时速160km鼓形动力集中动车组动力车总体设计

2023-10-27戚百灵杨俊锋

铁道车辆 2023年5期

王松 ,戚百灵 ,杨俊锋

(1.中车大连机车车辆有限公司,辽宁大连 116022;2.大连交通大学,辽宁大连 116028)

时速160 km 动力集中动车组是由中国国家铁路集团有限公司主导研制开发的,用于在普速线路上开通动车组列车,提升客运列车运行品质。为解决走廊过道尺寸小、座椅相对较窄等问题,将动车组外形改为鼓形,车宽由3 105 mm 变更为3 360 mm。作为整列动车组动力源的动力车,也需要同时改为鼓形车体,进行系统优化和提升,为此笔者公司进行了时速160 km 鼓形动力集中动车组动力车(以下简称“动力车”)的研制工作,该车是在FXD3-J型动力车上进行优化升级,运行于普通线路的动力集中动车组动力车。

1 动力车的主要技术特点

1.1 主要变化项点

动力车采用异步牵引电机、卧式主变压器、IGBT 元件组成的水冷变流器、单轴控制、微机网络控制系统、电子控制的制动系统、全悬挂转向架、独立通风冷却等技术,单轴功率≥1 400 kW,最高运营速度160 km/h,适应我国铁路使用环境。图1为时速160 km 动力车外形图。

图1 时速160 km 动力车外形图

相比较既有动力车,鼓形动力车主要变化项点如下:

(1) 车体宽度增加,侧面变为鼓形,司机室流线形做相应调整;

(2) 通信网络由Lon Works/MVB 变为ETH/MVB;

(3)DC 110 V 供电、停放制动、安全环路一体化设计;

(4) 车端间距变化,后端密接式车钩向后移动138 mm,取消后端墙的折棚风挡过渡架,重联插座和列车供电插座相应变化;

(5) 头罩、内装、操纵台、前窗玻璃、侧窗玻璃、侧开窗、遮阳帘、侧入口门、侧入口门锁、扶手杆根据鼓形变化进行相应变化;

(6) 折棚风挡、外风挡、导流罩、司机座椅根据联合设计要求进行变更;

(7) 保温材料、地板根据司机室空气质量控制要求进行变更。

1.2 主要技术参数

1.2.1 技术参数

表1为时速160km 动力车主要技术参数。

表1 主要技术参数

1.2.2 功率发挥基本要求

动力车功率发挥不得低于图2所示的曲线。由图2可知,在22.5 kV到29 kV网压下,轮周功率为5 600 kW;网压从22.5 kV到19 kV,轮周功率从5 600 kW线性减小,网压在19 kV时,轮周功率为4 729 kW;网压从19 kV到17.5 kV,轮周功率从4 729 kW线性下降到0;网压从29 kV到31 kV,轮周功率从5 600 kW线性下降到0。

图2 功率发挥曲线

1.2.3 牵引特性

牵引特性曲线和再生制动特性曲线见图3。

图3 牵引制动特性曲线

由图3可知,本车启动牵引力≥240 kN,持续制牵引力≥212 kN,最大再生制动力(车钩处)≥153 kN,牵引工况下的恒功率速度范围为95～160 km/h,再生制动工况下的恒功率速度范围为132～160 km/h。

2 动力车的总体设计

2.1 设备布置

动力车为单司机室的4轴机车,司机室位于动力车的前端,后部为机械间。机械间内设置700 mm 宽的十字形通道,在通道的两侧以大部件斜对称原则排列着牵引变流柜、复合冷却器、牵引电机风机、电气屏柜和空气压缩机等设备。在车体下部设有两台2轴转向架及牵引变压器,在顶盖上设有受电弓、避雷器和车顶绝缘子。动力车入口门设置在机械间内,左右侧各一个;尾端设端门,用于编组后由此门进入拖车;尾端还设有内外风挡。动力车设备布置如图4所示。

图4 动力车设备布置图

2.2 总体设备布置原则

设备布置的总原则是车上全部设备的重力矩尽量平衡,车上所有设备的总重心尽量靠近动力车的中心线。动力车质量分配计算的坐标系定义如图5所示。

图5 动力车坐标系

以重心的X轴方向距离计算为例:

式中:Xg为车上所有设备的重心与动力车横向中心线的距离,mm;Gi为车上单个设备的质量,kg;Xi为单个设备与动力车横向中心线的距离,mm。

根据经验,一般Xg控制在±6 mm 之内比较理想,重心与纵向中心线的距离Yg的值应控制在±1 mm 之内。总体布置除了要考虑重心的平衡,还考虑了如下因素:

(1) 为实现模块化、通用化,车上各大部件尽可能采用成熟的电力机车平台产品;

(2) 为控制重心,变流柜、复合冷却器、牵引通风机等大部件采用斜对称布置,质量较大的部件尽可能布置在动力车的后端,来平衡流线型司机室的重心;

(3) 为方便吊装设备,变流柜、复合冷却器等大设备要避开活动梁的位置,活动梁的布置要保证3个顶盖的长度相差不大;

