齿轨列车动力分配及高压主电路设计

2022-11-18于超然金文斌

城市轨道交通研究 2022年2期

于超然金文斌刘勇蒋鹏

(中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心， 130062，长春∥第一作者，工程师)

列车在坡道行驶时，需要更大的牵引力和制动力。为了增强列车的爬坡能力，列车需要增加动车数量。受制于列车黏着使用利用率限制，即便是全动车车辆，一般爬坡坡度亦不会超过60‰。齿轨是一种特殊的线路，和普通铁路相比，齿轨轨道安装有特殊的齿条，相应的齿轨车辆配置有一个齿轮和轨道齿条咬合一起，通过车辆牵引电机驱动，为整车提供牵引力和电制动力。齿轨列车最大爬坡坡度可达250‰。增大列车爬坡坡度可减少线路展线长度，降低对山地旅游景区植被及地质破坏的影响，并减少工程造价。齿轨列车目前在国外已广泛应用，技术相对成熟。

齿轨列车提高了车辆爬坡能力，但列车也需在正常线路运行，因此，需根据实际线路需求进行列车动力合理配置，以实现车辆设计的实用性和经济性。

1 国内外齿轨列车应用现状

1.1 国外齿轨列车应用

目前，国外齿轨列车已在30个国家近180条线路上应用[1-2]。较为成熟的齿轨牵引系统有Marsh齿轨系统、Riggenbach系统、Abt系统、Strub齿轨系统及Locher齿轨系统等[3]。目前，已经建成的齿轨线路长度已超过3 000 km，广泛应用于欧洲和美国山地路段；瑞士齿轨列车运行线路和数量占全世界总数的一半以上，技术最为成熟。

1.2 国内齿轨列车应用

目前，国内齿轨列车尚处于研究阶段。2020年6月，四川省发展与改革委员会批复了《四川省山地轨道交通规划》，规划了长度约1 700 km的山地轨道交通线路。这些项目的建设，可以带动齿轨轨道交通产业发展，构建山地轨道交通产业，培育万亿级支柱产业。

1.3 齿轨列车牵引的主要研究内容

相对于国内常用的轨道交通列车，齿轨列车增加了齿轮传动系统。区别于现有列车设计，齿轨列车需要特别设计的内容有：

1) 根据车辆需求配置齿轨动力转向架和黏着动力转向架；

2) 齿轨路段列车牵引力计算；

3) 列车高压主电路设计。

2 齿轨列车牵引性能需求

2.1 黏着路段齿轨列车牵引性能需求

黏着路段齿轨列车牵引性能参数见表1。

表1 黏着路段齿轨列车牵引性能参数表Tab.1 Traction performance requirements of cog rail train on the adhesive line

2.2 齿轨路段齿轨列车牵引性能需求

齿轨路段齿轨列车牵引性能参数见表2。

表2 齿轨路段齿轨列车牵引性能参数表Tab.2 Traction performance requirements of cog rail train on the cog rail line

2.3 齿轨列车的其他参数信息

齿轨列车其他参数见表3。

表3 齿轨列车其他参数表Tab.3 Table of other cog rail train information parameters

3 齿轨列车动力配置计算

3.1 齿轨列车动力分配方案计算

齿轨列车需要在黏着线路和齿轨线路运行。在黏着路段，齿轨列车由黏着电机驱动；在齿轨路段，齿轨列车由黏着电机和齿轨电机同时驱动。

齿轨列车在齿轨段的牵引力主要由齿轨电机贡献。因此，列车动力配置需要首先计算齿轨段列车牵引力需求来确定齿轨电机的数量，从而进一步确定黏着电机的数量。

计算条件如下：

1) 每个齿轮由1个牵引电机驱动。为保证齿轮使用寿命，单个齿轨牵引力应不大于60 kN。

2) 黏着转向架牵引时，计算黏着系数取0.13；制动时，计算黏着系数取0.12。

3) 由于列车为全动车配置，列车转动惯量按10%考虑。

4) 为适应齿轨列车在本线最大坡度为250‰的坡道和30‰的常规坡道上运行，需采用全动车配置。

AW2工况下，列车在250‰坡道上加速度达到0.4 m/s2时，至少需要的牵引力(未考虑摩擦阻力和空气阻力)为519 kN。单个黏着转向架所能提供的牵引力为31 kN。

