城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)自主化改造技術(shù)方案研究

李玉山，李思睿，薛 江，王江峰，安泊晨，祖紹鵬

（1.北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；2.天津一號線軌道交通運(yùn)營有限公司，天津 300350）

1 引言

我國自20 世紀(jì)90 年代以來，為解決日益擁堵的城市交通問題，許多大中城市紛紛開始城市軌道交通建設(shè)。受國內(nèi)技術(shù)水平的制約，其關(guān)鍵裝備如信號系統(tǒng)、供電、車輛牽引系統(tǒng)等均采用進(jìn)口部件，很大程度上依賴于國外技術(shù)。如北京、上海、天津、廣州等國內(nèi)較早開通城市軌道交通的城市，其車輛核心子系統(tǒng)均為進(jìn)口部件，受早期技術(shù)發(fā)展水平的限制，現(xiàn)有車輛難以滿足日益提高的運(yùn)營服務(wù)需求。面對車輛還未到達(dá)設(shè)計(jì)使用壽命，其備品備件卻面臨停產(chǎn)斷供等問題，如何改進(jìn)車輛性能并使車輛更好的服役于全生命周期已成為運(yùn)營方亟待解決的問題。目前已有大量學(xué)者開展針對車輛性能提升及進(jìn)口設(shè)備改造的相關(guān)研究，文獻(xiàn)[3-5]分別對北京地鐵八通線、上海地鐵1 號線、廣州地鐵1 號線等線路老舊車輛提出整改優(yōu)化方案，旨在提升車輛性能。

天津地鐵1 號線車輛采用長春軌道客車股份有限公司國產(chǎn)化車輛，其牽引系統(tǒng)采用日本三菱電機(jī)株式會社的進(jìn)口產(chǎn)品。自2008 年開始運(yùn)營至今已完成架修、大修，并將面臨第二輪架修。1 號線的現(xiàn)狀為車輛運(yùn)營能耗大、控制精度差、牽引系統(tǒng)及配件面臨停產(chǎn)斷供等諸多問題。為此，本文結(jié)合天津地鐵1 號線現(xiàn)有車輛特性及線路特點(diǎn)提出高壓回路拓?fù)浼盃恳╇娬姆桨?、網(wǎng)絡(luò)控車整改方案、輔助供電整改方案等自主化改造方案，并在整車上進(jìn)行整改實(shí)施。整改后的車輛牽引特性與原車保持一致、車輛重量減少8 250 kg，經(jīng)過仿真及計(jì)算可得，整車每年可節(jié)省電能約4 897 200 kW · h。實(shí)施改造方案后，整改車輛性能提高的同時(shí)產(chǎn)品技術(shù)水平也得以提升，車輛更加舒適、綠色、安全、可靠。

2 車輛總體技術(shù)指標(biāo)

2.1 列車編組

天津地鐵1 號線列車為6 輛編組列車，動拖比為3: 3，具體編組方式為：+Tc-M+T-M+M-Tc+，其中M 車為動車，T 車為無司機(jī)室拖車，Tc 車為有司機(jī)室的拖車，“+”為半自動車鉤，“-”為半永久式牽引桿，列車采用三軌受流方式，如圖1 所示。

圖1 列車編組

2.2 車輛尺寸及載重

原車輛為非標(biāo)準(zhǔn)B 型車，其列車總長為11 800 mm，車輛重量、尺寸、載荷要求如表1 所示，改造設(shè)計(jì)應(yīng)考慮車輛減重。

表1 車輛尺寸及載重（每人重量120 kg）

2.3 車輛主要技術(shù)參數(shù)

改造設(shè)計(jì)頂層技術(shù)指標(biāo)遵循1 號線車輛技術(shù)指標(biāo)要求，具體指標(biāo)要求如表2 所示。

表2 車輛主要技術(shù)參數(shù)

改造設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮車輛故障狀態(tài)下的運(yùn)行能力，該狀態(tài)下的能力要求主要為損失自身能力時(shí)的動力性能要求及作為救援車輛的能力，其車輛性能要求如表 3 所示。

