新能源軌道車單電機動力總成匹配設計

段啟楠

(中鐵四局集團有限公司第八工程分公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

隨著技術的進步，環境保護要求的提高，工程機械設備采用新能源動力取代傳統內燃機動力趨勢明顯。新能源軌道車作為地鐵施工中各種軌料、混凝土的物料和鋼軌焊接運輸設備的牽引動力的唯一來源，是地鐵軌道施工時必備裝備，要求在35‰坡道上具有牽引100 t的能力，最高運行速度45 km/h，最小通過曲線半徑100 m。新能源軌道車牽引驅動系統有兩種設計方式，一種是單電機牽引驅動系統(圖1)，即采用一臺永磁同步牽引電機將動力傳送至車輛分動箱裝置，分動箱將動力分別傳送至前、后車軸齒輪箱的輪對上，從而驅動整車走行；另一種是雙電機獨立牽引驅動系統(圖2)，即采用兩臺永磁同步牽引電機，分別單獨驅動前、后車軸齒輪箱的輪對上，從而驅動整車走行[1]。

圖1 單電機牽引驅動系統

圖2 雙電機牽引驅動系統

1 電機功率計算及選型

1.1 電機功率計算

電機功率P=m*g*μj*V/η

根據(GB12814—2002)鐵道車輛用車軸型式與基本尺寸規定，B型車軸每根軸重小于15 t，新能源軌道車軸重按14 t設計，則新能源軌道車設計自重28 t。

V是新能源軌道車運行速度，根據軌道車在地鐵施工的經驗綜合分析，軌道車一般牽引運行速度不超過15 km/h，綜合平均速度V取值為15 km/h。

輪軌粘著系數的選取，是參照《牽規》中國產內燃機車車輪與鋼軌粘著系數進行計算[2]：

μj= 0.248+5.9/(70+20*45)

=0.254 (直線)

機構傳動效率η取0.9。

P=118.5 kW

1.2 電機選型

(1)單電機牽引驅動

對比電機特性，選用具有低速大扭矩輸出特性的永磁同步牽引電機，電機功率為150 kW，根據行業標準該電機額定轉矩為1450 N·m，峰值轉矩為2900 N·m，額定轉速為980 rpm，最大轉速為2600 rpm。

(2)雙電機獨立牽引驅動

對比電機特性，選用具有低速大扭矩輸出特性的永磁同步牽引電機，數量2臺，電機功率為150 kW，根據行業標準該電機額定轉矩為1450 N·m，峰值轉矩為3100 N·m，額定轉速為1000 rpm，最大轉速為2800 rpm。

2 單、雙電機牽引驅動方案比選

2.1 電機工作效率分析

驅動電機作為整車驅動的動力源，電機的工作效率高低，直接影響到新能源軌道車的續航里程。根據軌道車在地鐵施工的經驗綜合分析，軌道車一般牽引運行速度不超過15 km/h，且單程運距短，存在啟停、加速、減速和制動等頻繁操作，永磁同步牽引電機大部分工作區間轉速為0～1500 rpm，此時，電機處于低速大扭矩輸出狀態，牽引電機長時間處于低功率工作狀態，永磁同步牽引電機輸出特性曲線示意圖如圖3所示，從效率曲線(紅色)可知，車輛常用工作區域牽引電機大部分時間工作于低效率區間。因此，同等工況下，單電機效率更高，能耗利用率高，經綜合分析計算，相較于雙電機驅動形式，單電機驅動形式可提高能耗利用率10%以上。相同作業工況下，同等電量電池組，單電機驅動方式作業續航里程可提高約10%。

圖3 永磁同步牽引電機輸出特性曲線示意圖

2.2 電機安裝結構高度分析

如圖4所示，采用單電機與雙電機獨立驅動形式相比，采用單電機驅動安裝結構的設計，其牽引電機的安裝高度明顯提高，兩種方案電機的高差為370 mm，優化了軌道車車架下側部件的布置，從而提高軌道車下側電氣部件距離軌面的最低高度，有利于軌道車通過積水、泥漿、揚塵等復雜惡劣工況，提高車輛運行安全防護。

