CRH3高速動車組牽引特性分析

朱幗蓉 陳慧民 上海鐵路局科研所

中國北車集團唐山軌道客車有限責(zé)任公司引進德國西門子公司先進技術(shù)實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)的動力分散型交流傳動動車組CRH3型已于2008年8月1日在京津城際鐵路和2009年8月武廣客運專線投入運行。動車組以4輛動車和4輛拖車構(gòu)成一個基本編組,在規(guī)定的載客人數(shù)，平直的軌道上，啟動加速度為0.5 m/s2，牽引控制為VVVF控制方式。電氣制動為再生制動方式加電阻制動，由輪緣潤滑/防空轉(zhuǎn)防滑行控制來提高粘著力。系統(tǒng)軟件不斷地監(jiān)視車輛及驅(qū)動輪的運行。如發(fā)現(xiàn)偏離允許值，牽引力或制動力會自動減少到一個適當水平，以保證粘著要求，并使車輪踏面磨耗與擦傷可以減少到最小程度。整列車制動方式為電氣制動與空氣制動并用，電氣制動優(yōu)先。交流傳動動車組的電源，由接觸網(wǎng)提供單相交流27.5 kV，通過車輛上的變壓器降壓整流為3 000 V直流電源再由牽引逆變器變成頻率為0～200 Hz，電壓為0～2 500 V的三相變頻變壓交流電源，提供給三相交流牽引電動機，再通過齒輪箱的傳動給車輪在鋼軌產(chǎn)生牽引力，驅(qū)動列車的運動。

列車由 8輛車構(gòu)成，EC08，IC06，IC03和 EC01車是動車，而TC07，F(xiàn)C05，BC04和TC02是拖車（如圖1所示）。

圖1 動車組車輛構(gòu)成

EC01/EC08為帶駕駛室有牽引逆變器動車,TC02/TC07為帶變壓器輔助逆變器拖車,IC03/IC06為有牽引逆變器動車,BC04為雙輔助逆變器蓄電池餐車，F(xiàn)C05為雙輔助逆變器蓄電池頭等車。

1 列車的牽引力

在牽引計算時需要考慮到：

（1）列車的總重量M及轉(zhuǎn)動質(zhì)量J(每輛拖車3 t;每輛動車6 t)

（2）軌道坡度

（3）空氣阻力（啟動時計算到50 kph）

必須考慮到空氣阻力,因為它提高了需要的牽引力。表1為CRH3車輛數(shù)據(jù)，由此可以計算空氣阻力。

V- 列車速度V=50 km/h（用于計算啟動加速度的阻力）

N-車輛數(shù)N=8

A-正面的截面積A=9 m2

牽引電機是四極三相異步電機,型號1TB2019-0GC02型。其參數(shù)如下：額定功率：560 kW；額定電壓：2750 V；額定電流：145 A；額定轉(zhuǎn)速：4100 rpm；最高使用轉(zhuǎn)速：5900 rpm。額定頻率：138 Hz；效率：94%；功率因素：87%；轉(zhuǎn)差率：1.4%；額定轉(zhuǎn)矩：3000 Nm。

列車動輪的參數(shù)為：車輪直徑：92 cm(半磨耗輪徑為87.5 cm，全磨耗輪徑為83 cm)；齒輪傳動比： =2.788；齒輪傳動效率：=0.97

根據(jù)輪周牽引力計算公式：

嘉絨藏繡泛指在嘉絨藏區(qū)（四川省甘孜州丹巴縣、康定縣部分地區(qū)，阿壩州金川、小金、馬爾康、理縣、黑水、紅原和汶川部分地區(qū)）藏民族傳統(tǒng)服飾上的刺繡。由于該地區(qū)處于“藏彝遷徙走廊”是連接中國古代東、西、南、北的重要樞紐地帶和半月地帶，這里居住著藏、漢、羌、回、滿、彝等15個民族，多民族的融合聚居讓這里的嘉絨藏族刺繡有別于藏族其他地區(qū)。色彩上嘉絨藏繡采用黑底配以紅、黃、綠、白色點綴或黑白為主配紅、黃、綠色，色彩處理簡約而經(jīng)典，極具地域特色；繡法上嘉絨藏繡融合了藏、羌、漢、彝等民族的傳統(tǒng)技法使嘉絨藏繡成為一種獨特的刺繡藝術(shù)，是藏族文化的一種傳承。