表3 故障運(yùn)行能力

3 牽引系統(tǒng)改造技術(shù)方案

3.1 系統(tǒng)配置

車輛牽引系統(tǒng)整改指在不改變重量分布和原有基本結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行改造和布局設(shè)計(jì)，考慮各設(shè)計(jì)約束及成本因素，保留符合要求的輔助電源開關(guān)箱（IVS）、主熔斷器箱（MF）、母線隔離開關(guān)箱（BS）、主隔離開關(guān)箱（MS）、母線熔斷器箱（BF）、高速斷路器箱（HB）、接地開關(guān)箱（GS）、避雷器（Arr）、母線斷路器箱（BHB）等設(shè)備。在此基礎(chǔ)上對原車部分系統(tǒng)部件采取3 種整改措施：替換——整套替換、改造——進(jìn)行部分改造使至滿足整改車輛系統(tǒng)接口、取消——不再使用原設(shè)備。其主要系統(tǒng)配置及整改措施如表4 所示。

表4 系統(tǒng)配置及整改措施

3.2 高壓拓?fù)浼盃恳╇娤到y(tǒng)方案

根據(jù)表4 的配置及整改措施，對車輛高壓回路拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)，車輛母線采用全列貫通方式，母線通過BF箱及BHB 箱進(jìn)行分段過流保護(hù)，從而提升母線故障時(shí)的車輛可用性。DC750V 電經(jīng)車間電源箱（SPS）、IVS箱為輔助變流器供電。SPS 箱的不同檔位可實(shí)現(xiàn)輔助變流器由受流器供電、車間電源供電或接地3 個(gè)狀態(tài)的切換，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）采集3 種狀態(tài)的位置反饋信號，從而進(jìn)行車輛的聯(lián)鎖保護(hù)。高壓回路拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 列車高壓回路拓?fù)?/p>

原牽引供電系統(tǒng)由MF、BS、MS、HB、電抗器箱及牽引逆變器箱組成。其中1 臺牽引逆變器內(nèi)含有2 臺功率單元，每臺功率單元為2 臺電機(jī)供電。整改后整列貫通的DC750V 電經(jīng)MF、BS、MS 及HB 為牽引逆變器供電，電抗器集成在牽引逆變器箱內(nèi)，牽引逆變器內(nèi)的1 臺功率單元為4 臺電機(jī)供電。

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼熬o急牽引

原車輛牽引系統(tǒng)相關(guān)指令傳輸采用硬線傳輸，其TCMS 系統(tǒng)不參與牽引系統(tǒng)及輔助供電系統(tǒng)的控制，牽引系統(tǒng)及制動系統(tǒng)間的傳輸采用列車硬線較多。隨著軌道交通車輛技術(shù)的發(fā)展，目前主流方案為TCMS 系統(tǒng)作為車輛的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)完成與各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸、邏輯控制、故障診斷等工作，為列車安全運(yùn)行提供保障。同時(shí)隨著車輛數(shù)據(jù)量的增加，以太網(wǎng)在提升列車維護(hù)效率、降低維護(hù)成本、列車智能化方面逐漸展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。TCMS 系統(tǒng)從MVB 控車轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)控車成為發(fā)展趨勢。

改造車輛牽引系統(tǒng)采用以太網(wǎng)控車和硬線控車相結(jié)合的控制方式。整車布局冗余以太網(wǎng)總線，牽引逆變器及輔助變流器控制系統(tǒng)具有冗余的以太網(wǎng)控車交互接口，通過以太網(wǎng)控車網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（ECNN）與TCMS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 列車牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為保證TCMS 系統(tǒng)故障時(shí)車輛的可用性，改造時(shí)保留部分列車硬線，以確保在TCMS 故障時(shí)依然可以通過硬線信號實(shí)現(xiàn)牽引功能，同時(shí)使列車進(jìn)入降級的緊急牽引模式并繼續(xù)運(yùn)行，從而避免發(fā)生救援事故，以提高車輛的運(yùn)營效率。當(dāng)車輛通過緊急牽引模式開關(guān)進(jìn)入緊急牽引模式時(shí)，緊急牽引指令列車線轉(zhuǎn)為有效，牽引系統(tǒng)將不再采信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的指令，而采用硬線指令進(jìn)行控車。由于牽引模式為降級模式，為保證安全，向前時(shí)其限速為40 km/h，后退時(shí)為10 km/h，并由牽引系統(tǒng)實(shí)施相應(yīng)限速保護(hù)。

