新能源轨道车单电机动力总成匹配设计

段启楠

(中铁四局集团有限公司第八工程分公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

随着技术的进步，环境保护要求的提高，工程机械设备采用新能源动力取代传统内燃机动力趋势明显。新能源轨道车作为地铁施工中各种轨料、混凝土的物料和钢轨焊接运输设备的牵引动力的唯一来源，是地铁轨道施工时必备装备，要求在35‰坡道上具有牵引100 t的能力，最高运行速度45 km/h，最小通过曲线半径100 m。新能源轨道车牵引驱动系统有两种设计方式，一种是单电机牵引驱动系统(图1)，即采用一台永磁同步牵引电机将动力传送至车辆分动箱装置，分动箱将动力分别传送至前、后车轴齿轮箱的轮对上，从而驱动整车走行；另一种是双电机独立牵引驱动系统(图2)，即采用两台永磁同步牵引电机，分别单独驱动前、后车轴齿轮箱的轮对上，从而驱动整车走行[1]。

图1 单电机牵引驱动系统

图2 双电机牵引驱动系统

1 电机功率计算及选型

1.1 电机功率计算

电机功率P=m*g*μj*V/η

根据(GB12814—2002)铁道车辆用车轴型式与基本尺寸规定，B型车轴每根轴重小于15 t，新能源轨道车轴重按14 t设计，则新能源轨道车设计自重28 t。

V是新能源轨道车运行速度，根据轨道车在地铁施工的经验综合分析，轨道车一般牵引运行速度不超过15 km/h，综合平均速度V取值为15 km/h。

轮轨粘着系数的选取，是参照《牵规》中国产内燃机车车轮与钢轨粘着系数进行计算[2]：

μj= 0.248+5.9/(70+20*45)

=0.254 (直线)

机构传动效率η取0.9。

P=118.5 kW

1.2 电机选型

(1)单电机牵引驱动

对比电机特性，选用具有低速大扭矩输出特性的永磁同步牵引电机，电机功率为150 kW，根据行业标准该电机额定转矩为1450 N·m，峰值转矩为2900 N·m，额定转速为980 rpm，最大转速为2600 rpm。

(2)双电机独立牵引驱动

对比电机特性，选用具有低速大扭矩输出特性的永磁同步牵引电机，数量2台，电机功率为150 kW，根据行业标准该电机额定转矩为1450 N·m，峰值转矩为3100 N·m，额定转速为1000 rpm，最大转速为2800 rpm。

2 单、双电机牵引驱动方案比选

2.1 电机工作效率分析

驱动电机作为整车驱动的动力源，电机的工作效率高低，直接影响到新能源轨道车的续航里程。根据轨道车在地铁施工的经验综合分析，轨道车一般牵引运行速度不超过15 km/h，且单程运距短，存在启停、加速、减速和制动等频繁操作，永磁同步牵引电机大部分工作区间转速为0～1500 rpm，此时，电机处于低速大扭矩输出状态，牵引电机长时间处于低功率工作状态，永磁同步牵引电机输出特性曲线示意图如图3所示，从效率曲线(红色)可知，车辆常用工作区域牵引电机大部分时间工作于低效率区间。因此，同等工况下，单电机效率更高，能耗利用率高，经综合分析计算，相较于双电机驱动形式，单电机驱动形式可提高能耗利用率10%以上。相同作业工况下，同等电量电池组，单电机驱动方式作业续航里程可提高约10%。

图3 永磁同步牵引电机输出特性曲线示意图

2.2 电机安装结构高度分析

如图4所示，采用单电机与双电机独立驱动形式相比，采用单电机驱动安装结构的设计，其牵引电机的安装高度明显提高，两种方案电机的高差为370 mm，优化了轨道车车架下侧部件的布置，从而提高轨道车下侧电气部件距离轨面的最低高度，有利于轨道车通过积水、泥浆、扬尘等复杂恶劣工况，提高车辆运行安全防护。