公式中： ：轉(zhuǎn)動比；η：轉(zhuǎn)動效率；D：輪徑；MD：電機額定轉(zhuǎn)矩。通過式（1）可算出每對動輪輪周上產(chǎn)生的牽引力為：18.54418 kN；則 1輛動車（4個電機）牽引力為：18.54418×4=74.17672。4輛動車（16個電機）總牽引力為：18.54418 kN×16=296.70688 kN。

根據(jù)加速度計算公式：

式中：

在規(guī)定的載客人數(shù)工況下，按正常的無坡度的情況，由前述可知, 則據(jù)式（2）可以計算列車起動加速度：

這與廠方提供的啟動加速度0.50/s2較為接近。

由式（2）計算出有坡度和故障情況下8節(jié)編組列車牽引力為：1.2%斜坡上和100%的牽引力下的啟動加速度：0.38497；2%斜坡上和100%的牽引力下的啟動加速度：a=0.3114；3%斜坡上和100%的牽引力下的啟動加速度：a=0.2195；當一節(jié)動車失效時在平直的軌道上啟動加速度：a=

這些計算參數(shù)與廠方提供的基本一致。

圖2是唐山軌道客車有限責(zé)任公司提供的基本牽引特性，根據(jù)動車的牽引逆變器，牽引電機電氣參數(shù)，輪對，齒輪參數(shù)，以及軸重可以算出動車的牽引曲線。

2 列車的制動力

圖2 CRH3牽引曲線

2.1 8節(jié)編組列車制動力計算

在規(guī)定的載客人數(shù)，按正常的無坡度的情況，速度150 km/h實施制動如圖3中8檔（減速度a=1 m/s2）可以計算列車制動力：（計算在150 kph）

阻力：R=6.4M＋130n＋0.14MV＋[0.046＋0.0065(N-1)AV2

R=6.4×536=130×32＋0.14×536×150＋[0.046＋0.0065(8-1)9×1502=37375 N=37.375 kN

F=R＋(M＋J)×α=37.375＋(536＋36)×(-1)=-534.625 kN

圖3 行車制動步驟的減速特性曲線。(Fw)為阻力曲線

緊急制動過程中，將形成最大制動力，達到最大延滯。電制動也用于緊急制動過程中。緊急制動中，將同時使用電空制動系統(tǒng)（EP制動）與電動制動系統(tǒng)（ED制動）。

圖4所示為使用電制動模式以及電/氣制動模式下的緊急制動下的制動力。

圖4 制動力-速度圖（氣動制動＋100 ED 制動）

由圖4所知，在氣電混合制動ED＋R時，300～200 km/h制動力 550 kN；200～80 km/h制動力 650 kN；80～0 km/h 制動力600 kN。根據(jù)式（2）可以換算為300～200 km/h減速度a3=0.9265 m/s2；200～80 km/h 制動力a2=1.1364 m/s2；80～0 km/h 制動力a1=1.048 m/s2。

在規(guī)定的載客人數(shù)，按正常的無坡度的情況，速度300 km/h實施緊急制動可以計算列車制動距離；氣制動是每節(jié)車上有的，考慮再生制動在電網(wǎng)無法吸收時制動力必須氣制動承擔(dān)，如果再考慮坡度的影響及部分設(shè)備故障情況下，氣制動的余量要必須考慮在內(nèi)。

2.2 制動距離

在平坦線路上制動的空駛時間（制動響應(yīng)時間）須在3.5 s以內(nèi)（其中空氣響應(yīng)時間為1.5 s，控制響應(yīng)時間為2 s）。如果以最快的實時電制動的響應(yīng)時間為0.4 s，考慮到?jīng)_動率0.75 m/s3的限制，列車從加速中突然進行制動，這一過程為1.33 s。可簡略計算一下在200 km/h速度下實施緊急制動的制動距離h=22.22 m/s）

3 結(jié)束語

以上對300～350 km/h的CRH3型4動4拖動車組的牽引力作了較為詳盡的計算分析，目前在高速城際線上還有300～350 km/h的CRH2C型6動2拖動車組，以及200～250 km/h的5動3拖CRH1動車組，四方機車車輛股份公司與日本川崎重工合作生產(chǎn)的4動4拖CRH2型，阿爾斯通與長春車輛廠生產(chǎn)的5動3拖CRH5動車組。城際客運專線需要旅行時間短，更要啟動加速度大，速度快，制動距離短，實際上動車組中動車比例越大，牽引特性越好，制動性能也更好，電制動利用率高，同時電制動對防滑控制響應(yīng)時間快、效果好，對車輪踏面磨損與擦傷小，粘著利用也好。本文介紹了一些牽引計算與分析的方法，可為車輛技術(shù)人員對動車動力配置提供技術(shù)參考。