城市軌道交通車輛減重節(jié)能技術(shù)

曹成鵬 閆俊材 王興佳

(1.北京城市軌道交通咨詢有限公司,100068,北京; 2.金華市軌道交通集團(tuán)有限公司,321015,金華;3.河北雄安軌道快線有限責(zé)任公司,071799,保定)

目前,隨著城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“城軌”)車輛逐漸向智能化、高可靠性、高舒適性等方向發(fā)展,新增的全自動(dòng)駕駛技術(shù)、高冗余性技術(shù)、振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等均在不同程度上增加了車載設(shè)備的數(shù)量,導(dǎo)致城軌車輛的質(zhì)量越來越大,甚至出現(xiàn)了部分項(xiàng)目的車輛質(zhì)量超過合同要求的現(xiàn)象。

車輛的質(zhì)量越大,其能耗也越大。由于城軌車輛的總體運(yùn)量較大,導(dǎo)致其總體耗電量也維持在一個(gè)較高的水平[1]。減少城軌車輛運(yùn)行的能耗及用電總量,已經(jīng)成為降低城軌運(yùn)營(yíng)成本的一個(gè)有效途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì),城軌車輛84%的能耗集中在車輛系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),其分別占總能耗的53%和31%。隨著城軌車輛的快速發(fā)展,投入運(yùn)營(yíng)的城軌車輛越來越多,對(duì)車輛能耗的要求也隨之越來越高,節(jié)能降耗已成為城軌研究的重要內(nèi)容[2]。

針對(duì)城軌車輛的減重節(jié)能問題,本文介紹了采用全鋁車體結(jié)構(gòu)、永磁牽引系統(tǒng)、高頻輔助逆變器、高頻軟開關(guān)充電機(jī)、輕量化轉(zhuǎn)向架、模塊化制動(dòng)系統(tǒng)和新材料客室設(shè)備等減重措施,以及永磁牽引電動(dòng)機(jī)、高頻輔助逆變器、變頻空調(diào)和照明系統(tǒng)等的節(jié)能措施,并對(duì)根據(jù)稱重試驗(yàn)、能耗試驗(yàn)所評(píng)估的減重節(jié)能效果進(jìn)行了總結(jié)提煉。本文研究可為城軌車輛的設(shè)計(jì)與技術(shù)管理提供工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 城軌車輛減重技術(shù)

1.1 車體減重措施

在車體方面,一般通過使用全鋁的牽引梁、枕梁、緩沖梁結(jié)構(gòu)替換常規(guī)的鋼鋁混合結(jié)構(gòu)來達(dá)到車體減重的目的。采用全鋁型材焊接結(jié)構(gòu)的車體底架示意圖如圖1所示。車體的主要減重措施有:①在保證車體強(qiáng)度的前提下,優(yōu)化并減薄牽引梁下蓋板的厚度;②加大牽引梁下蓋板斜度,并減小車鉤座處的尺寸;③在車體模態(tài)滿足要求的情況下,使用最薄的車體鋁型材;④車頂可采用等斷面設(shè)計(jì),空調(diào)機(jī)組采用跨騎式車頂安裝方式,取消專門的空調(diào)機(jī)組平臺(tái);⑤優(yōu)化車體型材斷面,除受力較大的門角所對(duì)應(yīng)的型腔采用厚壁外,其余可采用薄壁設(shè)計(jì)。當(dāng)采取上述減重措施后,減重設(shè)計(jì)后的車體至少可減重14%。

圖1 采用全鋁型材焊接結(jié)構(gòu)的車體底架示意圖

1.2 牽引系統(tǒng)及輔助電源系統(tǒng)減重措施

在牽引系統(tǒng)方面,主要可以通過采用永磁同步電動(dòng)機(jī)的方法進(jìn)行減重。相較于異步電動(dòng)機(jī),永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率密度較大,在省去異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線包的同時(shí),還減少了其定子的硅鋼用量。常規(guī)額定功率為190 kW異步電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量為620 kg,而額定功率為190 kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量?jī)H為530 kg,相當(dāng)于可以減重17%[3]。

