8辆编组跨座式单轨车故障及救援模式优化设计及验证

吴晶 薛浩飞

摘 要：8编组单轨车辆的运营最大的困难在于列车的救援。现有的8编组单轨车辆的车体强度设计为350kN，经理论计算，两列8编组单轨车在进行纵向救援连挂时车钩及车体承受的强度已超出最大设计值，因此纵向救援连挂成为制约8编组单轨车辆应用的难题。就此问题，本文从降低启动时的冲击强度的角度着手，通过高加速的调整，坡起联动的施加以及主回路的改进等措施，最终将此问题解决。

关键词：8编组；单轨车；故障及救援

1 前言

作为世界上首例8编组跨座式单轨车，重庆三号线增购车项目自项目立项开始就面临诸多难题，其中一个主要焦点问题就是该车在故障及救援模式下的运行能力。本项目经过一系列的设计、试验等方面的工作，降低了发生救援的机率，提高了车辆在故障及救援模式下的运行能力，增强了车辆的可用性。

2 8编组单轨车介绍

2.1 编组型式

跨座式单轨车每两辆车为一个牵引单元，8编组单轨车是在原6辆编组单轨车基础上增加一个牵引单元，扩编之后全车由4个相互独立的牵引单元组成；每个单元包括完整的牵引传动及辅助电源系统。8编组跨座式单轨车车辆编组型式如图1所示。

列车由8辆车组成，每辆均为动车，每列车动力转向架占转向架总数的3/4。

编组方式为：

×Mc1+M2+M4+M5+M7+M6+M3+Mc2×

Mc1和M2，Mc2和M3，M4和M5，M6和M7各为一动力单元；列车分成两个大单元，即笫1大单元（×Mc1+M2+M4+M5+）和笫2大单元（+M7+M6+M3+Mc2×）。

其中：

Mc1/Mc2 带司机室动车（带有1个非动力转向架及1个动力转向架）；

M2/M3/M4/M6 动车（带有2个动力转向架）；

M5/M7 不带司机室的动车（带有1个动力转向架和一个非动力转向架）。

2.2 车辆性能

8编组车辆主要性能如下：

（1）列车牵引性能

AW3负载、在干燥、清洁的平直轨道和额定电压下列车速度从5km/h达到30km/h的平均加速度不低于0.833m/s2。

（2）牵引粘着系数计算值：不大于0.18（非常运行时可达0.32）。

（3）列车制动特性

AW3负载、在干燥、清洁的平直轨道和额定电压下，最大常用制动减速度：≥1.1m/s2；紧急制动减速度：≥1.25m/s2。

（4）车体静态压缩试验载荷 350kN。

2.3 车辆故障及救援要求

（1）在坡度为50‰的上坡道上（坡长不超过500m），一列处于超员（AW3）状态下的并且切除了1/2动力的列车（允许采用高加速控制），可载客运行至就近的车站疏散旅客，退出运营。

（2）在坡度为50‰的坡道上（坡长不超过500m），一列空载（AW0）并且健全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（可采用高加速控制），并运行至就近的车站疏散乘客，退出运营。

3 故障及救援能力验证

3.1 理论验证

通过牵引计算，校核牵引系统自身故障及运行能力。

故障及救援能力计算：

（1）正常工况牵引力设定

在接触网压DC1500V条件下，不同载荷下列车恒转矩区牵引力设定如下：

AW0：236.90kN（9.97kN/电机）；

AW2：313.58kN（13.1kN/电机）；

AW0：342.99kN（14.3kN/电机）。

（2）故障运行能力

按照车辆故障运行能力要求，考核损失1/2动力的情况下，AW3载荷车辆在线路最大坡道的启动能力。

根据前面设定，正常模式、AW3工况下，启动阶段（恒转矩区）全车牵引力为342.99kN，此时车辆启动加速度为-0.11m/s2，列车无法正常起动，即列车按照正常AW3工况牵引力输出不能保证此故障情况下的车辆运行。

为保证列车在此故障下能正常起动，引入高加速控制，此时取每台电机最大起动牵引力为21.67kN，全车牵引力为520kN，计算列车启动加速度为0.1391m/s?，满足车辆坡道启动要求。

（3）救援能力

按照车辆运行能力要求，救援能力考察在坡度为50‰的坡道上，一列空载（AW0）并且健全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。

正常模式、AW0工况下，启动阶段（恒转矩区）全车牵引力为236.9kN，此时车辆启动加速度为-0.194m/s2，列车无法正常起动，即列车按照正常AW0工况牵引力输出不能保证此故障情况下的车辆运行。

在8编组空車AW0救援8编组超载列车AW3的情况下，最终高加速的时间既要满足不溜车也要满足降低冲击强度的要求此时取每台电机最大起动轮缘牵引力为16.7kN，计算列车启动加速度为0.0833m/s?，满足车辆坡道启动要求。