3.2 齿轨列车动力分配方案1

齿轨列车动力分配方案1(见图1)为3台黏着转向架+5台齿轨转向架。

图1 齿轨列车动力分配方案1Fig.1 Power distribution plan 1 for cog rail train

通过计算得出，该编组列车可提供的最大牵引力为393 kN，小于519 kN。由此可见，该编组列车所能提供的最大牵引力不能满足列车牵引力需求，因此，需增加齿轨齿轮数量。若将其中1个黏着转向架改为齿轨动力转向架，此时列车在黏着线路上运行时动拖比已降至1∶3，降低了列车在黏着线路上的性能。因此，本文不考虑此种动力分配方式，后续应考虑在每个齿轨转向架上安装2个齿轮。

3.3 齿轨列车动力分配方案2

齿轨列车动力分配方案2(见图2)为5台黏着转向架+3台齿轨转向架。

图2 齿轨列车动力分配方案2Fig.2 Power distribution plan 2 for cog rail train

通过计算得出，该编组列车可提供的最大牵引力为515 kN，小于519 kN。由此可见，该编组列车所能提供的最大牵引力不能满足列车牵引力需求，需继续增加齿轨齿轮数量。

3.4 齿轨列车动力分配方案3

齿轨列车动力分配方案3(见图3)为4台黏着转向架+4台齿轨转向架。

通过计算得出，该编组列车可提供的列车最大牵引力为604 kN，大于519 kN。由此可见，该编组列车能提供的牵引力可满足列车的牵引力需求，并有一定的余量。因此，齿轨动力配置为4台黏着转向架和4台齿轨转向架，每台齿轨转向架含有2个驱动齿轮。

图3 齿轨列车动力分配方案3Fig.3 Power distribution plan 3 for cog rail train

4 齿轨列车牵引系统高压主电路设计

齿轨列车的基本配置为4个黏着动力转向架和4个齿轨动力转向架。齿轨列车的高压主电路原理如图4所示。

齿轨列车的高压主回路电气设备主要包括避雷器箱、高压电气箱A、高压电气箱B、VVVF(变压-变频)逆变器箱、辅助电源箱、制动电阻箱、牵引电机及接地装置。其中，高压电气箱A箱、高压电气箱B箱为高压系统提供电气隔离和短路保护；母线高断箱主要实现2节车厢之间的高压母线分断及短路保护，VVVF逆变器驱动牵引电机为整车提供牵引力和电制动力；辅助逆变器为整车中压和低压系统提供电能；制动电阻和斩波回路为整车提供过压保护功能。齿轨列车高压主回路电气设备配置如表4所示。

5 齿轨车辆牵引电机计算

5.1 黏着路段齿轨车辆牵引力计算

计算中，动车惯性系数取0.1，用于计算列车换算质量。接触网压在DC 1 500 V的条件下，取列车的起动加速度为0.5 m/s2，取列车起动阻力为9.6 kN，则列车的起动牵引力为107.4 kN。

表4 齿轨列车高压主回路电气设备配置Tab.4 The cog rail train configuration

AW2时黏着路段齿轨车辆牵引力-速度曲线如图5所示。

注：列车运行速度为0～40 km/h的区域为恒转矩区；列车运行速度为40～120 km/h的区域为恒功区。图5 黏着路段齿轨车辆牵引力-速度曲线Fig.5 Traction-speed curve of cog rail train on the adhesive rail section

AW2时黏着路段齿轨车辆电制动力-速度曲线如图6所示。

注：列车运行速度为0～5 km/h的区域为电空转换区；列车运行速度为5～60 km/h的区域为恒转矩区；列车运行速度为60～120 km/h的区域为恒功区。图6 黏着路段齿轨车辆电制动力-速度曲线Fig.6 Electric braking force-speed curve of cog rail train on the cog rail section