(jī)的數(shù)量。

計(jì)算條件如下：

1) 每個(gè)齒輪由1個(gè)牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為保證齒輪使用壽命，單個(gè)齒軌牽引力應(yīng)不大于60 kN。

2) 黏著轉(zhuǎn)向架牽引時(shí)，計(jì)算黏著系數(shù)取0.13；制動(dòng)時(shí)，計(jì)算黏著系數(shù)取0.12。

3) 由于列車為全動(dòng)車配置，列車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按10%考慮。

4) 為適應(yīng)齒軌列車在本線最大坡度為250‰的坡道和30‰的常規(guī)坡道上運(yùn)行，需采用全動(dòng)車配置。

AW2工況下，列車在250‰坡道上加速度達(dá)到0.4 m/s2時(shí)，至少需要的牽引力(未考慮摩擦阻力和空氣阻力)為519 kN。單個(gè)黏著轉(zhuǎn)向架所能提供的牽引力為31 kN。

3.2 齒軌列車動(dòng)力分配方案1

齒軌列車動(dòng)力分配方案1(見圖1)為3臺(tái)黏著轉(zhuǎn)向架+5臺(tái)齒軌轉(zhuǎn)向架。

圖1 齒軌列車動(dòng)力分配方案1Fig.1 Power distribution plan 1 for cog rail train

通過計(jì)算得出，該編組列車可提供的最大牽引力為393 kN，小于519 kN。由此可見，該編組列車所能提供的最大牽引力不能滿足列車牽引力需求，因此，需增加齒軌齒輪數(shù)量。若將其中1個(gè)黏著轉(zhuǎn)向架改為齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，此時(shí)列車在黏著線路上運(yùn)行時(shí)動(dòng)拖比已降至1∶3，降低了列車在黏著線路上的性能。因此，本文不考慮此種動(dòng)力分配方式，后續(xù)應(yīng)考慮在每個(gè)齒軌轉(zhuǎn)向架上安裝2個(gè)齒輪。

3.3 齒軌列車動(dòng)力分配方案2

齒軌列車動(dòng)力分配方案2(見圖2)為5臺(tái)黏著轉(zhuǎn)向架+3臺(tái)齒軌轉(zhuǎn)向架。

圖2 齒軌列車動(dòng)力分配方案2Fig.2 Power distribution plan 2 for cog rail train

通過計(jì)算得出，該編組列車可提供的最大牽引力為515 kN，小于519 kN。由此可見，該編組列車所能提供的最大牽引力不能滿足列車牽引力需求，需繼續(xù)增加齒軌齒輪數(shù)量。

3.4 齒軌列車動(dòng)力分配方案3

齒軌列車動(dòng)力分配方案3(見圖3)為4臺(tái)黏著轉(zhuǎn)向架+4臺(tái)齒軌轉(zhuǎn)向架。

通過計(jì)算得出，該編組列車可提供的列車最大牽引力為604 kN，大于519 kN。由此可見，該編組列車能提供的牽引力可滿足列車的牽引力需求，并有一定的余量。因此，齒軌動(dòng)力配置為4臺(tái)黏著轉(zhuǎn)向架和4臺(tái)齒軌轉(zhuǎn)向架，每臺(tái)齒軌轉(zhuǎn)向架含有2個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪。

圖3 齒軌列車動(dòng)力分配方案3Fig.3 Power distribution plan 3 for cog rail train

4 齒軌列車牽引系統(tǒng)高壓主電路設(shè)計(jì)

齒軌列車的基本配置為4個(gè)黏著動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和4個(gè)齒軌動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。齒軌列車的高壓主電路原理如圖4所示。

齒軌列車的高壓主回路電氣設(shè)備主要包括避雷器箱、高壓電氣箱A、高壓電氣箱B、VVVF(變壓-變頻)逆變器箱、輔助電源箱、制動(dòng)電阻箱、牽引電機(jī)及接地裝置。其中，高壓電氣箱A箱、高壓電氣箱B箱為高壓系統(tǒng)提供電氣隔離和短路保護(hù)；母線高斷箱主要實(shí)現(xiàn)2節(jié)車廂之間的高壓母線分?jǐn)嗉岸搪繁Ｗo(hù)，VVVF逆變器驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)為整車提供牽引力和電制動(dòng)力；輔助逆變器為整車中壓和低壓系統(tǒng)提供電能；制動(dòng)電阻和斬波回路為整車提供過壓保護(hù)功能。齒軌列車高壓主回路電氣設(shè)備配置如表4所示。