輔助電源系統(tǒng)可采用新型高頻DC(直流)/DC變壓器達(dá)到減重的目的。采用高頻變壓器替代傳統(tǒng)工頻變壓器可減重約200 kg。此外,高頻變壓器的軟開關(guān)結(jié)構(gòu)能夠降低電力電子器件的功耗,使其散熱片質(zhì)量和風(fēng)道結(jié)構(gòu)質(zhì)量也相應(yīng)有所減小。

充電機(jī)采用高頻軟開關(guān)設(shè)計(jì),摒棄了傳統(tǒng)的低感母排、支撐電容的分立設(shè)計(jì)思路,采用先進(jìn)的厚銅PCB(印制電路板)設(shè)計(jì),將焊接式支撐電容、濾波電容、傳感器等器件集成在一塊PCB板上,大大減小了其結(jié)構(gòu)尺寸。和傳統(tǒng)方案相比,減重設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)尺寸減小了約30%,其質(zhì)量降低了約20 kg。

在電氣結(jié)構(gòu)方面,主要可以通過減小箱體結(jié)構(gòu)尺寸來達(dá)到減重的目的。具體減重措施有:①箱體主體結(jié)構(gòu)使用鋁合金;②在保證設(shè)備安裝基礎(chǔ)強(qiáng)度的前提下,在主梁及電抗器安裝梁上開減重孔;③加強(qiáng)筋厚度方向設(shè)計(jì)為梯度結(jié)構(gòu)。

牽引箱等牽引系統(tǒng)箱體尺寸為50 mm×50 mm,厚度為5 mm,材質(zhì)選用6063T6鋁合金型材。箱體通過全部鉚接的形式組合為框架,鉚釘為不銹鋼材質(zhì)。采用兩根吊耳梁(尺寸為120 mm(長(zhǎng))×60 mm(寬),厚度為10 mm)的型材作為主梁,通過螺栓螺母連接到箱體上,以避免箱體內(nèi)部采用規(guī)格較大的型材,進(jìn)而達(dá)到箱體減重的目的。在完全滿足牽引箱箱體強(qiáng)度要求的前提下,箱體的所有蒙皮采用厚為3 mm的鋁合金板材,通過不銹鋼鉚釘鉚接到框架上。與傳統(tǒng)方案相比,減重設(shè)計(jì)后的箱體可減重約30%。箱體模型示意圖如圖2所示。

圖2 箱體模型示意圖

1.3 轉(zhuǎn)向架及制動(dòng)系統(tǒng)減重措施

在保證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,對(duì)轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),主要通過優(yōu)化電動(dòng)機(jī)吊座等結(jié)構(gòu),以及減少構(gòu)架質(zhì)量來達(dá)到減重的目的。轉(zhuǎn)向架牽引梁、齒輪箱體、牽引拉桿桿體、軸箱前蓋等結(jié)構(gòu)采用鋁合金材質(zhì),相比于原材質(zhì)(鑄鋼或鑄鐵),其可減重超過50%。轉(zhuǎn)向架可通過采用空心車軸設(shè)計(jì)達(dá)到減重的設(shè)計(jì)目標(biāo)。相對(duì)于球磨鑄鐵材質(zhì)軸箱蓋,采用鑄造鋁合金材質(zhì)的軸箱前蓋可減重約50%。與常規(guī)轉(zhuǎn)向架相比,減重設(shè)計(jì)后的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架可減重約500 kg,拖車轉(zhuǎn)向架可減重約300 kg。

制動(dòng)系統(tǒng)可采用模塊化設(shè)計(jì)達(dá)到減重的目的。將缸體單元和控制單元模塊化,以減少固定吊架。制動(dòng)模塊吊架材質(zhì)可采用鋁合金來替代傳統(tǒng)的鋼板材質(zhì)。目前,城軌車輛制動(dòng)盤的常規(guī)盤體材質(zhì)主要有鑄鐵和鋼。隨著材料技術(shù)的發(fā)展,盤體材質(zhì)可采用質(zhì)量小、導(dǎo)熱性能好的鋁合金。與傳統(tǒng)鑄鐵材質(zhì)制動(dòng)盤相比,鋁合金制動(dòng)盤減重效果明顯,外徑為640 mm的鑄鐵制動(dòng)盤質(zhì)量為92 kg,同樣尺寸的鋁合金制動(dòng)盤質(zhì)量?jī)H為38 kg。減重設(shè)計(jì)后的制動(dòng)盤可減重約58%。

