城市轨道交通车辆减重节能技术

曹成鹏 闫俊材 王兴佳

(1.北京城市轨道交通咨询有限公司,100068,北京; 2.金华市轨道交通集团有限公司,321015,金华;3.河北雄安轨道快线有限责任公司,071799,保定)

目前,随着城市轨道交通(以下简称“城轨”)车辆逐渐向智能化、高可靠性、高舒适性等方向发展,新增的全自动驾驶技术、高冗余性技术、振动检测技术等均在不同程度上增加了车载设备的数量,导致城轨车辆的质量越来越大,甚至出现了部分项目的车辆质量超过合同要求的现象。

车辆的质量越大,其能耗也越大。由于城轨车辆的总体运量较大,导致其总体耗电量也维持在一个较高的水平[1]。减少城轨车辆运行的能耗及用电总量,已经成为降低城轨运营成本的一个有效途径。据统计,城轨车辆84%的能耗集中在车辆系统和通风空调系统,其分别占总能耗的53%和31%。随着城轨车辆的快速发展,投入运营的城轨车辆越来越多,对车辆能耗的要求也随之越来越高,节能降耗已成为城轨研究的重要内容[2]。

针对城轨车辆的减重节能问题,本文介绍了采用全铝车体结构、永磁牵引系统、高频辅助逆变器、高频软开关充电机、轻量化转向架、模块化制动系统和新材料客室设备等减重措施,以及永磁牵引电动机、高频辅助逆变器、变频空调和照明系统等的节能措施,并对根据称重试验、能耗试验所评估的减重节能效果进行了总结提炼。本文研究可为城轨车辆的设计与技术管理提供工程经验与技术指导。

1 城轨车辆减重技术

1.1 车体减重措施

在车体方面,一般通过使用全铝的牵引梁、枕梁、缓冲梁结构替换常规的钢铝混合结构来达到车体减重的目的。采用全铝型材焊接结构的车体底架示意图如图1所示。车体的主要减重措施有:①在保证车体强度的前提下,优化并减薄牵引梁下盖板的厚度;②加大牵引梁下盖板斜度,并减小车钩座处的尺寸;③在车体模态满足要求的情况下,使用最薄的车体铝型材;④车顶可采用等断面设计,空调机组采用跨骑式车顶安装方式,取消专门的空调机组平台;⑤优化车体型材断面,除受力较大的门角所对应的型腔采用厚壁外,其余可采用薄壁设计。当采取上述减重措施后,减重设计后的车体至少可减重14%。

图1 采用全铝型材焊接结构的车体底架示意图

1.2 牵引系统及辅助电源系统减重措施

在牵引系统方面,主要可以通过采用永磁同步电动机的方法进行减重。相较于异步电动机,永磁同步电动机的功率密度较大,在省去异步电动机转子励磁线包的同时,还减少了其定子的硅钢用量。常规额定功率为190 kW异步电动机的质量为620 kg,而额定功率为190 kW的永磁同步电动机的质量仅为530 kg,相当于可以减重17%[3]。

辅助电源系统可采用新型高频DC(直流)/DC变压器达到减重的目的。采用高频变压器替代传统工频变压器可减重约200 kg。此外,高频变压器的软开关结构能够降低电力电子器件的功耗,使其散热片质量和风道结构质量也相应有所减小。

充电机采用高频软开关设计,摒弃了传统的低感母排、支撑电容的分立设计思路,采用先进的厚铜PCB(印制电路板)设计,将焊接式支撑电容、滤波电容、传感器等器件集成在一块PCB板上,大大减小了其结构尺寸。和传统方案相比,减重设计后的结构尺寸减小了约30%,其质量降低了约20 kg。

在电气结构方面,主要可以通过减小箱体结构尺寸来达到减重的目的。具体减重措施有:①箱体主体结构使用铝合金;②在保证设备安装基础强度的前提下,在主梁及电抗器安装梁上开减重孔;③加强筋厚度方向设计为梯度结构。

牵引箱等牵引系统箱体尺寸为50 mm×50 mm,厚度为5 mm,材质选用6063T6铝合金型材。箱体通过全部铆接的形式组合为框架,铆钉为不锈钢材质。采用两根吊耳梁(尺寸为120 mm(长)×60 mm(宽),厚度为10 mm)的型材作为主梁,通过螺栓螺母连接到箱体上,以避免箱体内部采用规格较大的型材,进而达到箱体减重的目的。在完全满足牵引箱箱体强度要求的前提下,箱体的所有蒙皮采用厚为3 mm的铝合金板材,通过不锈钢铆钉铆接到框架上。与传统方案相比,减重设计后的箱体可减重约30%。箱体模型示意图如图2所示。