(4) 为缩短车长,各设备之间尽量紧凑,本车屏柜之间的间距设定为20 mm;

(5) 为避免发生电磁干扰,强电屏柜与弱电屏柜尽量远离;

(6) 电气屏柜的布置尽可能减少走线的距离,避免走线横跨中间走廊;

(7) 制动系统各部件尽量布置在一个区域,减少空气管路的长度和管接头的使用;

(8) 各类屏柜尽量要求从走廊侧检修或接线管,无法实现该要求的要考虑预留检修空间;

(9) 突出底架面的4 个旁承座对设备布置的影响;

(10) 牵引电机通风机和顶盖进风道的相对关系,牵引电机风道的合理布置;

(11) 复合冷却器、变流柜等需要与底架连通的部件的位置与底架的各梁的布置关系;(12) 出入动力车的两侧入口门尽量靠近司机室;(13) 将一些单独安装的散件进行集成,组成列供配电柜。

根据上述布置原则,形成了动力车的机械间总体设备布置,目的是在保证可靠性的基础上提高检修的便利性、机械间的美观性,同时考虑了成本的控制。

2.3 轴重控制策略

动力车的轴重为19.5 t,相比较直车体,车宽从3 105 mm 增加到3 360 mm,车身变为鼓形,由于底架加宽,增加了车顶导流罩,为保证轴重要求,动力车必须减重。

为了控制所有装车部件的质量,制定《时速160公里鼓形动力集中动车组动力车车上设备组装前称重技术条件》,要求所有部件装车前必须称重,称重不合格不允许装车。

2.4 限界计算

该车车宽从3 105 mm 增加到3 360 mm,必须进行限界校核以保证运行安全。根据GB 146.1—1983《标准轨矩铁路机车车辆限界》规定,在确定机车车辆最大容许制造宽度时,计算车辆在曲线半径为300 m的计算曲线上,其中部和端部的最大偏移量为135 mm 和147 mm。

根据计算结果,时速160 km 鼓形动力集中动车组动力车的最大容许制造宽度为3 400 mm。若鼓形车体的最大车宽为3 360 mm,符合GB 146.1—1983的限界要求。

2.5 车钩曲线通过计算

由于该车车宽增大,后端车钩衔接线缩短138 mm,所以必须对该车通过曲线时的车钩摆角及车端最小间隙进行校核,以保证行车安全。按照趋向安全考虑,车钩通过曲线的状况是缓冲器全压缩时的工况最恶劣,所以计算时缓冲器按全压缩来考虑。根据要求确定如下线路:

(1) 圆曲线:R145 m,缓冲器全压缩;

(2) 圆曲线+切线:R145 m,缓冲器全压缩;

(3)S曲线:R145 m S曲线夹9.5 m 直线,缓冲器全压缩。

对以上3种工况进行模拟计算,表2为车钩曲线通过的计算结果。

表2 车钩曲线通过计算结果

根据计算结果可以看出,车钩在通过曲线的偏转角度满足结构设计要求,车端间距符合安全设计要求。

3 子系统

动力车由电气系统、车体系统、转向架系统、制动系统、通风冷却系统、变压器系统及网络控制系统等组成。

电气系统由高压系统、牵引系统、辅助系统、列车供电系统等组成。高压系统采用车内网侧柜技术;牵引系统采用全去耦、轻量化牵引变压器、轻量化牵引变流器(集成主辅变流器、辅助滤波及列供技术)、大容量牵引电机,完全独立的轴控技术;辅助系统采用两组辅助变流器,互为冗余;列车供电系统采用两组200 kW水冷列供单元,通过列供配电柜可提供2 路200 kW或1路400 kW列车DC 600 V 供电电源。

车体钢结构采用轻量化鼓形车体,整体承载结构,单层铝合金活动顶盖,头罩式司机室,车头设置开闭机构。

转向架采用两轴Bo-Bo 转向架,低位推挽牵引杆,电机对置弹性架悬驱动,铸铝承载式齿轮箱,轮盘制动方式。主要由构架、一系悬挂装置、牵引装置、驱动装置、电机悬挂装置和基础制动装置等部件组成。

制动系统为基于分布式现场总线控制的微处理式电空制动。制动系统按功能分为风源系统、制动控制系统、辅助控制和基础制动四大部分。

通风冷却系统由2个牵引通风机、2个复合冷却器等组成,采用独立通风冷却,机械间正压技术,铝制风机。

牵引变压器由1个原边绕组、4个牵引绕组、2个辅助绕组(如有)、2个列车供电绕组等构成,采用油循环、强迫风冷方式。谐振电抗器、辅助绕组安装在主变压器油箱内。

网络控制系统采用符合IEC 61375-1:1999《铁路电气设备-列车总线第1部分列车通信网络》的列车通信网络。列车级通信网络为WTB,实现互联互通互控;车辆级通信网络为MVB+ETH,互为冗余。微机控制系统的网络化、模块化,使动力车具有控制、诊断、检测、传输、显示和存储功能。