3.4 輔助供電系統(tǒng)方案

原車輔助供電系統(tǒng)配置如表4 所示，整車共設(shè)3 臺輔助變流器，采用擴(kuò)展供電方式進(jìn)行供電，T 車兩側(cè)的M 車分別配置1 臺擴(kuò)展供電箱，當(dāng)某臺輔助變流器發(fā)生故障時(shí)可通過閉合對應(yīng)擴(kuò)展供電接觸器貫通AC380V 母線為故障車輛進(jìn)行供電。相對于擴(kuò)展供電，并網(wǎng)供電方式可通過3 臺輔助變流器為整列車負(fù)載同時(shí)供電，可極大提高列車供電系統(tǒng)的冗余性。因此，整改時(shí)將擴(kuò)展供電箱改造為并網(wǎng)供電箱，并通過TCMS 系統(tǒng)來控制并網(wǎng)供電箱內(nèi)并網(wǎng)開關(guān)的分?jǐn)嗪臀?，?dāng)出現(xiàn)母線短路故障時(shí)可分段供電，提高列車輔助供電系統(tǒng)的可用性，列車輔助供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。原輔助逆變器采用工頻隔離，整改后的輔助逆變器采用高頻隔離，其在重量及效率等方面有明顯優(yōu)勢。

圖4 輔助供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

4 改造方案可行性論證

為驗(yàn)證上述改造方案的可行性，進(jìn)行減重統(tǒng)計(jì)及仿真計(jì)算。方案實(shí)施后首先對組裝完成后的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明減重效果明顯，減重詳細(xì)數(shù)值如表5所示。

表5 牽引系統(tǒng)減重統(tǒng)計(jì)表 kg

根據(jù)表2 載荷數(shù)據(jù)，每人重量按120 kg 計(jì)算，考慮表5 減重?cái)?shù)據(jù)，原車及整改后的車輛各載荷下重量對比如表6 所示，考慮設(shè)備制造時(shí)的重量容差，實(shí)際車輛減重值為8 250 kg。

表6 改造前后各載荷車重對比 t

4.1 牽引性能設(shè)計(jì)

為適配原信號系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)整改后的車輛加速度、減速度特性與原車保持一致，根據(jù)表6 載荷情況及表2 牽引性能要求對車輛牽引特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，其原車和整改車在AW3 載荷下的特性如圖5 所示。

根據(jù)圖5 原車電機(jī)恒功率及自然特性轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致，整改后為減少閘瓦磨耗帶來的粉塵污染及降低能耗，設(shè)計(jì)時(shí)提高高速時(shí)電制動工況下恒轉(zhuǎn)矩速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并降低停車時(shí)混合制動電空切換速度點(diǎn)，從而增加車輛在制動工況下的電制動占比，其數(shù)據(jù)對比如表7 所示。

圖5 AW3 載荷牽引、電制特性曲線

表7 改造前后各載荷車重對比

4.2 牽引能耗仿真分析

由于整車能耗由牽引能耗、再生能量、輔助變流器能耗組成，因此車輛減重、電制動特性提升、輔助變流器效率提高必然會使整改車能耗降低。整車能耗計(jì)算公式如下：

式（1）～式（4）中，Ecar為列車總能耗；Etr為列車牽引能耗；Ebr為列車再生能量；Eau為輔助變流器能耗；i為某兩站區(qū)段；m為線路總區(qū)段數(shù)量；n為牽引變流器數(shù)量；k為輔助變流器數(shù)量；Utr為牽引逆變器牽引工況下輸入電壓，Utr_i為第i區(qū)段牽引逆變器牽引工況下輸入電壓；Itr為牽引逆變器牽引工況下輸入電流，Itr_i為第i區(qū)段牽引逆變器牽引工況下輸入電流；Ubr為牽引逆變器制動工況下輸入電壓，Ubr_i為第i區(qū)段牽引逆變器制動工況下輸入電壓；Ibr為牽引逆變器制動工況下輸入電流，Ibr_i為第i區(qū)段牽引逆變器制動工況下輸入電流；Uau為輔助變流器輸入電壓，Uau_i為第i區(qū)段輔助變流器輸入電壓；Iau為輔助變流器輸入電流，Iau_i為第i區(qū)段輔助變流器輸入電流。

原車輔助變流器效率為90%以上，整改后車輛輔助變流器效率提升至92%，其效率提升數(shù)值僅在額定功率下才有參考意義，又由于輔助變流器容量裕度較大，車輛正常運(yùn)營時(shí)輔助變流器不會工作在額定工況下，且輔助變流器工作狀態(tài)較為靜止，其原車和整改后車輛能耗差異僅為效率差異，故在此不再詳述，在原車和整改車能耗差對比時(shí)忽略此差值，因此牽引能耗差ΔEtr、再生能量差ΔEbr、整車能耗差ΔE如式（5）～式（7）。

