直线电机驱动地铁车辆运行阻力试验研究①

袁修法， 林建辉

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031)

0 引言

直线电机驱动地铁车辆采用直线感应电机牵引，技术先进、安全可靠、绿色环保，具有良好的经济效益，为城市轨道交通在特定线路条件下提供一种新选择[1，2].列车运行阻力直接影响列车运行速度与列车质量的优化，并与列车能耗密切相关，此外，列车运行阻力还是选择配置牵引动力的基本参数[3]，因此，合理的确定出列车运行阻力显得十分必要.本文根据直线电机驱动地铁车辆在广州5号线上进行的运行阻力试验结果，确定出直线电机驱动地铁车辆单位运行基本阻力计算公式，并与传统地铁车辆进行比较，确定出其具有更好的运行阻力特性.

1 试验方案设计

1.1 试验条件

试验列车为六编组形式，试验时列车载荷AW2状态，试验速度范围为0～80km/h，同时应保证轨面粘着条件良好[4].

在业主线路选取YDK9+100～YDK8+600区间段作为试验区段，该线路为直线上坡区段，其中YDK9+100～YDK8+800坡度为 4.935‰，YDK8+800～YDK8+600坡度为6‰.

1.2 试验程序

(1)因为试验区段为直线上坡区段，所以在试验结果计算时需要将坡道阻力减去，试验进行时皆选取上坡.在试验区段外，司机将司机手柄移至全牵引位置，将列车加速至75km/h;

(2)保持75 km/h恒速运行，在列车进入试验区段瞬间(即列车到达如图1所示位置A时)，司机立即将手柄推至惰行位，列车开始惰行并记录数据;

(3)在列车惰行出试验区段瞬间，记录此时列车的速度值V1，并停止记录数据;

(4)列车驶出试验区段后施加常用制动减速停车;

图1 列车运行阻力试验示意图

图2 数据采集系统示意图

(5)换司机室，司机将列车开回试验点A前足够距离，然后再换司机室按图1方向将列车加速至速度值V1+5;

(6)保持恒速V1+5运行，然后按照第2到5步重复执行，直至列车在试验区段内速度惰行至0km/h;

1.3 试验数据采集

列车速度信号及列车牵引制动信号从M1车的低压分线箱采集，经信号调理器，输出范围为－10V～+10V的对应模拟电压信号，再经NI数据采集器采集并输入到PC机进行记录和保存，如图2所示.

NI数据采集器的型号为NI－6255，可采集±100mV到±10V范围内的16位模拟信号，最高速度可达1.25MS/s，可同时支持80路模拟输入，测试精度为0.1%.

PC机上采用与数据采集器配套的软件DASYLab编辑程序进行数据的分析处理与记录保存.DASYLab采用图形化编辑语言G编写程序，能方便快捷的编辑出用户程序.

2.1 试验数据处理

根据惰行中记录的列车速度信号数据计算列车的阻力公式，绘制v－ω单位运行基本阻力曲线.

试验列车单位运行基本阻力求取公式[5]:

式中:γ 为回转质量系数，取0.1;ωi，ωr分别为单位坡道附加阻力和单位曲线附加阻力;为坡道坡度，上坡取正值，下坡取负值;R为曲线半径.

由列车速度信号计算速度变化率Δv/Δt，部分结果记录如表1所示.

2 试验结果分析

表1 速度信号处理结果

根据确认的3个参数 γ，ωi，ωr，由上表试验数据确定出各点速度v对应的ω0i值，并用最小二乘法回归各点ω0i拟合出试验列车单位运行基本阻力曲线，并与得到的数据进行对比，如图3所示.

因此得出，直线电机驱动地铁车辆运行时单位基本阻力计算公式为:

2.2 试验结果置信度分析

本文不再讨论由于回转质量系数γ预置0.1所产生的误差，本文所述试验方法所产生的误差主要来源于数据处理中采用最小二乘法回归拟合曲线.最小二乘法理论已经非常成熟，一般用值R2表示拟合结果的置信度[6].

根据上式，结合试验数据，求得所拟合曲线的R2值为 0.98597.

2.3 试验结果比对

为了确定出直线电机驱动地铁车辆运行时单位基本阻力的特点，将其与传统地铁车辆的运行阻力试验结果进行对比.

下面给出在杭州地铁1号线车辆进行的运行阻力试验结果，如图4所示.杭州地铁1号线车辆采用的是旋转式交流电机牵引驱动的B型车[7].试验列车为四编组，AW0载荷状态，试验在坡度4‰，曲线半径1800m的上坡段进行.

图3 直线电机驱动地铁车辆单位运行基本阻力曲线

图4 旋转电机驱动地铁车辆单位运行基本阻力曲线

图5 两类地铁车辆单位运行基本阻力曲线比较

对应的列车单位运行基本阻力计算公式为:ω0=0.7377+0.01393v+0.0008599v2(4)对比两种类型地铁车辆的单位运行基本阻力曲线，如图5所示.

将对应速度点的单位运行基本阻力进行对比，数值如表2所示.

表2 两类地铁车辆单位运行基本阻力数值对比

由此可见，直线电机地铁车辆与采用旋转电机驱动的地铁车辆在低速时的运行阻力基本相当，但在列车运行速度增大时，直线电机地铁车辆具有相对小的运行阻力，而且随着速度的增大，阻力差距越大.

3 结论

(1)通过本文所述试验方法，可以较准确的得出直线电机驱动地铁车辆单位运行基本阻力计算公式，由于数据处理方法引入的误差在可控的范围内.

(2)采用直线电机驱动的地铁车辆相对于传统地铁车辆在较高速度运行时具有更小的单位运行基本阻力，主要原因在于其没有机械传动机构，转向架结构紧凑，轮对直径减小，车厢地板高度降低，车辆横断面积大大减小，具有更小气动阻力.

[1]冯雅薇，魏庆朝，孔令洋.直线电机地铁系统技术经济分析研究[J].都市快轨交通，2005，18(2):25－28.

[2]刘友梅，杨颖.城轨交通的一种新模式——直线电机驱动地铁车辆[J].电力机车与城轨车辆，2003，26(4):4－7.

[3]黄问盈，杨宁清，黄民.列车基本阻力的思考[J].中国铁道科学，2000，21(3):44－57.

[4]2006 I E C.铁路设施铁路车辆车辆组装后和运行前的整车试验[S][D].

[5]1998 T B T.列车牵引计算规程[S].1998.

[6]郑雪洋.动车组牵引性能试验方法的探讨[J].铁道机车车辆，2002，3:40－42.

[7]谢振国.杭州地铁1号线车辆编组的探讨[J].机车电传动，2004，3:013.