图2 箱体模型示意图

1.3 转向架及制动系统减重措施

在保证转向架构架强度的基础上,对转向架的构架进行轻量化设计,主要通过优化电动机吊座等结构,以及减少构架质量来达到减重的目的。转向架牵引梁、齿轮箱体、牵引拉杆杆体、轴箱前盖等结构采用铝合金材质,相比于原材质(铸钢或铸铁),其可减重超过50%。转向架可通过采用空心车轴设计达到减重的设计目标。相对于球磨铸铁材质轴箱盖,采用铸造铝合金材质的轴箱前盖可减重约50%。与常规转向架相比,减重设计后的动车转向架可减重约500 kg,拖车转向架可减重约300 kg。

制动系统可采用模块化设计达到减重的目的。将缸体单元和控制单元模块化,以减少固定吊架。制动模块吊架材质可采用铝合金来替代传统的钢板材质。目前,城轨车辆制动盘的常规盘体材质主要有铸铁和钢。随着材料技术的发展,盘体材质可采用质量小、导热性能好的铝合金。与传统铸铁材质制动盘相比,铝合金制动盘减重效果明显,外径为640 mm的铸铁制动盘质量为92 kg,同样尺寸的铝合金制动盘质量仅为38 kg。减重设计后的制动盘可减重约58%。

1.4 空调及车门系统减重措施

空调机组的壳体材料可由原来的不锈钢材料改为碳纤维增强复合材料,风道材料可由铝板+隔热材料改为厚度为10 mm的复合材料。车内座椅下的电热器采用碳纤维电热板,代替原来的不锈钢电热器。减重设计后,每辆车能够减重约130 kg。

客室车门采用内藏密闭门系统,以达到与城轨车辆密封性最好的塞拉门系统同等的密封性能。单个客室车门与传统客室车门相比,减重设计后的车门质量减小约40 kg,以地铁B型车为例,每辆车可减重约320 kg。

1.5 车钩及贯通道减重措施

在橡胶缓冲器、胶泥缓冲器、气液+环簧缓冲器、胶泥+环簧缓冲器这几种可用车钩缓冲器中,对比其性能和质量因素,优选胶泥+环簧缓冲器。在满足性能要求的同时,胶泥+环簧缓冲器的价格适中,质量最小。相比于常规方案的胶泥缓冲器,采用胶泥+环簧缓冲器可使车钩减重约25 kg。取消中间车钩的垂向橡胶支撑,可使其减重约40 kg。

贯通道的渡板和踏板,可选用7系铝合金材质替代常规方案的不锈钢材质。在踏板表面进行硬化处理,增加其耐磨性,可使贯通道的渡板和踏板减重约30 kg。相比于常规方案,减重设计后的贯通道可减重约9.5%。采用铝合金渡板和踏板的贯通道模型示意图如图3所示。

图3 采用铝合金渡板和踏板的贯通道模型示意图

1.6 车辆内装及客室设备减重措施

在车辆内装及客室设备方面,可通过优化侧顶和侧墙的安装结构、座椅端部扶手结构及尺寸、采用非凸出侧墙的立罩板结构等措施达到减重的目的。车辆内装可采用的新型材料与传统材料如表1所示。若车辆内装全部使用新型材料,每辆车内装质量预计可由3.2 t减重为2.2 t。例如:采用新型材料的六人座椅总重为42 kg,较常规项目玻璃钢材质的六人座椅减重约50%,即能够实现减重252 kg/车。

表1 车辆内装可采用的新型材料与传统材料

2 城轨车辆节能技术

2.1 牵引系统及辅助电源系统节能措施

永磁同步电动机具有高功率因数和高效率特性。与异步电动机相比,永磁电动机无需无功励磁电流[4],故其功率因数和效率均高于异步电动机。永磁电动机的相关参数数据如表2所示。永磁电动机的额定工作效率超过95%,功率因数超过0.88。而传统异步电动机的额定工作效率为93%,功率因数为0.86。相比于同规格的异步电动机,永磁电动机的额定工作效率提高了2%～4%。

表2 永磁电动机相关参数数据

辅助电源系统可采用高频DC/DC拓扑结构替换原来的高耗能工频变压器。在满载工况下,采用高频DC/DC拓扑结构的辅助电源系统输入电流为105 A,线网电压为724 V,输出有功功率为70.1 kW。经计算可知,其逆变器输出效率为92.21%[3],相比于辅助电源系统的输出效率提高了约2%。此外,还可通过降低开关器件的电压等级、采用全软开关技术等措施降低器件开关的损耗,提高系统效率,进而达到节能的目的。

2.2 空调系统节能措施

1) 减少空调开关损耗。定速空调机组通过不断开停压缩机来维持客室温度,变频空调机组通过低频低功率运行来维持客室温度[2]。变频空调机组不仅减少了压缩机的开停次数,还降低了开关损耗,有利于达到节能的目的。定速空调机组的启动电流是常态载荷电流的5～10倍(突发跳跃),变频空调机组能够实现真正的软启动(零电流线性启动),同时变频空调机组较低的起动电流对电源电流的冲击较小,可以提高电源可靠性。

