城轨车牵引系统设计研究
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摘要：牵引传动系统是城市轨道交通车辆的核心技术、是保证车辆能在一定速度等级下平稳运行的关键部分，牵引系统性能的优劣关系到列车性能是否满足客户及实际线路的要求。文章结合某城市城轨车牵引系统的设计研究，介绍了城轨车辆的牵引传动系统特性设计方法，分析了牵引部件的选型原则。
关键词：城轨车；牵引系统；牵引特性设计方法；部件选型
中图分类号：U224 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）08-0099-03
1 概述
一般来说城轨车辆系统包括六大子系统技术。这六大子系统技术分别是：牵引系统集成技术、制动系统技术、网络控制系统技术、旅客信息系统技术和车辆走行系统技术。这些子系统既相互独立又互相关联，在这些系统技术中，牵引传动系统是城市轨道交通车辆的核心技术、是保证车辆能在一定速度等级下平稳运行的关键部分，也是其他系统技术发挥性能的有力保障。牵引系统性能的优劣关系到列车性能是否满足客户及实际线路的要求。本文结合某城市城轨车牵引系统的设计研究，介绍了城轨车辆的电传动系统特性设计方法，分析了牵引设备的选型原则。
目前，我国的轨道交通供电系统采用的供电制式有两种，直流750V和直流1500V，由于供电制式的不同，其牵引系统的设计也不尽相同，本文重点以直流1500V供电的B2型4动2拖6辆编组的城轨车牵引系统为例进行说明。
2 车辆概述
列车的基本配置为6辆车编组，整列车采用4动2拖的动力编组型式：=Tc*Mp*M*M*Mp*Tc=（其中：Tc：有司机室的拖车，M：无司机室的动车，Mp：无司机室带受电弓的动车）。列车由两个牵引单元组成，每个牵引单元由1辆拖车和2辆动车组成，列车编组示意图见图1-1所示。Tc车、Mp车和M车组成一个动力单元；另一个动力单元与之完全对称。列车编组如图1所示。
图1 列车编组示意图
2.1 车辆基本技术条件
本文研究的列车为四动两拖的车辆编组形式，每辆动车有两个动力转向架，每个动力转向架安装一根动轴，列车在超员AW3情况下总质量为326t、超员AW2情况下的总重量为290t、自重AW0情况下的总重量为202t；列车新轮轮径为840mm、半磨耗轮径为805mm（用于性能计算）、全磨耗轮径为770mm。
2.2 列车的动力性能
列车在超员AW2情况下，在平直干燥轨道上，车轮为半磨耗状态，额定供电电压DC1500V时，最高运行速度为80km/h，设计速度为90km/h，牵引平均加速度为：
列车从0加速到40km/h：≥1.0m/s2；
列车从0加速到80km/h：≥0.6m/s2。
列车在超员AW2情况下，在平直干燥轨道上，车轮为半磨耗状态，额定供电电压DC1500V时，制动平均减速度为：
常用制动：≥1.1m/s2；
快速制动：≥1.2m/s2。
紧急制动平均减速度：≥1.2m/s2。
2.3 列车的阻力性能
列车阻力分为基本阻力和附加阻力，基本阻力为列车在平直道上牵引运行时的阻力，附加阻力为列车在坡道上、曲线上、隧道里及起动时所增加的阻力。
列车运行基本阻力经验公式：
（1）
式中：
M——列车总质量
v——列车速度
坡道阻力：列车运行基本阻力+由列车重力产生的沿坡道斜面分力。
3 电气牵引系统特性设计
牵引/电制动特性是列车电传动系统的基本特性，牵引传动系统的总体设计思路是以列车的总体技术性能指标为依据，计算牵引系统各设备的容量，根据质量性能指标对所计算出的设备容量进行修改。设计流程如图2所示。
图2 牵引系统设计流程图
3.1 牵引特性
根据列车牵引理论，列车的牵引力为：
（2）
其中，，v为列车车速，y为回转质量系数通常取1.05，i0为齿轮传动比，η为传动效率，R为动轮直径。
根据列车的启动加速度的要求，在实际的牵引系统设计过程中，先由经验值确定出齿轮传动比代入式（2）可以求出列车的最小启动牵引力，进而可以去定出列车的轮周牵引功率、电机的总输出功率及电机转矩。
整车轮周功率Pt为：
（3）
牵引电机总输出功率P（含整车全部电机的总功率）为：
（4）
牵引电机总输出转矩Tt为：
（5）
r为驱动轮滚动半径。
图3 列车的牵引制动特性曲线图
列车在超员载重AW2，车轮为半磨耗状态，额定供电电压DC1500V情况下的牵引特性如图3，图中分别给出了在平直干燥轨道上全动力时、丧失四分之一动力时、丧失二分之一动力时、丧失四分之三动力的牵引力曲线及平直干燥轨道上阻力和35‰坡道上阻力曲线。
3.2 制动特性
列车在超员载重AW2，车轮为半磨耗状态，额定供电电压DC1500V情况下的制动特性如图3，图中分别给出了在平直干燥轨道上全制动力时、丧失四分之一制动力时、丧失二分之一制动力时、丧失四分之三制动力时的电制动曲线。
4 牵引传动系统组成及选型原则
4.1 牵引系统构成
城轨列车牵引系统包括的主要电气部件有高速断路器、熔断器、线路接触器、逆变器、牵引电机、制动电阻、齿轮箱及联轴节、接地装置等设备。图4为牵引主电路的原理图。
图4 牵引主电路的原理图
4.2 选型原则
牵引电传动系统需要满足车辆动力性能、故障运行/救援能力及实现预期的旅行速度等，并考虑系统各参数匹配和满足地铁车辆特殊的运行工况（运行站距短、启，制动频繁且启/制动加/减速度大）及电气性能要求（启/制动力距大、启/制动峰值功率大以及导致的直流供电电压变化范围大）。
电传动系统部件的容量，主要根据列车的动力性能要求，考虑列车的冲击极限和参数匹配以及轮轨粘着的允许，并通过对典型区间、目标线路进行牵引和故障运行能力核算等进行。
直流侧开关电器部件选型时额定工作电压和额定发热电流是其两个关键参数。由于城轨列车快起快停的特性，电气部件大部分为周期性间断工作制。不管是直流侧电气部件还是牵引电机都有可能存在短时间过载工作的情况，流过部件的瞬时功率或瞬时电流已不能完全作为电气参数选型原则。实践证明按照列车额定牵引功率1.3-1.8倍的牵引功率选型依据能保证列车安全可靠地运行。
牵引电机选型的关键参数是额定工作电压、额定功率是。
牵引电机额定功率为：
（6）
式中：
Nm——整车电机数量
Pn——单台电机的额定功率。
Pn再扩大1.3-1.8倍即可得到单台电机的额定功率。
牵引逆变器所需输入功率P1为：
（7）
式中，P0为牵引逆变器所需输出功率，即为电机所需输入功率；η1为牵引逆变器的效率。
5 结语
电气牵引系统是城轨车辆上的关键核心系统，本文以某城市城轨列车牵引系统设计为例，介绍了城轨车辆的电传动系统特性设计方法，分析了牵引设备的选型原则，为以后的电气牵引系统提供了参考方法。
参考文献
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作者简介：张萌（1980—），男，辽宁装备制造职业技术学院讲师。