1.4 空調(diào)及車門系統(tǒng)減重措施

空調(diào)機(jī)組的殼體材料可由原來的不銹鋼材料改為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,風(fēng)道材料可由鋁板+隔熱材料改為厚度為10 mm的復(fù)合材料。車內(nèi)座椅下的電熱器采用碳纖維電熱板,代替原來的不銹鋼電熱器。減重設(shè)計(jì)后,每輛車能夠減重約130 kg。

客室車門采用內(nèi)藏密閉門系統(tǒng),以達(dá)到與城軌車輛密封性最好的塞拉門系統(tǒng)同等的密封性能。單個(gè)客室車門與傳統(tǒng)客室車門相比,減重設(shè)計(jì)后的車門質(zhì)量減小約40 kg,以地鐵B型車為例,每輛車可減重約320 kg。

1.5 車鉤及貫通道減重措施

在橡膠緩沖器、膠泥緩沖器、氣液+環(huán)簧緩沖器、膠泥+環(huán)簧緩沖器這幾種可用車鉤緩沖器中,對(duì)比其性能和質(zhì)量因素,優(yōu)選膠泥+環(huán)簧緩沖器。在滿足性能要求的同時(shí),膠泥+環(huán)簧緩沖器的價(jià)格適中,質(zhì)量最小。相比于常規(guī)方案的膠泥緩沖器,采用膠泥+環(huán)簧緩沖器可使車鉤減重約25 kg。取消中間車鉤的垂向橡膠支撐,可使其減重約40 kg。

貫通道的渡板和踏板,可選用7系鋁合金材質(zhì)替代常規(guī)方案的不銹鋼材質(zhì)。在踏板表面進(jìn)行硬化處理,增加其耐磨性,可使貫通道的渡板和踏板減重約30 kg。相比于常規(guī)方案,減重設(shè)計(jì)后的貫通道可減重約9.5%。采用鋁合金渡板和踏板的貫通道模型示意圖如圖3所示。

圖3 采用鋁合金渡板和踏板的貫通道模型示意圖

1.6 車輛內(nèi)裝及客室設(shè)備減重措施

在車輛內(nèi)裝及客室設(shè)備方面,可通過優(yōu)化側(cè)頂和側(cè)墻的安裝結(jié)構(gòu)、座椅端部扶手結(jié)構(gòu)及尺寸、采用非凸出側(cè)墻的立罩板結(jié)構(gòu)等措施達(dá)到減重的目的。車輛內(nèi)裝可采用的新型材料與傳統(tǒng)材料如表1所示。若車輛內(nèi)裝全部使用新型材料,每輛車內(nèi)裝質(zhì)量預(yù)計(jì)可由3.2 t減重為2.2 t。例如:采用新型材料的六人座椅總重為42 kg,較常規(guī)項(xiàng)目玻璃鋼材質(zhì)的六人座椅減重約50%,即能夠?qū)崿F(xiàn)減重252 kg/車。

表1 車輛內(nèi)裝可采用的新型材料與傳統(tǒng)材料

2 城軌車輛節(jié)能技術(shù)

2.1 牽引系統(tǒng)及輔助電源系統(tǒng)節(jié)能措施

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有高功率因數(shù)和高效率特性。與異步電動(dòng)機(jī)相比,永磁電動(dòng)機(jī)無需無功勵(lì)磁電流[4],故其功率因數(shù)和效率均高于異步電動(dòng)機(jī)。永磁電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。永磁電動(dòng)機(jī)的額定工作效率超過95%,功率因數(shù)超過0.88。而傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的額定工作效率為93%,功率因數(shù)為0.86。相比于同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī),永磁電動(dòng)機(jī)的額定工作效率提高了2%～4%。

表2 永磁電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)

