智轨电车低温适应性研究与应用

李俊义 肖磊 杨勇 张陈林 肖化友 付建朝 汤学清

摘 要：文章通过参考电力机车的防寒设计以及针对智轨电车本身特有系统的防寒设计 2 方面对智轨电车开展低温适应性设计。为验证设计的可行性，除在实验室内对部件进行低温试验验证外，还开展相应的整车试验验证，包括采暖性能试验、制动系统动态试验和能耗试验。试验结果表明，低温对整车的能耗无明显影响，而整车采暖性能和制动性能满足标准要求，为智轨电车在低温地区的应用提供科学依据。

关键词：智轨电车;低温;适应性;试验

中图分类号：U467.1

1 研究背景

目前，由中车株洲电力机车研究所有限公司自主研发的具有虚拟轨迹跟随能力、以全电驱动胶轮车辆作为运载工具的智轨电车（按照工作环境温度为-25～45℃设计）相继在湖南株洲、江西永修、四川宜宾等中国南方地区开通运行。然而，根据该工作环境温度条件设计的智轨电车不能满足寒冷地区的要求，例如，中国最北方省会城市哈尔滨的气候特点为：11月至次年3月为冬季，气温最低的1月份平均气温为-30～-15℃，最低气温曾达-38.1℃，有时会出现暴雪天气。因此，如何定义我国智轨电车的最低环境温度是首先需要面对的问题。在轨道交通行业标准中，GB/T 3317-2006《电力机车通用技术条件》对电力机车的使用环境条件要求为周围空气温度在-40～40℃之间;BS EN 50125-1 ： 2014《Railway applications-Environmental conditions for equipment-Part1 ： Equipment on board rolling stock》中TX等级的外部空气温度范围为-40～50℃;IEC 60571 ： 2012《Railway applications-Electronic equipment used on rolling stock》规定的最低外部环境温度为-40 ℃;GB/T 25119-2010《轨道交通 机车车辆电子装置》

规定的机车车辆外界环境温度为-25 ℃，其中电子装置应允许在不低于-40 ℃环境温度下存放。在汽车行业标准中，QC/T 413-2002《汽车电气设备基本技术条件》规定的最低工作温度为-40℃、储存温度为-40℃;GB/T

28046.4-2011《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第4部分：气候负荷》规定的最低储存温度为-40℃。综合考虑轨道交通行業和汽车行业标准，以及我国北方寒冷城市的气候特点，将智轨电车的最低工作环境温度和储存温度定义为-40℃，并称为低温环境。车辆系统和部件需满足在-40℃环境温度下可正常起动工作，特殊部件可以通过保温、加热等方式，使核心器件的温度上升到其允许的工作温度范围内，以便发挥其较高的效率。

本文以-40～45℃环境温度为智轨电车的工作环境温度，在该环境温度下进行低温适应性设计，并开展低温试验，以验证智轨电车低温适应性设计的可行性。通过本次设计及试验验证，为智轨电车在低温地区应用提供科学的依据。

2 智轨电车低温适应性研究与设计

智轨电车低温适应性研究将从以下2方面开展。

（1）参考电力机车的低温适应性设计[7-11]，采取有效的抗寒、防寒措施：①采用低温材料，如金属结构材料、电气及电子部件、油脂、冷却液、复合材料等需符合低温要求;②采暖和保温设计;③防止制动系统中的管路结冰。

（2）针对智轨电车本身采用动力电池作为储能方式的特点，解决低温条件下动力电池放电性能降低的问题。

2.1 材料选择

（1）有些金属材料在室温时并不显示脆性，而在低温下可能发生脆断，这一现象被称为冷脆现象，表现为冲击功值随温度的降低而显著减小。智轨电车中底盘的金属结构件按照-40 ℃进行设计，以满足低温地区使用的要求。

（2）针对电气及电子部件在低温环境条件下可能出现功能失效的现象，智轨电车中的关键电气及电子部件（如牵引系统中的牵引电机、受流系统中的受电弓、无轨导向系统中的控制箱、传感器等）将严格按照-40 ℃进行设计。

