一种铁路货车轴驱供电系统研制

董 晓 涂智文 张金发 李 智

（1.国能铁路装备有限责任公司，北京 100120；2.中车长江集团科技开发分公司，湖北 武汉 430212；3.株洲科盟车辆配件有限责任公司，湖南 株洲 412003）

0 引言

随着交通运输供给侧结构性改革的持续深化以及铁路运输增量行动的开展，大宗货物运输回归铁路，铁路货车运用安全压力逐年增大，为进一步提升铁路货车安全运用保障能力，有必要提升既有铁路货车装备性能。《交通强国建设纲要》也明确提出推广新能源、清洁能源、智能化、数字化、轻量化、环保型交通装备及成套技术装备。因此从安全需求、技术发展、政策导向等多层面来看，铁路货车上电已成为发展趋势。

铁路货车供电方式可分为机车集中供电、车辆自供电以及外部充电等，从车辆运用方便性、用电安全持久性等方面考虑，宜采用车辆自供电方式。车辆自供电可采用太阳能、风能、振动、轴驱、柴油机、声能等发电形式。该文提出了一种适应铁路货车使用的轴驱供电系统，旨在提供一种结构轻巧、性能可靠、绿色环保且发电量大的车辆自供电系统，解决铁路货车上电问题。

1 国、内外车辆供电技术现状

1.1 国外车辆供电技术现状

柏林工业大学2002年研制的时速160 km Leila快速货车转向架，装用电子智能故障诊断系统，具有轴承温度、制动机状态、脱轨等监测及车轮防滑功能。其系统能源由小型太阳能蓄电池、轴承发电机或风动发电机供给。

日本Sinfonia Technolog公司2010年研发的Sinfonia货运列车ABS系统由轴端发电机、速度传感器、控制器、节电型防滑阀组成。控制器包括电源控制部分、滑行控制部分和长寿命双层型电容。其轴端发电机质量14 kg，转速164 r/min时输出功率25 W，转速800 r/min时输出功率122 W，使用温度为-30 ℃～120 ℃。

在2012年柏林技术展览会上，德国Kaminski科技公司展出了一种车辆定位和运用信息传输系统，能够实现在任一台装有软件能连接互联网的计算机上实时查询车辆所处的位置和运行速度等信息。该系统当年即已在欧洲装车100余辆。该系统主要包括线圈、电磁铁、蓄电池、速度传感器、GPS位置定位器和信号发生器等设备，安装于Y25轴箱轴承端盖内。系统的供电采用车轴与端盖旋转运动发电，利用蓄电池存储电能。该发电装置在车速80 km/h时的发电能力约30 W。

1.2 国内车辆供电技术

我国206系列客车转向架采用客车感应子发电机，通过皮带轮将车轴的转动传递到发电机，进入带动发电机发电。我国的铁路冷藏车采用柴油发电机组发电。

2 主要结构及功能

2.1 轴驱供电系统

轴驱供电系统主要由轴驱发电装置、整流单元、储能单元以及电能管理和环境监控系统等组成。系统框图如图1所示。

图1 轴驱供电系统框图

2.2 轴驱发电装置

轴驱发电装置主要由轴端发电机、发电机支座、联轴器和防护罩等组成。发电机支座通过4个螺栓与转向架承载鞍端面连接，轴端发电机、防护罩分别通过6个螺栓与发电机支座连接，轴端发电机通过安装在车轴端面上的联轴器与车轴相连，如图2所示。

图2 轴驱发电装置安装示意图

轴端发电机采用盘式轴向磁路永磁无刷结构，主要由端盖、转子、定子、转轴和壳体等组成，具有质量轻、体积小、结构紧凑、功率密度高和效率高等优点，可满足车辆限界要求，对车轴影响小。轴端发电机结构如图3所示。

图3 轴端发电机结构图

发电机支座采用半环弧面开式结构，设内、外两安装面，内安装面与承载鞍连接，外安装面与轴端发电机、防护罩连接。半环弧面开式结构既保证了结构强度，又有利于车辆运行时轴承及轴端发电机充分散热。

为满足不拆卸发电机达到卸轮的要求以及避免发电机卡滞对车轴的不良影响，该装置采用的联轴器为开口槽型间隙连接结构，槽内嵌高强度尼龙衬套，底座设置3个连接孔，通过车轴上既有的螺栓与轴承端盖连接，将与联轴器配合的轴端发电机转轴的轴端部分打扁，并在转轴轴端外圈增设轴套，轴套与转轴轴端通过弹性销连接。发电机转轴扁平的轴端结构可将车轴旋转动作可靠传递给发电机，进而保证平稳发电，而弹性销连接轴套结构可在轴端发电机转轴发生卡滞故障时破坏弹性销，释放车轴旋转。

2.3 整流单元

整流单元采用自适应主动变流器及直流变流器，利用自主学习的算法控制及软开关技术，使轴驱发电装置在车辆不同运行速度（即转速）下输出稳定的直流电压，并能够在变速（特别是在低速）情况下保持较高的能量转换效率，可解决铁路货车运行速度波动对输出电压稳定性的不良影响。

2.4 储能单元

储能单元锂采用锂电池，具有能量密度大、无记忆功能等优点，通过合理的电能管理，使用寿命不低于4年。储能单元可保证车辆在停车或低速状态下通信、照明、制动等功能正常，并具备一定时长的待机功能。