輔助電源系統(tǒng)可采用高頻DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)替換原來的高耗能工頻變壓器。在滿載工況下,采用高頻DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輔助電源系統(tǒng)輸入電流為105 A,線網(wǎng)電壓為724 V,輸出有功功率為70.1 kW。經(jīng)計(jì)算可知,其逆變器輸出效率為92.21%[3],相比于輔助電源系統(tǒng)的輸出效率提高了約2%。此外,還可通過降低開關(guān)器件的電壓等級(jí)、采用全軟開關(guān)技術(shù)等措施降低器件開關(guān)的損耗,提高系統(tǒng)效率,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施

1) 減少空調(diào)開關(guān)損耗。定速空調(diào)機(jī)組通過不斷開停壓縮機(jī)來維持客室溫度,變頻空調(diào)機(jī)組通過低頻低功率運(yùn)行來維持客室溫度[2]。變頻空調(diào)機(jī)組不僅減少了壓縮機(jī)的開停次數(shù),還降低了開關(guān)損耗,有利于達(dá)到節(jié)能的目的。定速空調(diào)機(jī)組的啟動(dòng)電流是常態(tài)載荷電流的5～10倍(突發(fā)跳躍),變頻空調(diào)機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)真正的軟啟動(dòng)(零電流線性啟動(dòng)),同時(shí)變頻空調(diào)機(jī)組較低的起動(dòng)電流對(duì)電源電流的沖擊較小,可以提高電源可靠性。

2) 提高低頻空調(diào)能效比。①當(dāng)達(dá)到空調(diào)設(shè)定溫度后,空調(diào)壓縮機(jī)會(huì)在低頻率持續(xù)運(yùn)行,減少制冷劑流量,增加相對(duì)換熱面積,以提高系統(tǒng)效率,達(dá)到節(jié)能的目的。本文在考慮壓縮機(jī)可靠性的基礎(chǔ)上,根據(jù)壓縮機(jī)規(guī)格書中規(guī)定的頻率適用范圍,設(shè)定壓縮機(jī)最低頻率點(diǎn)為30 Hz。②在提高低頻壓縮機(jī)的容積效率方面,降低壓縮機(jī)低頻下的壓縮比、減小制冷劑壓縮過程中的制冷劑泄漏量、提高壓縮機(jī)容積效率、增加制冷量等措施,均能增加壓縮機(jī)的能效比,有利于達(dá)到節(jié)能的目的。③在提高空調(diào)季節(jié)能效比方面,采用熱力學(xué)自動(dòng)優(yōu)化控制、在任何工況下均保證空調(diào)始終以最高效率運(yùn)行等措施均能提高空調(diào)季節(jié)能效比,有利于達(dá)到節(jié)能的目的。④根據(jù)其他項(xiàng)目的節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用變頻節(jié)能技術(shù)能夠節(jié)能約15%～20%。

3) 冬季采用熱泵制熱方式。在冬季,普通車輛空調(diào)機(jī)組通常采用電加熱器通電發(fā)熱的方式為車輛提供熱量,但這種加熱方式能耗比較大,加熱量與能耗基本一致。因此,可采用熱泵加熱技術(shù),以變頻壓縮機(jī)作為空氣源熱泵的核心,其能夠?qū)崿F(xiàn)-15 ℃環(huán)境溫度下的有效制熱。相比于電加熱器制熱方式,熱泵制熱方式在低溫環(huán)境下仍能具備良好的加熱效果,能夠達(dá)到節(jié)能的目的。結(jié)合以往項(xiàng)目的實(shí)際情況,變頻熱泵機(jī)組在0 ℃環(huán)境溫度下,空調(diào)機(jī)組能效比可達(dá)2;-10 ℃環(huán)境溫度下,空調(diào)機(jī)組能效比為1,與電加熱器相當(dāng)。相比于電加熱器制熱方式,采用熱泵制熱方式能夠節(jié)能約40%。