2) 提高低频空调能效比。①当达到空调设定温度后,空调压缩机会在低频率持续运行,减少制冷剂流量,增加相对换热面积,以提高系统效率,达到节能的目的。本文在考虑压缩机可靠性的基础上,根据压缩机规格书中规定的频率适用范围,设定压缩机最低频率点为30 Hz。②在提高低频压缩机的容积效率方面,降低压缩机低频下的压缩比、减小制冷剂压缩过程中的制冷剂泄漏量、提高压缩机容积效率、增加制冷量等措施,均能增加压缩机的能效比,有利于达到节能的目的。③在提高空调季节能效比方面,采用热力学自动优化控制、在任何工况下均保证空调始终以最高效率运行等措施均能提高空调季节能效比,有利于达到节能的目的。④根据其他项目的节能统计数据,采用变频节能技术能够节能约15%～20%。

3) 冬季采用热泵制热方式。在冬季,普通车辆空调机组通常采用电加热器通电发热的方式为车辆提供热量,但这种加热方式能耗比较大,加热量与能耗基本一致。因此,可采用热泵加热技术,以变频压缩机作为空气源热泵的核心,其能够实现-15 ℃环境温度下的有效制热。相比于电加热器制热方式,热泵制热方式在低温环境下仍能具备良好的加热效果,能够达到节能的目的。结合以往项目的实际情况,变频热泵机组在0 ℃环境温度下,空调机组能效比可达2;-10 ℃环境温度下,空调机组能效比为1,与电加热器相当。相比于电加热器制热方式,采用热泵制热方式能够节能约40%。

4) 根据乘客负载情况调节客室目标温度。常规车辆的车内温度根据UIC 553—2004《客车车厢的通风、供暖和空调》标准的温度曲线进行调节,空调系统可根据车辆提供的载客量信息,自动调整客室目标温度,达到节能的目的。由于车厢定员约为250人,可以85人或170人作为划分依据,并根据人体质量进行设计计算和控制。当载客量一定时,室外温度越高,制冷目标温度也越高[5]。在控制逻辑上,当车厢人数超过170人、室外温度超过35 ℃时,目标温度设定为26 ℃且不再继续升高,即当空调机组达到全冷状态时,不会出现由于室外温度继续上升而导致的车内温度相应上升的情况。预计通过调节客室目标温度的方法可以实现约8%的节能效果。

5) 使用DC 1 500 V或DC 750 V逆变电源。常规地铁车辆一般采用DC 1 500 V或DC 750 V电源供电,车辆辅助逆变系统将高压直流电源逆变为三相AC 380 V电源,为地铁车辆空调系统供电,车辆辅助逆变器的效率一般超过90%。空调机组可采用DC 1 500 V或DC 750 V电源直接供电,内部配置的逆变电源模块可直接将DC 1 500 V或DC 750 V的电源转化为三相可变交流电源,为空调压缩机和风机供电。空调内部的小型逆变电源效率超过95%,具有更优的转换效率,同时更能节省能源。

综上所述,根据变频空调的使用经验,相比于常规空调系统,采用综合节能技术的空调系统,其制冷节能率预估约为25%～30%,制热节能率预估约为40%。

2.3 照明系统节能措施

1) 照度自动调节。每辆车可配备2个光感传感器,以实现照明自动无级调光功能。根据车内空间与外界自然光的实际情况,对灯具的亮度进行动态调节,以实现车厢照度平衡(车厢照度可预设),进而达到节能的目的。

2) 多种节能工作模式。根据车厢外界自然光对车内照度补偿的变化,动态调整照明灯具的发光强度,以达到车厢照明平衡,进而达到节能的目的。例如:在地铁人流低谷时段,当车厢没人时,可以降低车厢照明等级(如降低至额定照明等级的50%左右)。

3) 采用OLED(有机发光二极管)作为照明光源。OLED光源是典型的面光源,而LED(发光二极管)光源是点光源。所以LED光源需要外加灯罩、散热装置或光线散射装置等,灯具设计较为复杂。OLED光源的平面光源特性除了能够与各种型态的灯具设计匹配之外,其散热特性也较好,无需额外加装散热元件,从而降低了灯具制造成本[6]。此外,相对于LED光源,OLED光源的驱动电压更低,当电压为5.0～7.5 V、电流为30～350 mA时,即可正常工作。由于OLED光源是冷光源,其可以把几乎所有电能都转化成光能,具有功率小、效率高的优点,更能满足节能的目标。

3 结语

目前,我国城轨车辆在减重、节能领域方面的研究还处在发展阶段,对新材料的研究和应用技术还有待提高。本文介绍了城轨车辆在车体、牵引系统、辅助供电系统、空调系统、车门系统、转向架系统、车钩系统、贯通道及内装等方面的设备减重及节能措施。若应用这些减重、节能措施,基本能够达到车辆整体减重10%以上、节能10%以上的目标,更好地满足日益增长的城轨车辆运营需求。