5 齒軌車輛牽引電機(jī)計(jì)算

5.1 黏著路段齒軌車輛牽引力計(jì)算

計(jì)算中，動(dòng)車慣性系數(shù)取0.1，用于計(jì)算列車換算質(zhì)量。接觸網(wǎng)壓在DC 1 500 V的條件下，取列車的起動(dòng)加速度為0.5 m/s2，取列車起動(dòng)阻力為9.6 kN，則列車的起動(dòng)牽引力為107.4 kN。

表4 齒軌列車高壓主回路電氣設(shè)備配置Tab.4 The cog rail train configuration

AW2時(shí)黏著路段齒軌車輛牽引力-速度曲線如圖5所示。

注：列車運(yùn)行速度為0～40 km/h的區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)；列車運(yùn)行速度為40～120 km/h的區(qū)域?yàn)楹愎^(qū)。圖5 黏著路段齒軌車輛牽引力-速度曲線Fig.5 Traction-speed curve of cog rail train on the adhesive rail section

AW2時(shí)黏著路段齒軌車輛電制動(dòng)力-速度曲線如圖6所示。

注：列車運(yùn)行速度為0～5 km/h的區(qū)域?yàn)殡娍辙D(zhuǎn)換區(qū)；列車運(yùn)行速度為5～60 km/h的區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)；列車運(yùn)行速度為60～120 km/h的區(qū)域?yàn)楹愎^(qū)。圖6 黏著路段齒軌車輛電制動(dòng)力-速度曲線Fig.6 Electric braking force-speed curve of cog rail train on the cog rail section

5.2 齒軌電機(jī)牽引力計(jì)算

本方案共有8臺(tái)牽引電機(jī)。動(dòng)車慣性系數(shù)取0.1，用于計(jì)算列車換算質(zhì)量。接觸網(wǎng)壓在DC 1 500 V的條件下，列車的起動(dòng)加速度取0.4 m/s2，則齒軌線路所需牽引力為529 kN。

根據(jù)3.1節(jié)，按照單黏著轉(zhuǎn)向架可發(fā)揮的牽引力最大值31 kN計(jì)算，黏著電機(jī)在齒軌線路上發(fā)揮的牽引力為124 kN，則齒軌電機(jī)總的牽引力為405 kN。

黏著電機(jī)牽引力在齒軌線路上按照恒轉(zhuǎn)矩控制，牽引力-速度曲線如圖7所示。

注：列車運(yùn)行速度為0～18 km/h的區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)；列車運(yùn)行速度為18～40 km/h的區(qū)域?yàn)楹愎^(qū)。圖7 齒軌路段黏著電機(jī)牽引力-速度曲線Fig.7 Traction force-speed curve of cog rail train on the cog rail section

黏著電機(jī)電制動(dòng)力黏著利用率取0.12，則該電機(jī)在齒軌路段發(fā)揮的電制動(dòng)力為115 kN。

齒軌線路所發(fā)揮的電制動(dòng)力可滿足列車在坡度為250‰的坡道上以最大減速度0.3 m/s2進(jìn)行制動(dòng)，剩余部分可由空氣制動(dòng)補(bǔ)足。列車阻力有利于列車減速，故制動(dòng)時(shí)不考慮阻力。通過計(jì)算得到齒軌列車所需最大電制動(dòng)力為384.68 kN。

黏著電機(jī)電制動(dòng)力在齒軌線路上按照恒轉(zhuǎn)矩控制，電制動(dòng)力-速度曲線如圖8所示。

注：列車運(yùn)行速度為2～18 km/h區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)；列車運(yùn)行速度為18～40 km/h區(qū)域?yàn)楹愎^(qū)。圖8 齒軌路段黏著電機(jī)電制動(dòng)力-速度曲線Fig.8 Electric braking force-speed curve on the cog rail section

6 結(jié)語

本文調(diào)研了齒軌列車的應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)實(shí)際需求，提出齒軌列車動(dòng)力分配方法，設(shè)計(jì)了齒軌列車主電路拓?fù)洹？蔀楹罄m(xù)齒軌列車動(dòng)力分配提供詳細(xì)的計(jì)算支撐。