4) 根據(jù)乘客負(fù)載情況調(diào)節(jié)客室目標(biāo)溫度。常規(guī)車輛的車內(nèi)溫度根據(jù)UIC 553—2004《客車車廂的通風(fēng)、供暖和空調(diào)》標(biāo)準(zhǔn)的溫度曲線進(jìn)行調(diào)節(jié),空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)車輛提供的載客量信息,自動(dòng)調(diào)整客室目標(biāo)溫度,達(dá)到節(jié)能的目的。由于車廂定員約為250人,可以85人或170人作為劃分依據(jù),并根據(jù)人體質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和控制。當(dāng)載客量一定時(shí),室外溫度越高,制冷目標(biāo)溫度也越高[5]。在控制邏輯上,當(dāng)車廂人數(shù)超過170人、室外溫度超過35 ℃時(shí),目標(biāo)溫度設(shè)定為26 ℃且不再繼續(xù)升高,即當(dāng)空調(diào)機(jī)組達(dá)到全冷狀態(tài)時(shí),不會(huì)出現(xiàn)由于室外溫度繼續(xù)上升而導(dǎo)致的車內(nèi)溫度相應(yīng)上升的情況。預(yù)計(jì)通過調(diào)節(jié)客室目標(biāo)溫度的方法可以實(shí)現(xiàn)約8%的節(jié)能效果。

5) 使用DC 1 500 V或DC 750 V逆變電源。常規(guī)地鐵車輛一般采用DC 1 500 V或DC 750 V電源供電,車輛輔助逆變系統(tǒng)將高壓直流電源逆變?yōu)槿郃C 380 V電源,為地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)供電,車輛輔助逆變器的效率一般超過90%?？照{(diào)機(jī)組可采用DC 1 500 V或DC 750 V電源直接供電,內(nèi)部配置的逆變電源模塊可直接將DC 1 500 V或DC 750 V的電源轉(zhuǎn)化為三相可變交流電源,為空調(diào)壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)供電。空調(diào)內(nèi)部的小型逆變電源效率超過95%,具有更優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)更能節(jié)省能源。

綜上所述,根據(jù)變頻空調(diào)的使用經(jīng)驗(yàn),相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng),采用綜合節(jié)能技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng),其制冷節(jié)能率預(yù)估約為25%～30%,制熱節(jié)能率預(yù)估約為40%。

2.3 照明系統(tǒng)節(jié)能措施

1) 照度自動(dòng)調(diào)節(jié)。每輛車可配備2個(gè)光感傳感器,以實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)無級(jí)調(diào)光功能。根據(jù)車內(nèi)空間與外界自然光的實(shí)際情況,對(duì)燈具的亮度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)車廂照度平衡(車廂照度可預(yù)設(shè)),進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。

2) 多種節(jié)能工作模式。根據(jù)車廂外界自然光對(duì)車內(nèi)照度補(bǔ)償?shù)淖兓?動(dòng)態(tài)調(diào)整照明燈具的發(fā)光強(qiáng)度,以達(dá)到車廂照明平衡,進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。例如:在地鐵人流低谷時(shí)段,當(dāng)車廂沒人時(shí),可以降低車廂照明等級(jí)(如降低至額定照明等級(jí)的50%左右)。

3) 采用OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)作為照明光源。OLED光源是典型的面光源,而LED(發(fā)光二極管)光源是點(diǎn)光源。所以LED光源需要外加燈罩、散熱裝置或光線散射裝置等,燈具設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。OLED光源的平面光源特性除了能夠與各種型態(tài)的燈具設(shè)計(jì)匹配之外,其散熱特性也較好,無需額外加裝散熱元件,從而降低了燈具制造成本[6]。此外,相對(duì)于LED光源,OLED光源的驅(qū)動(dòng)電壓更低,當(dāng)電壓為5.0～7.5 V、電流為30～350 mA時(shí),即可正常工作。由于OLED光源是冷光源,其可以把幾乎所有電能都轉(zhuǎn)化成光能,具有功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn),更能滿足節(jié)能的目標(biāo)。

3 結(jié)語

目前,我國(guó)城軌車輛在減重、節(jié)能領(lǐng)域方面的研究還處在發(fā)展階段,對(duì)新材料的研究和應(yīng)用技術(shù)還有待提高。本文介紹了城軌車輛在車體、牽引系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、車鉤系統(tǒng)、貫通道及內(nèi)裝等方面的設(shè)備減重及節(jié)能措施。若應(yīng)用這些減重、節(jié)能措施,基本能夠達(dá)到車輛整體減重10%以上、節(jié)能10%以上的目標(biāo),更好地滿足日益增長(zhǎng)的城軌車輛運(yùn)營(yíng)需求。