重庆轨道交通4号线列车牵引系统方案设计与研究

2022-09-27王小勇李国银谷翠军

工程与试验 2022年3期

王小勇，刘建，李国银，谷翠军

(1.重庆轨道交通产业投资有限公司，重庆 401135；2．重庆中车四方所科技有限公司，重庆 401133)

1 引言

重庆轨道交通4号线是重庆轨道交通线网中的骨干线路之一，线路全长60km，属于As型地铁列车。As型列车是介于A、B型(编注：A型一般车宽为3.0m，B型一般车宽2.8m)地铁之间的新车型，属国内首创，融合了两种车型的优点，并拥有独特的技术优势。新车型车体最大宽度3m，列车还预留了8辆编组功能，通过增加车厢提高运力，以满足城市扩容带来的客流量激增。

As型地铁列车适用于山地环境，具有爬坡能力强、转弯半径小、载客量大等特点。新车型的诞生，将为山地、丘陵地形的城市轨道交通基础建设和运营降低成本，提高列车安全性和运行效率。新车型还通过一致化的设计和信号设备互联互通的升级，在全国首次实现了地铁车辆的跨线路运营。牵引系统作为地铁车辆的关键子系统，其性能决定了列车能否稳定、可靠地运行[1-3]。本文主要对As型地铁列车牵引系统的参数进行计算和分析，同时进行关键子部件的选型。

2 列车基本情况及性能指标

2.1 列车基本情况

重庆轨道交通4号线为6编组列车，牵引系统采用五动一拖的方式，具体如图1所示。

图1 列车编组形式

其中：

(1)Mc车：带有司机室的动车，具有1台动力转向架和1台无动力转向架；

(2)Mp车：带有2台受电弓的动车，具有2台动力转向架；

(3)M车：动车，具有2台动力转向架。

根据性能指标要求，列车供电电压为DC1500V，允许波动范围为DC1000～1800V，最高非持续电压为DC1950V。列车最高运行速度为100km/h，设计速度为110km/h。线路最大坡度为50‰。按照车辆设计的载荷要求，列车在AW0(空载)、AW2(额定荷载)、AW3(超载)下的质量要求分别为217t、308.92t和356.32t。

在6辆编组的情况下，每3辆车(Mc、Mp、M)形成一个动力单元，任一动力单元发生严重故障的情况下，可利用另一个正常的动力单元牵引整列车返回车辆基地，尽可能避免采用救援列车牵引故障列车返回车辆基地的情况。

2.2 列车性能指标

列车最高运行速度为100km/h，列车加速时，在0～40km/h速度运行区间内平均加速度≥1.1m/s2，在0～100km/h速度运行区间内平均加速度≥0.6m/s2；列车平均减速度≥1.0m/s2。

基础制动采用轮盘制动。电制动与空气制动转折点应尽可能低，且小于3km/h。常用制动对所有负载工况(AW0～AW3)均有效，即满足制动减速度和规定冲击率的要求。采用再生制动优先的再生制动与空气制动全列车交叉混合的制动方式。制动时，VVVF优先进行再生制动，最大限度地将能量反馈给其它车辆负载。当这些负载吸收不足时，由变电站的再生制动能量吸收装置吸收多余的能量。在网压为1650V、折算轮径为805mm、AW3载荷状态下，要求进入恒转矩区域的速度不应低于85km/h，并且应持续到3km/h以下，在该区域内，电制动能单独满足常用的制动要求。为确保在该区域列车制动减速度不低于1.0m/s2，基于等磨耗的原则可在列车上补充适当的空气制动力。

列车故障运行能力为当丧失两台动力转向架的动力情况下，在AW3状态下，仍然可在正线的最大坡度(50‰)的上坡道上启动，并维持运行至线路终点，清客后返回车辆基地；当丧失1/2动力的情况下，在AW3状态下，列车可在正线最大坡度(50‰)的上坡道上启动，行驶到最近车站，清客后返回车辆基地；一列空载列车牵引一列超载AW3(无动力)故障列车能在正线最大坡度(50‰)的坡道上启动(允许采用高加速控制)，行驶至最近车站，清客后返回车辆基地。