圖4 單、雙電機安裝結構對比圖

2.3 電機同步控制分析

車輛前后均為單動力輪對，因軸箱間隙等機械結構特點，采用雙電機獨立驅動，在軌道不平順或濕滑狀況，易出現一輪對打滑及被動沖擊等情況，且兩臺電機獨立驅動，獨立的電機控制器控制會導致前、后電機轉動同步性存在誤差，從而導致機械結構異常磨損，且打滑浪費部分電能，從而減少續航里程；而單電機驅動至分動箱裝置，分動箱驅動前后車軸齒輪箱走行，車輛前后無輪對不同步走行問題[3]。

2.4 動力電組的使用壽命及電路設計分析

150 kW永磁同步牽引電機額定電流為250～300 A，啟動峰值電流500 A左右，雙電機在額定功率狀態下主回路放電電流為500～600 A，啟動峰值電流1000 A左右，磷酸鐵鋰動力電池組在1C以內放電，新能源軌道車容量均未超過600 Ah，因此，2臺150 kW永磁同步牽引電機若同時大功率放電將降低鋰電池組的使用壽命，且500～600 Ah大電流電路對主電路電纜及電氣元器件要求更高，安全防護等級要求更高，難以實現。

綜上所述，從電機能耗利用率、兩驅動輪對同步控制、電氣部件安裝防護高度、動力電組的使用壽命及電路設計分析來看，單電機驅動方式優于雙電機獨立驅動方式，僅在鋰電池組安裝在軌道車車架下部，受制于空間限制，無法布置中間傳動系統，采用雙電機獨立驅動方式。

3 單電機動力總成匹配設計

3.1 車軸齒輪箱及分動箱的選型匹配

(1)根據牽引條件[4]，初步確定低速牽引工況車輛總減速比范圍k

k=1.06*(G+P)g*i*D/2 N

新能源車輛自重G取28 t；

被牽引車輛重量P取100 t；

線路坡度系數i取值35；

新能源車輛輪徑D取840 mm；

電機額定扭矩N取1450 Nm。

經過計算，在低速牽引工況下，確定車輛總減速比范圍取值不小于13.4。

(2)根據運行最高條件，初步確定高速走行工況車輛總減速比范圍

k=188*n*D/v

電機最大轉速n取2600 rpm。

新能源車輛速度v為取45 km/h。

經過計算，在高速走行工況下，確定車輛總減速比取值范圍k不大于9.1。

(3)分動箱的選型

考慮到車輛牽引力與速度對總減速比的要求差異大，需要兩檔以上分動箱，綜合市場分動箱廠家參數和成本價格，最終選擇兩檔分動箱，設置一個高速檔(減速比為1)和一個低速檔(低檔減速比1.58)。分動箱主要技術參數見表1。

表1 分動箱主要技術參數

(4)車軸齒輪箱速比的確定

根據計算總減速比與分動箱速比之間的關系，確定車軸齒輪箱速比范圍在8.4～9.1之間，結合配套廠家的參數，最終選擇車軸齒輪箱減速比為8.72。因此車輛總減速比為：高速擋為8.72和低速擋為13.7。

3.2 動力系統牽引力及速度校核計算

低速檔持續輸出牽引力：1450 Nm*13.7/0.42 m=47.3 kN，啟動牽引力按1.5倍系數計算得啟動牽引力71 kN

高速檔最大速度：

2600 rpm/8.72*60*3.14*840=47.2 km/h

因此，計算得車輛低速擋持續牽引力為47.3 kN，啟動牽引力為71 kN，車輛高速擋最大走行速度47.2 km/h>45 km/h，滿足設計要求。

3.3 單電機牽引驅動系統設計

單電機牽引傳動系統主要由永磁同步電機、傳動軸、分動箱、車軸齒輪箱等組成，考慮地鐵施工部分線路積水，防止軌道車通過時，電機及分動箱浸水，造成設備故障，故將永磁同步牽引電機和分動箱高度設置于車架與車廂之間，電機偏向一端操作臺，分動箱布置在車架中部[5]，如圖5所示。

圖5 單電機牽引傳動系統三維模型圖

4 新能源軌道車現場試驗

試驗線路：最大坡道30‰～35‰、帶曲線、道岔等綜合線路工況8 km左右，現場軌道車在線試驗與部分線路施工作業穿插進行；線路鋼軌表面干燥，環境溫度28 ℃，濕度58%。