（3）针对油脂和传动液压油在低温条件下出现黏度增加或硬化的现象，应对智轨电车更换耐低温型润滑脂和传动油等。考虑到驱动电机冷却液在低温条件下有结冰的可能，应对智轨单车更换耐低温冷却液。

（4）智轨电车内外装采用复合材料，如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料，根据王贤锋、赵建华等人的研究，上述2种复合材料均满足低温使用环境的要求。

2.2 采暖和保温设计

采暖是低温地区冬日出行必不可少的一项功能，采用空调系统中的暖风功能进行采暖，通过增加隔热材料进一步提升整车的隔热性能。

2.3 制动系统低温适应性设计

针对制动管路在低温条件下可能结冰的问题，在空压机和干燥器之间串联冷凝器装置，提升空压机管路冷凝排水性能，减少进入气路系统中空气的含水量;另外，需选用具有低温加热功能的干燥器，且采用智能排水系统代替原储气筒放水阀，提升储气筒放水的能力。

2.4 动力电池低温适应性设计

针对动力电池在低温条件下存在充电困难、放电性能降低的问题，可采用插枪加热方案解决充电困难的问题;采用动力电池空调机组为动力电池加热的措施，使动力电池工作在最佳的环境温度，解决放电性能降低的问题。

3 低温试验验证

下面针对智轨电车低温适应性设计，开展相关的试验验证。材料的低温试验选择在实验室中开展，如金属结构件的低温冲击试验、电气及电子部件的低温试验。但是，有关整车的低温试验验证，如采暖试验、制动系统动态试验等，在实验室中无法顺利开展。所以，本次整车低温试验验证选择在中国最北方省会城市哈尔滨开展。由于外部试验条件不可控性，在整个试验期间的最低温度约为-20 ℃。

3.1 材料的低温试验

（1）针对金属材料的冷脆现象，对智轨电车的金属结构件按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》开展冲击试验。试验结果表明，智轨电车底架的金属结构件满足低温环境使用需求。

（2）针对智轨电车的电气及电子部件，按照标准GB/T 2423.1-2008《电子电工产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温》中的规定开展最低温度为-40℃的低温储存试验和低温运行试验。针对低温失效的电子部件，更换能适应-40℃低温环境的电气器件或采取电加热的优化解决方案。

3.2 空调系统采暖试验

根据BS EN 14750-2 ： 2006《Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part2 ： Type tests》要求，采暖试验时的环境温度< 5℃，空气流动速度为0～15km/h，无太阳照射。在客室1.1m和1.7m高度处布置温度传感器，以1.1m高度处温度传感器的算术平均值作为客室温度。该试验在室内开展，温度约为0 ℃，试验结果如下。

（1）在AW0（整备状态下的车辆自重）、关闭车门工况的预热试验中：在15 min时，室内温度上升到11.59℃，满足BS EN 14750-1 ： 2006《Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part 1 ： Comfort parameters》中客室温度大于10℃的要求;在试验过程中，满足BS EN 14750-1 ： 2006中同一垂直面和水平面任意两点温差不超过8 K的要求。

（2）在AW0、开关门试验中，待车内温度稳定后，将车辆一侧的车门进行10次打开和关闭的循环操作。根据10次记录的数据可知，客室平均温度与设定值的偏差在±2 K内，满足BS EN 14750-1 ： 2006中的要求。

3.3 制动系统动态试验

根据GB/T 14894-2005《城市轨道交通车辆 组装后的检查与试验规则》以及GB 7258-2017《机动车运行安全技术条件》在平直路面上开展初速度为30km/h的制动性能试验，要求在AW0工况下的制动距离不大于9.5m，在AW2（按照用户需求，加载9.8 t）工况下的制动距离不大于10.5 m。试验结果表明，在低温条件下，智轨单车的制动性能满足相应要求。

3.4 能耗试验

根据 GB/T 14894-2005、试验线路及用户要求，确定试验条件为：在长度为3.8 km的环形道路上，每800m设置1个站点，最后1个站点为600 m，其中1 点为起始点，具体如图1所示;车辆运行时，空调的采暖功能开启，最高车速为50 km/h，到站点停车并打开车门约20 s，然后关闭车门，继续行驶。试验时，车辆按照图1的线路至少运行1圈。