式（5）～式（7）中Etr_o為原車牽引能耗；Ebr_o為原車再生能量；式中Etr_n為整改車牽引能耗；Ebr_n為整改車再生能量。根據(jù)式（2）和式（3）及線路數(shù)據(jù)，在AW3 載荷下對天津地鐵1 號線劉園站至雙橋河站全線共31 個(gè)區(qū)段進(jìn)行原車及整改車運(yùn)行仿真，其牽引能耗如圖6 所示，再生能量仿真如圖7 所示。

圖6 牽引能耗對比

圖7 再生能量對比

利用式（5）～式（7），對天津地鐵1 號線31 個(gè)站段原車和整改車能耗進(jìn)行對比。

原車和整改車能耗值及能耗差值如表8 所示。

表8 原車和整改車能耗對比 kW · h

據(jù)統(tǒng)計(jì)天津地鐵1 號線車輛年運(yùn)營里程為100 000 km，運(yùn)營線路長度40 km，在線運(yùn)營列車中24 列采用日本進(jìn)口牽引系統(tǒng)，若該24 列車輛均采用本文所述的自主化方案進(jìn)行改造，則全線每年可節(jié)約能耗為4 897 200 kW · h。

4.3 故障運(yùn)行能力分析

列車故障工況下，考慮啟動阻力，車輛啟動加速度應(yīng)大于0.083 m/s2，啟動單位阻力取經(jīng)驗(yàn)值Wq=4 N/kN，啟動加速度計(jì)算公式如下：

式（8）中，a表示列車加速度，m/s2；F表示列車牽引力，kN；f表示列車阻力，kN；M表示列車重量，t；m0表示列車轉(zhuǎn)動慣量，t。

列車在線路上運(yùn)行時(shí)，牽引工況黏著通常限值0.16～0.18，列車故障或救援等特殊工況時(shí)，黏著最大限值為0.24，黏著系數(shù)計(jì)算公式如下：

式（9）中，μ表示列車黏著系數(shù)；F表示列車牽引力，kN；M0表示列車動車的重量，t。

根據(jù)表3 及式（8）、式（9）計(jì)算可知，當(dāng)列車損失1/3 牽引動力時(shí)，在AW3 載荷下，啟動加速度可達(dá)0.31 m/s2，啟動黏著系數(shù)0.19，列車可以在30‰的坡道上啟動；在AW0 載荷下，啟動加速度0.29 m/s2，啟動黏著系數(shù)0.20，列車可以在35‰的坡道上啟動。如仿真圖8 所示，列車運(yùn)行速度平衡點(diǎn)在60 km/h 左右，可以正常完成一次單程運(yùn)行。

圖8 1/3 動力損失運(yùn)行能力仿真

一列6 輛編組的AW0 載荷列車救援另一列停在30‰坡道上的6 輛編組AW3 載荷故障列車，根據(jù)式（8）、式（9）計(jì)算，啟動加速度0.09 m/s2，啟動黏著系數(shù)0.21，滿足啟動需求。

一列6 輛編組的AW0 載荷列車救援停在35‰坡道上的6 輛編組AW0 載荷故障列車，根據(jù)式（8）、式（9）計(jì)算，啟動加速度0.12 m/s2，啟動黏著系數(shù)0.21，滿足啟動需求。

5 結(jié)論

本文對天津地鐵1 號線車輛提出自主化改造方案，在保證原車輛主體結(jié)構(gòu)及整車牽引特性不變的情況下，提高車輛性能指標(biāo)，提升車輛技術(shù)水平，使車輛在剩余壽命周期內(nèi)更好的服務(wù)運(yùn)營。整改車輛依據(jù)GB/T 14894-2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》完成車輛各項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證自主化改造方案切實(shí)可行，與原車對比優(yōu)勢明顯。

我國早期發(fā)展軌道交通的城市車輛牽引系統(tǒng)較多采用進(jìn)口系統(tǒng)，同樣面臨文中所闡述的同類問題。本項(xiàng)目整改后車輛更加節(jié)能、綠色、舒適、安全、可靠，可為類似自主化改造項(xiàng)目提供參考與借鑒。