4.1 軌道車單機運行試驗

新能源軌道車根據現場線路工況進行了單機啟動、單機運行、過曲線、過道岔等綜合線路運行試驗，試驗數據如表2所示。

表2 新能源軌道車單機運行試驗

4.2 軌道車重載運行試驗

新能源軌道車根據現場線路工況進行了重載聯掛103t(搗固車自重75t+整形車自重28t)、重載聯掛82t(K13漏斗車自重22t+載重60t道砟)試驗，車輛多次重載聯掛大坡道啟動、大坡道運行、聯掛過曲線、過道岔等線路運行試驗，試驗數據如表3所示。表3

新能源軌道車重載運行試驗

4.3 軌道車制動試驗

針對新能源軌道車單機運行、聯掛運行的制動性能進行試驗，試驗結果如表4所示。

表4 新能源軌道車制動試驗

4.4 試驗結果

曲線和道岔通過性能試驗，新能源軌道車以規定速度通過設計規定的最小半徑曲線時，檢查各部件正常運動不受限制，連接風管、跨接電纜、傳動裝置的連接軟管，連接線等長度符合要求，傳動裝置、車軸齒輪箱，牽引電機運行正常，軌道沒有因擠壓產生永久變形，檢查車鉤連接性能符合要求；以規定的速度通過道岔時，走行部運行靈活，道岔鋼軌沒有產生永久變形。曲線和道岔通過性能試驗結果符合有關標準。

單機運行風制動試驗，單機緊急制動試驗，在通過施加制動的標志之前，切除動力，使軌道車運行速度接近預定速度25 km/h，進入試驗線路，實施緊急制動，制動后走行距離小于45 m，車輪踏面沒有擦傷，經過三次試驗，試驗結果誤差不超規定值，單機緊急制動距離符合設計要求。單機駐車制動試驗，30‰～35‰大坡道，滿足不溜車。連掛列風制動試驗(綜合測試)，平道及中小坡道，加速后制動，制動距離滿足同類型軌道車制動要求。連掛試驗列車大坡道風制動試驗(綜合測試)，30‰～35‰大坡道連掛車輛滿足不溜車。

單機運行試驗，在推送時，不同速度下的基本阻力試驗和起動阻力試驗符合規定要求。牽引工況下換檔性能試驗，高速檔最大速度達45 km/h，低速檔最大速度達30 km/h。軌道車由低速到高速和由高速返回低速時各換檔點的速度、牽引力、主電壓、主電流等符合設計要求。

重載運行牽引特性試驗和最大起動牽引力試驗，軌道車牽引工況，受粘著力限制，取輪對空轉前牽引力最大值，聯掛試驗列車82 t、103 t兩種牽引噸位，高低檔正常運行，高檔最大速度達25 km/h，低檔最大速度達12 km/h，牽引特性試驗和最大起動牽引力試驗結果均符合設計要求。

通過現場試驗，新能源軌道車各試驗項目的主要測量參數均符合標準和設計要求。

5 結論

新能源軌道車單電機驅動方式采用一臺額定功率150 kW的永磁同步牽引電機，通過高低速檔位與分動箱傳動布置形式，低速檔位持續爬坡牽引力達47 kN，啟動牽引力達71 kN，滿足車輛35‰坡道下牽引力要求，高速檔位下可滿足最大運行速度45 km/h，且滿足軌道車地鐵施工工況下，牽引重量與速度匹配要求。

單電機加分動箱裝置驅動形式相比雙電機兩輪對獨立驅動軌道車，單電機方案電機工作區間工作效率更高，整車效率及能耗利用率高；單電機加分動箱驅動形式，輪對不存在同步問題，亦減少了因同步問題產生的沖擊載荷，減少輪對磨耗及熱消耗。

新能源軌道車完成試制后在現場進行型式試驗及運行，車輛運行情況良好，整車性能達到設計要求，能滿足地鐵各種施工工況下的工程路料運輸及救援作業等牽引要求，該軌道車的成功研制，改善作業環境，實現尾氣“零排放”同時降低噪音污染，推動了地鐵施工裝備向無煙、環保、節能方向發展的歷史征程，對于實現地鐵綠色施工具有重要意義。