2.5 电能管理和环境监控系统

电能管理和环境监控系统采用智能故障诊断算法，预测故障并报警，根据能量最优原则调节系统温度，并具备提供电量显示、预测工作时间的功能。电能管理和环境监控系统可提高电能使用效率、延长待机时间，使电源适应车辆宽温度范围的使用条件，确保用电安全。

3 主要技术参数

当轴驱发电机自重≤10kg；适应环境温度-50℃～110℃；车速20km/h（车轮直径840mm）时，输出功率≥15W，车速100km/h（车轮直径840mm）时，输出功率≥200W；输出直流电压DC110V、DC48V、DC24V、DC12V；防护等级IP65。

4 试验情况

为了验证轴驱供电系统中的关键零部件——轴端发电机的了可靠性，该文开展了性能、高低温、振动冲击、防水以及盐雾等系列试验。

4.1 性能试验

在常温、无风冷状态下，轴端发电装置三相输出线悬空，控制试验台模拟车速从20km/h上升至140km/h，记录轴端发电机三相输出线电压，每级车速试验时间不超过30s。

试验结果如图4所示，其中车速为20km/h时，轴端发电机最小空载交流电压为36V，对应整流后直流电压为24.2V。

图4 空载特性试验曲线

在常温、无风冷状态下，将轴端发电装置三相输出线接入试验台，调整模拟负载至55Ω，控制试验台模拟车速从20km/h上升至140km/h。试验结果如图5所示，其中车速为20km/h时，轴端发电机输出功率为16.7W，车速为100km/h时，轴端发电机输出功率为383.1W。

图5 额定负载试验曲线

在常温、无风冷状态下，将轴端发电装置三相输出线接入试验台，调整模拟负载至48Ω，控制试验台模拟车速从20km/h上升至140km/h。试验结果表明，调整负载至48Ω时，各速度等级下轴端发电装置均能正常工作。过载试验曲线如图6所示。

图6 过载试验曲线

4.2 振动冲击试验

为了验证轴端发电机结构强度及连接可靠性，该文根据GB/T 21563—2018标准中3类车轴安装的相应试验要求对其进行了振动冲击试验。

测试结果表明，经功能性振动、长寿命振动以及冲击等试验后，轴端发电机结构完好，无裂损情况，仍能正常发电，工作能力正常。

4.3 高、低温试验

为了验证轴端发电机环境温度适应性，在高、低温箱里分别进行了70 ℃环境下保温12 h、110 ℃环境下保温3 h后恢复室温、-50 ℃环境下保温48 h等工况下的性能测试。试验结果如下。1）70 ℃保温12 h、车速40 km/h工况下，轴端发电机输出功率为46.2 W，比常温环境下的功率（48.8 W）下降5.2%。2）110 ℃保温3 h后恢复室温、车速40 km/h工况下，轴端发电装置输出功率为47.5 W，比常温环境下的功率下降0.3%。3）-50 ℃保温48 h、车速40 km/h工况下，轴端发电装置输出功率为49.0 W，在低温环境下发电机仍能正常发电。

4.4 防水及盐雾试验

为了验证轴端发电机的防护能力及耐腐蚀能力，该文对其进行了防水试验及盐雾试验。

防水试验的实验室环境为25 ℃，49%RH；测试设备为防水试验箱；试验方法按照标准IEC 60529-2013《外壳防护等级（IP代码）》的IP65进行；喷嘴内径为6.3 mm；流量速率为12.5 L/min±5%；喷嘴到样品表面的距离为2.5 m～3 m；测试时间为3 min。

盐雾试验的实验室环境为24 ℃，51%RH；测试设备为盐水喷雾试验机；测试方法为GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》；盐雾浓度为4%～6%；测试溶液pH值为6.5～7.2；喷雾量为1.0 ml/80 cm/h～2.0 ml/80 cm/h；试验柜温度为35.0±2.0 ℃；驻留时间为48 h。

经防水及盐雾试验后，电机本体表面无锈蚀，分解后检查，内部无残水迹、无锈蚀，内部状态良好。经测试电机工作正常，性能稳定。

上述试验结果表明，轴端发电机性能稳定可靠，符合GB/T 21563—2018、GB/T 10125—2012等相关试验标准要求，可满足铁路货车装车使用要求，适应中国铁路运用环境条件。

5 技术特点

铁路货车轴驱供电系统主要有以下特点。1）采用盘式结构发电机，具有质量轻、轴向长度小、输出稳定、输出功率密度大等优点。2）采用安全的电池管理算法，可保证电池的安全运行。3）采用主动变流器及软开关技术，可实现不同速度下输出最佳功率并降低系统功耗，提高电能采集效率。4）采用间隙联轴器，可适应铁路货车转向架装用，并可实现不拆卸发电机退卸轮对。5）模块化设计，可适应多种转向架安装需求。

6 结语

铁路货车轴驱供电系统采用盘式轴向磁路永磁无刷结构的轴驱发电机、具有自适应主动变流功能的整流单元以及具有智能故障诊断与温度调节能力的电能管理和环境监控系统，实现了安装便捷性、输出高效性及运用的可靠性设计，为铁路货车上电提供了关键技术支撑，突破了很多安全新技术在铁路货车上应用的瓶颈，奠定了大幅度提升铁路货车安全运行性能的基础，对推动铁路货车重载、快捷技术进步以及促进铁路货车跨入电气化时代具有重要意义。