快捷货车轴端发电装置的研制

李智泽，段仕会，孔维刚，穆凤军，徐世锋，李立东，邵文东

(中车齐齐哈尔车辆有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002)

铁路快捷货车需要车辆及转向架安全监测、车辆状态监测、定位、通信及车辆智能运维等设备和技术的支持，这些设备均涉及用电问题，而国内既有铁路货车并无供电经验，除机车供电方式以外，研制快捷货车转向架轴端发电技术也是解决供电问题的有效途径[1]。

1 国外铁路货车轴端发电技术现状

国外铁路货车针对车辆安全监测等小功率用电需求的发电装置研发工作主要集中在货车转向架轴端发电系统，国内目前尚无铁路货车轴端发电装置使用先例。货车轴端发电技术基本原理是利用车辆行驶产生的动能，将发电机转子与车轴、车轮等转动结构安装固定，定子与轴箱等不转结构安装固定，实现车辆行驶过程中转子、定子的相对回转，切割磁场发电，经电源管理装置稳压、整流后向备用蓄电池充电及负载供电[2]。下文简要介绍国外铁路货车几种典型轴端发电装置。

图1(a)为克诺尔集团研制的货车轴端发电装置，在转向架同侧轴端安装多个发电机，由于不同车轴转速存在微小差异，需要将2台发电机的电能同步后再整流、稳压，或先整流、稳压后再合并。图1(b)为奥地利PJ Messtechnik公司研制运用的轴端发电装置，采用盘式发电机，在端盖内部集成了GSM通信和GPS定位模块、蓄电池，整个发电系统、用电负载都集成在轴端，总体功率较小。图1(c)为德国KBS公司在Y25型转向架轴端安装的一种额定功率为100 W的径向磁路发电装置，目前在瑞典等国的行包列车上已长期运用。

图1 几种国外铁路货车轴端发电装置

舍弗勒公司提出了一种用于Y25型转向架的发电机方案，该方案将原有的轴承端盖替换为体积较小的轴端发电机，发电机的外壳与定子固定后安装在轴箱上，转子与车轴通过轴端螺栓固定随车轮转动，实现发电机转子与定子的相互回转发电，其结构见图2。为适应轴端安装的空间和结构条件，该发电机体积较小，再加上因车轴直接驱动造成发电机转速较低，故总体发电功率较低，其高功率版发电机能够在100～180 km/h的车辆运行速度范围内达到90～269 W的发电能力，供电电压为直流12/24 V，用于车辆定位、轴承和轮对状态监测。

国外铁路货车轴端发电系统主要包括发电机、电源控制器、蓄电池等，大多采用轴向磁通发电机方案(盘式发电机)，具有结构紧凑、发电密度高等特点。径向磁通发电机(与笼式电动机类似)的定子、转子发电部分为圆筒形，根据车轴端部空间可以在径向、轴向加大尺寸以提高发电功率，发电能力通常高于盘式发电机，因而负载功率大时常选用径向磁通发电机，该型发电机不需要额外使用轴承，故发电机可靠性更高，但体积、质量相对来说也更大。

2 国内快捷货车用电需求

快捷货车的车上用电设备主要包括电子防滑器、安全监测系统等。根据快捷货车综合安全监测技术的研究，相关功能需求见表1[3-4]。对各功能模块电气设备按照工作状态、停车状态的实际功率进行分析，并保留一定的余量，最终设定总用电功率为200 W。

表1 快捷货车安全监测系统模块设置及功能

3 快捷货车轴端发电装置系统组成及技术要求

3.1 系统组成

快捷货车轴端发电装置主要包括轴端发电机、电源控制器、蓄电池组、状态显示器及电缆组件。

(1) 轴端发电机安装于轮轴系统端部，随车辆行驶而发电。

(2) 电源控制器是该发电装置的调压、稳压以及逻辑控制系统。

(3) 蓄电池组用于车辆低速运行时，轴端发电机电能不满足用电负载需求时为用电负载供电；同时，在高速运行时，轴端发电机电能超出用电负载需求时进行电能储存。

(4) 状态显示器可显示轴端发电机、电源控制器及蓄电池组状态，方便运用、维护。也可与整车电气系统主机进行集成。

轴端发电装置系统工作原理见图3。电源控制器将轴端发电机电能与蓄电池组电能进行调压、稳压至直流24 V，对负载供电。发电机电能满足用电负载要求时，多余电能经控制器向蓄电池组充电；发电机电能不满足用电负载要求时，蓄电池组电能经控制器向用电负载供电；电源控制器同时实现判断轴端发电机、蓄电池组及控制器状态，监测轴端发电机转速、绕组温度、电池容量、电池充/放电状态、控制器输出电压及电流等工作状态，传输状态信息至状态显示器或电气系统主机。