图4 单、双电机安装结构对比图

2.3 电机同步控制分析

车辆前后均为单动力轮对，因轴箱间隙等机械结构特点，采用双电机独立驱动，在轨道不平顺或湿滑状况，易出现一轮对打滑及被动冲击等情况，且两台电机独立驱动，独立的电机控制器控制会导致前、后电机转动同步性存在误差，从而导致机械结构异常磨损，且打滑浪费部分电能，从而减少续航里程；而单电机驱动至分动箱装置，分动箱驱动前后车轴齿轮箱走行，车辆前后无轮对不同步走行问题[3]。

2.4 动力电组的使用寿命及电路设计分析

150 kW永磁同步牵引电机额定电流为250～300 A，启动峰值电流500 A左右，双电机在额定功率状态下主回路放电电流为500～600 A，启动峰值电流1000 A左右，磷酸铁锂动力电池组在1C以内放电，新能源轨道车容量均未超过600 Ah，因此，2台150 kW永磁同步牵引电机若同时大功率放电将降低锂电池组的使用寿命，且500～600 Ah大电流电路对主电路电缆及电气元器件要求更高，安全防护等级要求更高，难以实现。

综上所述，从电机能耗利用率、两驱动轮对同步控制、电气部件安装防护高度、动力电组的使用寿命及电路设计分析来看，单电机驱动方式优于双电机独立驱动方式，仅在锂电池组安装在轨道车车架下部，受制于空间限制，无法布置中间传动系统，采用双电机独立驱动方式。

3 单电机动力总成匹配设计

3.1 车轴齿轮箱及分动箱的选型匹配

(1)根据牵引条件[4]，初步确定低速牵引工况车辆总减速比范围k

k=1.06*(G+P)g*i*D/2 N

新能源车辆自重G取28 t；

被牵引车辆重量P取100 t；

线路坡度系数i取值35；

新能源车辆轮径D取840 mm；

电机额定扭矩N取1450 Nm。

经过计算，在低速牵引工况下，确定车辆总减速比范围取值不小于13.4。

(2)根据运行最高条件，初步确定高速走行工况车辆总减速比范围

k=188*n*D/v

电机最大转速n取2600 rpm。

新能源车辆速度v为取45 km/h。

经过计算，在高速走行工况下，确定车辆总减速比取值范围k不大于9.1。

(3)分动箱的选型

考虑到车辆牵引力与速度对总减速比的要求差异大，需要两档以上分动箱，综合市场分动箱厂家参数和成本价格，最终选择两档分动箱，设置一个高速档(减速比为1)和一个低速档(低档减速比1.58)。分动箱主要技术参数见表1。

表1 分动箱主要技术参数

(4)车轴齿轮箱速比的确定

根据计算总减速比与分动箱速比之间的关系，确定车轴齿轮箱速比范围在8.4～9.1之间，结合配套厂家的参数，最终选择车轴齿轮箱减速比为8.72。因此车辆总减速比为：高速挡为8.72和低速挡为13.7。

3.2 动力系统牵引力及速度校核计算

低速档持续输出牵引力：1450 Nm*13.7/0.42 m=47.3 kN，启动牵引力按1.5倍系数计算得启动牵引力71 kN

高速档最大速度：

2600 rpm/8.72*60*3.14*840=47.2 km/h

因此，计算得车辆低速挡持续牵引力为47.3 kN，启动牵引力为71 kN，车辆高速挡最大走行速度47.2 km/h>45 km/h，满足设计要求。

3.3 单电机牵引驱动系统设计

单电机牵引传动系统主要由永磁同步电机、传动轴、分动箱、车轴齿轮箱等组成，考虑地铁施工部分线路积水，防止轨道车通过时，电机及分动箱浸水，造成设备故障，故将永磁同步牵引电机和分动箱高度设置于车架与车厢之间，电机偏向一端操作台，分动箱布置在车架中部[5]，如图5所示。

图5 单电机牵引传动系统三维模型图

4 新能源轨道车现场试验

试验线路：最大坡道30‰～35‰、带曲线、道岔等综合线路工况8 km左右，现场轨道车在线试验与部分线路施工作业穿插进行；线路钢轨表面干燥，环境温度28 ℃，湿度58%。

