CRH3高速动车组牵引特性分析

朱帼蓉 陈慧民 上海铁路局科研所

中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司引进德国西门子公司先进技术实现国产化生产的动力分散型交流传动动车组CRH3型已于2008年8月1日在京津城际铁路和2009年8月武广客运专线投入运行。动车组以4辆动车和4辆拖车构成一个基本编组,在规定的载客人数，平直的轨道上，启动加速度为0.5 m/s2，牵引控制为VVVF控制方式。电气制动为再生制动方式加电阻制动，由轮缘润滑/防空转防滑行控制来提高粘着力。系统软件不断地监视车辆及驱动轮的运行。如发现偏离允许值，牵引力或制动力会自动减少到一个适当水平，以保证粘着要求，并使车轮踏面磨耗与擦伤可以减少到最小程度。整列车制动方式为电气制动与空气制动并用，电气制动优先。交流传动动车组的电源，由接触网提供单相交流27.5 kV，通过车辆上的变压器降压整流为3 000 V直流电源再由牵引逆变器变成频率为0～200 Hz，电压为0～2 500 V的三相变频变压交流电源，提供给三相交流牵引电动机，再通过齿轮箱的传动给车轮在钢轨产生牵引力，驱动列车的运动。

列车由 8辆车构成，EC08，IC06，IC03和 EC01车是动车，而TC07，FC05，BC04和TC02是拖车（如图1所示）。

图1 动车组车辆构成

EC01/EC08为带驾驶室有牵引逆变器动车,TC02/TC07为带变压器辅助逆变器拖车,IC03/IC06为有牵引逆变器动车,BC04为双辅助逆变器蓄电池餐车，FC05为双辅助逆变器蓄电池头等车。

1 列车的牵引力

在牵引计算时需要考虑到：

（1）列车的总重量M及转动质量J(每辆拖车3 t;每辆动车6 t)

（2）轨道坡度

（3）空气阻力（启动时计算到50 kph）

必须考虑到空气阻力,因为它提高了需要的牵引力。表1为CRH3车辆数据，由此可以计算空气阻力。

V- 列车速度V=50 km/h（用于计算启动加速度的阻力）

N-车辆数N=8

A-正面的截面积A=9 m2

牵引电机是四极三相异步电机,型号1TB2019-0GC02型。其参数如下：额定功率：560 kW；额定电压：2750 V；额定电流：145 A；额定转速：4100 rpm；最高使用转速：5900 rpm。额定频率：138 Hz；效率：94%；功率因素：87%；转差率：1.4%；额定转矩：3000 Nm。

列车动轮的参数为：车轮直径：92 cm(半磨耗轮径为87.5 cm，全磨耗轮径为83 cm)；齿轮传动比： =2.788；齿轮传动效率：=0.97

根据轮周牵引力计算公式：

嘉绒藏绣泛指在嘉绒藏区（四川省甘孜州丹巴县、康定县部分地区，阿坝州金川、小金、马尔康、理县、黑水、红原和汶川部分地区）藏民族传统服饰上的刺绣。由于该地区处于“藏彝迁徙走廊”是连接中国古代东、西、南、北的重要枢纽地带和半月地带，这里居住着藏、汉、羌、回、满、彝等15个民族，多民族的融合聚居让这里的嘉绒藏族刺绣有别于藏族其他地区。色彩上嘉绒藏绣采用黑底配以红、黄、绿、白色点缀或黑白为主配红、黄、绿色，色彩处理简约而经典，极具地域特色；绣法上嘉绒藏绣融合了藏、羌、汉、彝等民族的传统技法使嘉绒藏绣成为一种独特的刺绣艺术，是藏族文化的一种传承。

公式中： ：转动比；η：转动效率；D：轮径；MD：电机额定转矩。通过式（1）可算出每对动轮轮周上产生的牵引力为：18.54418 kN；则 1辆动车（4个电机）牵引力为：18.54418×4=74.17672。4辆动车（16个电机）总牵引力为：18.54418 kN×16=296.70688 kN。

根据加速度计算公式：

式中：

在规定的载客人数工况下，按正常的无坡度的情况，由前述可知, 则据式（2）可以计算列车起动加速度：

这与厂方提供的启动加速度0.50/s2较为接近。

由式（2）计算出有坡度和故障情况下8节编组列车牵引力为：1.2%斜坡上和100%的牵引力下的启动加速度：0.38497；2%斜坡上和100%的牵引力下的启动加速度：a=0.3114；3%斜坡上和100%的牵引力下的启动加速度：a=0.2195；当一节动车失效时在平直的轨道上启动加速度：a=

这些计算参数与厂方提供的基本一致。

图2是唐山轨道客车有限责任公司提供的基本牵引特性，根据动车的牵引逆变器，牵引电机电气参数，轮对，齿轮参数，以及轴重可以算出动车的牵引曲线。

2 列车的制动力

图2 CRH3牵引曲线

2.1 8节编组列车制动力计算

在规定的载客人数，按正常的无坡度的情况，速度150 km/h实施制动如图3中8档（减速度a=1 m/s2）可以计算列车制动力：（计算在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

图3 行车制动步骤的减速特性曲线。(Fw)为阻力曲线

紧急制动过程中，将形成最大制动力，达到最大延滞。电制动也用于紧急制动过程中。紧急制动中，将同时使用电空制动系统（EP制动）与电动制动系统（ED制动）。

图4所示为使用电制动模式以及电/气制动模式下的紧急制动下的制动力。

图4 制动力-速度图（气动制动＋100 ED 制动）

由图4所知，在气电混合制动ED＋R时，300～200 km/h制动力 550 kN；200～80 km/h制动力 650 kN；80～0 km/h 制动力600 kN。根据式（2）可以换算为300～200 km/h减速度a3=0.9265 m/s2；200～80 km/h 制动力a2=1.1364 m/s2；80～0 km/h 制动力a1=1.048 m/s2。

在规定的载客人数，按正常的无坡度的情况，速度300 km/h实施紧急制动可以计算列车制动距离；气制动是每节车上有的，考虑再生制动在电网无法吸收时制动力必须气制动承担，如果再考虑坡度的影响及部分设备故障情况下，气制动的余量要必须考虑在内。

2.2 制动距离

在平坦线路上制动的空驶时间（制动响应时间）须在3.5 s以内（其中空气响应时间为1.5 s，控制响应时间为2 s）。如果以最快的实时电制动的响应时间为0.4 s，考虑到冲动率0.75 m/s3的限制，列车从加速中突然进行制动，这一过程为1.33 s。可简略计算一下在200 km/h速度下实施紧急制动的制动距离h=22.22 m/s）

3 结束语

以上对300～350 km/h的CRH3型4动4拖动车组的牵引力作了较为详尽的计算分析，目前在高速城际线上还有300～350 km/h的CRH2C型6动2拖动车组，以及200～250 km/h的5动3拖CRH1动车组，四方机车车辆股份公司与日本川崎重工合作生产的4动4拖CRH2型，阿尔斯通与长春车辆厂生产的5动3拖CRH5动车组。城际客运专线需要旅行时间短，更要启动加速度大，速度快，制动距离短，实际上动车组中动车比例越大，牵引特性越好，制动性能也更好，电制动利用率高，同时电制动对防滑控制响应时间快、效果好，对车轮踏面磨损与擦伤小，粘着利用也好。本文介绍了一些牵引计算与分析的方法，可为车辆技术人员对动车动力配置提供技术参考。