图3 轴端发电装置系统工作原理

3.2 技术要求

根据快捷货车相关技术要求及运用条件，结合快捷货车电气系统要求和转向架实际结构，确定了轴端发电装置的基本要求、功能要求、可靠性要求以及接口尺寸要求[5-7]。

3.2.1 运用环境要求

使用环境温度为-40～40 ℃；最大相对湿度≤100%；可适应振动、粉尘、腐蚀等恶劣工作环境；适应风、沙、雨、雪等恶劣天气，偶有盐雾、酸雨、沙尘暴及雾霾等现象。

3.2.2 主要技术指标

表2为轴端发电装置主要技术指标。该装置具有故障诊断及报警功能，可监测轴端发电机、电源控制器、蓄电池组工作状态，可循环充放电1 500次，寿命≥5年。

表2 轴端发电装置主要技术指标

3.2.3 可靠性要求

轴端发电装置应符合GB/T 21563—2018《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》与安装部件对应的相关要求。

3.2.4 轴端发电装置接口要求

安装轴端发电装置后不应影响轴承、轴端螺栓、标志板及轴箱等原转向架部件的正常安装及其功能。

4 快捷货车转向架轴端发电装置技术方案及试验

快捷货车转向架采用转臂定位，发电装置轴端安装条件与欧洲铁路货车转向架的轴箱类似。

4.1 轴向磁通轴端发电装置

轴向磁通轴端发电装置见图4，由转子、定子、端盖三部分构成。转子替代原轴承前盖，固定安装于车轴端部，定子替代原轴箱前盖安装在轴箱上，前盖安装在定子外侧。

图4 轴向磁通轴端发电装置

4.2 径向磁通轴端发电装置

径向磁通轴端发电装置见图5，发电机转子替代原轴承前盖安装于车轴端部，转子沿轴向伸出，定子与机壳一体包裹转子替代原轴箱前盖，安装在轴箱端部。

图5 径向磁通轴端发电装置

4.3 轴向磁通集成式轴端发电装置

轴向磁通集成式轴端发电装置见图6，转子、定子集成后安装于轴箱前盖腔内，转子与定子之间设有轴承，转子与定子间有横向间隙，该间隙在运用过程中保持不变，使发电机能够保持稳定的发电性能，避免车轴与转臂轴向横移造成气隙变化影响发电性能。

图6 轴向磁通集成式轴端发电装置

4.4 蓄电池的选用及电池箱设计

蓄电池的选用应满足铁路货车运用工况下高低温等环境适应性、充放电性能、能量密度等特性，并借鉴机车、客车、城轨车用蓄电池经验，结合快捷货车用电需求以及轴端发电装置的充电能力，根据铁路常用设备的供电条件及负载功率级别、待机工况选配蓄电池。本方案选用的蓄电池产品为铁路专用型铅酸蓄电池，满足铁路使用体积小、质量轻的要求。该电池为阀控免维护电池，因此在电池的整个寿命周期内不需要添加电解液。

针对控制器、蓄电池的空间尺寸与安装条件，设计了集成式安装电池箱，将两者安装在同一个电池箱内，并借鉴客车、机车等车辆的实践经验，设计了滑动台电池箱及滑轨式电池箱方案，如图7所示。

图7 滑动台电池箱及滑轨式电池箱方案

4.5 试验验证

4.5.1 可靠性振动试验

按照GB/T 21563—2018标准的相关要求，轴端发电机按照车轴安装的3类冲击振动条件委托第三方检测机构进行了冲击振动试验。试验结果表明，发电机满足GB/T 21563—2018标准的要求。

4.5.2 电磁兼容性试验

按照EN 50121-3-2：2015《铁路应用 电磁兼容性 第3-2部分：铁路车辆 设备》委托第三方检验机构对轴端发电机进行了电磁兼容性试验。试验项目包括辐射发射、传导发射、静电放电抗扰度、辐射电磁场抗扰度、数字移动电话的射频电磁场辐射抗扰度及射频场感应的传导骚扰抗扰度等，检测结果显示各检测项目均满足标准要求。

4.5.3 功能运转试验

2018年11月，在中车齐齐哈尔车辆有限公司试验室完成了2种轴端发电装置滚动台装车运转试验，试验结果如图8所示，各速度级下轴端发电装置工作状态良好，达到了设计发电能力。

图8 轴端发电装置功能运转试验结果

5 结论

针对快捷货车的用电需求，结合快捷货车转向架的结构形式，研制了轴端发电装置。试制、安装及各项试验结果证明，该轴端发电装置满足相关标准的要求，达到了设计目标，初步具备了应用和推广的条件。轴端发电装置作为货车用电的一项支撑技术，其应用和推广对于铁路货车技术升级、促进铁路货物运输发展均具有重要意义。