4.1 轨道车单机运行试验

新能源轨道车根据现场线路工况进行了单机启动、单机运行、过曲线、过道岔等综合线路运行试验，试验数据如表2所示。

表2 新能源轨道车单机运行试验

4.2 轨道车重载运行试验

新能源轨道车根据现场线路工况进行了重载联挂103t(捣固车自重75t+整形车自重28t)、重载联挂82t(K13漏斗车自重22t+载重60t道砟)试验，车辆多次重载联挂大坡道启动、大坡道运行、联挂过曲线、过道岔等线路运行试验，试验数据如表3所示。表3

新能源轨道车重载运行试验

4.3 轨道车制动试验

针对新能源轨道车单机运行、联挂运行的制动性能进行试验，试验结果如表4所示。

表4 新能源轨道车制动试验

4.4 试验结果

曲线和道岔通过性能试验，新能源轨道车以规定速度通过设计规定的最小半径曲线时，检查各部件正常运动不受限制，连接风管、跨接电缆、传动装置的连接软管，连接线等长度符合要求，传动装置、车轴齿轮箱，牵引电机运行正常，轨道没有因挤压产生永久变形，检查车钩连接性能符合要求；以规定的速度通过道岔时，走行部运行灵活，道岔钢轨没有产生永久变形。曲线和道岔通过性能试验结果符合有关标准。

单机运行风制动试验，单机紧急制动试验，在通过施加制动的标志之前，切除动力，使轨道车运行速度接近预定速度25 km/h，进入试验线路，实施紧急制动，制动后走行距离小于45 m，车轮踏面没有擦伤，经过三次试验，试验结果误差不超规定值，单机紧急制动距离符合设计要求。单机驻车制动试验，30‰～35‰大坡道，满足不溜车。连挂列风制动试验(综合测试)，平道及中小坡道，加速后制动，制动距离满足同类型轨道车制动要求。连挂试验列车大坡道风制动试验(综合测试)，30‰～35‰大坡道连挂车辆满足不溜车。

单机运行试验，在推送时，不同速度下的基本阻力试验和起动阻力试验符合规定要求。牵引工况下换档性能试验，高速档最大速度达45 km/h，低速档最大速度达30 km/h。轨道车由低速到高速和由高速返回低速时各换档点的速度、牵引力、主电压、主电流等符合设计要求。

重载运行牵引特性试验和最大起动牵引力试验，轨道车牵引工况，受粘着力限制，取轮对空转前牵引力最大值，联挂试验列车82 t、103 t两种牵引吨位，高低档正常运行，高档最大速度达25 km/h，低档最大速度达12 km/h，牵引特性试验和最大起动牵引力试验结果均符合设计要求。

通过现场试验，新能源轨道车各试验项目的主要测量参数均符合标准和设计要求。

5 结论

新能源轨道车单电机驱动方式采用一台额定功率150 kW的永磁同步牵引电机，通过高低速档位与分动箱传动布置形式，低速档位持续爬坡牵引力达47 kN，启动牵引力达71 kN，满足车辆35‰坡道下牵引力要求，高速档位下可满足最大运行速度45 km/h，且满足轨道车地铁施工工况下，牵引重量与速度匹配要求。

单电机加分动箱装置驱动形式相比双电机两轮对独立驱动轨道车，单电机方案电机工作区间工作效率更高，整车效率及能耗利用率高；单电机加分动箱驱动形式，轮对不存在同步问题，亦减少了因同步问题产生的冲击载荷，减少轮对磨耗及热消耗。

新能源轨道车完成试制后在现场进行型式试验及运行，车辆运行情况良好，整车性能达到设计要求，能满足地铁各种施工工况下的工程路料运输及救援作业等牵引要求，该轨道车的成功研制，改善作业环境，实现尾气“零排放”同时降低噪音污染，推动了地铁施工装备向无烟、环保、节能方向发展的历史征程，对于实现地铁绿色施工具有重要意义。