3 列车牵引及电制动特性设计

3.1 列车牵引特性设计

用于牵引计算的列车轮径取805mm，齿轮传动比为6.3125，效率取0.975。列车动车惯性系数为10%，拖车惯性系数为5%，用于计算列车换算质量。为满足平均加速度的要求，考虑一定裕量，在接触网压DC1500V条件下，不同载荷下列车牵引特性如图2所示，损失1/5动力后牵引特性如图3所示。

图2 轮周牵引力-速度曲线

图3 损失1/5动力轮周牵引力-速度曲线

3.2 列车制动特性设计

用于计算的列车轮径取Φ=805mm，齿轮传动比为6.3125，效率取0.975。列车动车惯性系数为10%，拖车惯性系数为5%，用于计算列车换算质量。为满足常用制动平均减速度的要求，取全电制动区减速度为1.0m/s2，制动额定网压DC1650V时不同载荷所需的轮缘电制动力计算如下：

AW0：Fbk0=262.6kN；

AW2：Fbk2=363.7kN；

AW3：Fbk3=415.8kN。

相关电制动特性曲线如图4所示。

图4 列车轮周电制动力-速度曲线

3.3 列车故障运行及救援能力

(1)列车故障运行

考察列车在AW3载荷工况下，在丧失1/2动力的情况下，能在正线最大坡道50‰上启动时的启动加速度为：

因此，列车可以在最大坡道上正常启动，为此，设定了一个参考最长站间距长为5300m的50‰的坡道进行仿真，结果如图5所示。由图可知，AW3载荷、损失1/2动力的列车在坡道50‰上可以正常启动，最高速度可达56.2km/h。

图5 损失1/2动力坡道仿真

(2)列车救援能力

考察在50‰的坡道上，一列空载(AW0)并且正常的列车能够牵引或推进一列由相同数量车辆编组的处于超员(AW3)状态下的失去动力的列车上坡，此时加速度计算如下：

因此，需增加高加速按钮，此时单电机输出转矩1211.6Nm，加速度可达0.1m/s2，列车可以在最大坡道上正常启动，但黏着系数可达0.209。为保证救援成功，此时列车启动需要采取相应措施，适当增加轮轨黏着。

4 列车牵引系统关键部件参数选型

牵引主电路主要由高压保护回路、预充电/放电回路、输入滤波回路、牵引逆变电路和过压斩波电路等组成，重庆轨道交通4号线牵引系统高压回路图如图6所示，本节主要对牵引系统关键保护器件的参数进行选择。

图6 重庆轨道交通4号线牵引系统高压回路图

4.1 高速断路器参数选型

根据重庆轨道交通4号线列车牵引和电制动性能仿真数据，对高速断路器进行了负荷仿真分析，如图7所示。从图中可以看出，HB的RMS电流为440A，已知流过高速断路器HB1的峰值电流为1032A，高速断路器的保护特性为瞬间保护。考虑高速断路器整定保护偏差系数1.1，逆变器波动系数1.4，高速断路器保护整定值设置为：

HB1：1032×1.1×1.4=1589A

图7 HB负荷仿真分析数据

4.2 主熔断器参数选型

Mp车的每两台熔断器箱保护半列三编组的高压回路，主要用电设备包括5台牵引逆变器、2台辅助逆变器和1台充电机。其中，石船站-唐家沱站全程线路仿真数据如图8所示，计算均方根值为1105A，单台辅助逆变器电流有效值73.4A(按照DC1500V，110%超额运行考虑)；单台充电机电流有效值22A(按照DC1500V，110%超额运行考虑)；一个三编组单元的总电流有效值1105A+2×73.4A+22A=1273.8A，因此将1273.8A作为熔断器通过的RMS电流值。