3.2 试验验证

重庆三号线8编组通过一系列的救援试验，对车辆的故障救援运行能力进行了验证，并解决了前期牵引计算中的问题。

3.2.1 坡道停车问题

为防止坡道溜车，跨座式单轨车辆设置坡起按钮。坡道起步时，激活该按钮，制动系统自动为车辆施加制动4级空气制动，该制动力设置为保证本列车可在线路最大坡道停放不遛车。当进入牵引模式时，坡起功能中的延时继电器被激活，到达设定时间后，坡起功能（制动力）自动撤销。

为保证救援功能顺利实现，将坡起功能进行扩展，坡起按钮信号通过救援车与故障车之间的车端链接线缆进行传递，保证两列车的坡起功能同时激活，各自施加保证自身不遛车的制动力。

经过现场试验验证，改造后的车辆坡起功能正常，连挂列车可在正线最大坡道平稳停放，为救援功能的实现打下基础。

3.2.2 启动过程中车辆纵向摆动过大问题

因跨座式单轨车辆采用橡胶轮胎，车辆的弹性缓冲相对较大，在进行救援连挂推进启动的过程中车辆的晃动较大，为解决该问题，利用专用列车纵向动力学计算软件，按照列车纵向动力学理论，将整列车视为若干单自由度（纵向）质点，通过对质点系运动微分方程组的逐步求解计算整个碰撞过程各个车位的加速度、车钩力、速度历程曲线，研究不同工况下车辆的受力情况。车辆动力学模型示意如图2所示：

结合对车辆每个结合面的动力学分析，同时通过试验验证，当救援列车单台电机牵引力设定为16.7kN（高加速模式）、牵引力上升时间设定为4s时，在满足车辆救援需求的情况下，对车辆每个接触面的冲击能够达到最小。同时结合实车试验情况，建议优先采用救援车牵引故障车的救援操作方式。

4 降低救援概率的优化措施

考虑到发生救援后对于整个线路运营的影响，需尽可能提高车辆的故障运行能力，使车辆自身具备”自救”能力，最大程度降低车辆发生纵向连挂救援的概率。

为实现车辆的“自救”性能，提出了车辆高压母线分断及受电弓独立控制方案。即将列车DC1500V高压母线及AC380V母线在前后两个大单元（4辆车）间进行分断，全车形成两个大的供电单元，两个单元的受电弓可独立进行控制。该项改进类似于4辆编组和4辆编组进行连挂重联运行。

按照上述方式改造后，當车辆发生母线接地故障无法复位后，司机可通过操作控制柜内的“受电弓升弓选择开关”，选择升1弓（对应前半列车）或升2弓（对应后半列车），切除故障的一个大单元，然后用剩余大动力单元（全列车1/2动力）牵引运行至就近车站清客，退出运营。此时原设计中可能需要救援的工况，转化为车辆故障运行工况，实现了自救，最大程度的降低了车辆救援发生的概率。

通过试验验证，在三号线最大坡度约50‰的线路上，可通过上述操作方式实现车辆故障运行。

5 结论和建议

通过各种坡道及各种工况下的救援分析，以及现场反复对比试验，在满足连挂车辆坡起功能正常施加的情况下，以上牵引力的设定可满足车辆救援和自救需求。

为实现正常运营中的救援任务同时保证救援中对车辆相关部件的冲击降到最小，建议：

（1）建议以50‰设置高加速模式牵引力的输出，满足车辆救援需求的最小牵引力作为系统高加速模式对应的牵引力，这样既保障了正常救援，同时又降低了对电机、车辆、车钩的冲击。

（2）为进一步降低对车辆和相关受力部件的冲击，高加速中，将牵引力从0增长到最大的时间适当延长，救援工况设定为4s、自救工况设定为2s。

（3）改进各车辆的坡起联动功能，在坡道上进行纵向连挂救援时两列车的制动同时施加和缓解，降低冲击。

（4）考虑到单轨车辆的橡胶充气轮胎以及空气弹簧的缓冲影响，在坡道上为避免连挂后启动时的相对晃动，在坡道上进行8编组的连挂救援时宜采用：牵拉方式，尽量避免推进。

同时对于后续的研发推广的跨座式单轨车辆如何在保留单轨车辆的轻量化水平的基础上提高车辆车体的静强度载荷也是需要进一步研究和解决的问题。

参考文献

[1]贺观.重庆市跨座式单轨交通车辆国产化进程和实践[J].都市快轨交通，2010，23（5）：36-38.

[2]吴新安，吴晶，孙国斌.跨座式单轨车国产化牵引系统的研制[J].铁道车辆，2012， 50（12）：33-35.

作者单位：（1.重庆市轨道交通（集团）有限公司；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司）