为探究不同温度对车辆能耗的影响，试验时的环境温度分别为-8 ℃和-20 ℃。

（1）AW0工况的试验结果如表1所示。试验结果表明，在AW0工况下，-20 ℃和-8 ℃的能耗基本相同，低溫对能耗无明显影响。

（2）通过AW0工况下的能耗试验可知，低温对能耗无明显影响，所以在AW2（按照用户需求，加载9.8t）工况下，不再进行不同温度下的能耗对比试验。在AW2工况下，试验环境温度为-14 ℃，试验结果：平均车速为25.9km/h，能耗为3.41kW · h / km。由于载荷的增加，相比于AW0工况，AW2工况的能耗相对增加13.7%。

4 结语

智轨电车同轨道交通装备行业一样，由众多的系统和零部件组成，其中影响车辆稳定、安全行驶的重要系统和零部件有动力电池、制动系统、空调系统、牵引电机、辅助电源、走行机构、智能辅助驾驶系统等。在低温环境条件下，智轨电车的工作条件和常温运用条件相差比较大，对机械结构性能、电气设备的动作响应性能以及油脂润滑、冷却介质以及风源管路等都提出了更高的要求。因此，提高零部件的低温环境适应性是根本。本文通过对金属结构件的低温冲击试验、电气及电子部件的低温运行试验和储存试验、更换耐低温油脂等，使智轨电车零部件的低温性能得到保障，从而避免零部件在装车之后因低温环境条件变化而失效或功能丧失。通过对智轨电车整车的采暖试验、能耗试验、制动系统动态试验等，验证了智轨电车的空调采暖功能和制动性能均满足要求;低温对整车的能耗基本无影响，从而验证了低温适应性设计的可行性，为批量订单车的设计提供了科学依据。

参考文献

[1]GB/T 3317-2006 电力机车通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2006.

[2]BS EN 50125-1 ： 2014 Railway applications-Environmental conditions for equipment-Part 1 ：Equipment on board rolling stock[S].London：BSI Standards Publication，2014.

[3]IEC 60571 ： 2012 Railway applications-Electronic equipment used on rolling stock[S].London：IEC Publications，2012.

[4]GB/T 25119-2010 轨道交通 机车车辆电子装置[S].北京：中国标准出版社，2010.

[5]QC/T 413-2002 汽车电气设备基本技术条件[S].天津：中国汽车技术研究中心汽车标准化研究所，2002.

[6]GB/T 28046.4-2011 道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第4部分：气候负荷[S].北京：中国标准出版社，2011.

[7]GB/T 229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[8]GB/T 2423.1-2008 电子电工产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温[S].北京：中国标准出版社，2008.

[9]BS EN 14750-2 ： 2006 Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part2 ： Type tests [S]. London：BSI Standards Publication，2006.

[10] BS EN 14750-1 ： 2006 Railway applications-Air conditioning for urban and suburban rolling stocks-Part1 ： Comfort parameters [S]. London：BSI Standards Publication，2006.

[11] GB/T 14894-2005 城市軌道交通车辆组装后的检查与试验规则[S].北京：中国标准出版社，2005.

[12] GB 7258-2017 机动车运行安全技术条件[S].北京：中国标准出版社，2017.

[13] 王文伟，孙逢春. 全气候新能源汽车关键技术及展望[J].中国工程科学，2019，21（3）：47-55.

[14] 郭迎春. БКГ-1型电力机车的防寒保温技术[J].铁道机车车辆，2017，37（6）：62-64.

[15] 黄中荣.电力机车防寒措施及其技术分析[J].电力机车技术，2002，25（S1）：4-6.

[16] 王贤锋，赵建华，姜洪源，等.玻纤和碳纤在低温下的强度统计特性[J].无机材料学报，2003（1）：45-49.

收稿日期 2020-05-20

责任编辑 党选丽