齒輪傳動比對動車組牽引特性的影響

張川寶，湯鈺鵬

(北京交通大學 電氣工程學院，北京 100004)

0 引言

2008年8月1日，我國第一條擁有自主知識產(chǎn)權的高速城際鐵路——京津城際鐵路通車運營.截至2010年7月28日，中國北車唐山客車公司制造的最高時速350 km/h CRH3-350動車組，在京津城際高速鐵路、武廣高速鐵路客運專線和滬寧城際高速鐵路的安全運營總里程已經(jīng)突破2000萬公里，這標志著我國高鐵技術以其快速、安全、可靠的運營品質，躋身世界鐵路先進行列［1］.但CRH3-350動車組運行中出現(xiàn)的一些小問題也值得我們去研究和探討，比如部分動車組動力輪對與電機之間的齒輪箱存在的滲油問題.本文主要從動車組牽引傳動系統(tǒng)中齒輪傳動比的改變對齒輪箱滲油問題的影響進行分析.

1 系統(tǒng)構成

圖1 CRH3-350動車組主電路原理框圖

動車組牽引傳動系統(tǒng)主要有受電弓、牽引變壓器、四象限脈沖整流器、中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器、三相交流異步電動機、齒輪傳動系統(tǒng)等組成［2］.CRH3-350型動車組主電路原理框圖如圖1.

受電弓將接觸網(wǎng)的25kV單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經(jīng)變壓器降壓后的單相交流電供給四象限脈沖整流器，四象限脈沖整流器將單相交流電變換成直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)將直流電輸給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓、電流、頻率可控的三相交流電供給三相異步電動機，牽引電機軸輸出的轉矩與轉速通過齒輪傳動傳遞給輪對，轉換成輪緣牽引力和線速度.

2 控制策略及運行中存在的問題

圖2 CRH3-350動車組牽引特性曲線

CRH3-350型動車組設計牽引特性曲線如2所示 (標稱網(wǎng)壓、半磨耗車輪、設計重量、齒輪傳動比為2.788、逆風 15 km/h)［3］.通過對動車組牽引電機的控制，可使動車組按照牽引特性曲線運行.

2.1 控制方式

動車組牽引傳動系統(tǒng)的控制原理如圖3［4-5］，采用交流電機轉子磁場定向矢量控制方法［6］.設v*為速度指令，v為實際速度，則Δv=v*－v，當Δv＞5 km/h時，系統(tǒng)切入牽引模式，牽引電機轉矩指令計算公式:

其中，Te*為1臺牽引電機輸出轉矩;F為牽引特性曲線牽引力;r為車輪半徑;N為動車組牽引電機總數(shù);a為傳動比;ηGear為齒輪傳動效率.

當Δv＜－5 km/h時，系統(tǒng)切入再生制動模式，牽引電機轉矩指令計算公式與牽引模式相同.

當 －5 km/h≤Δv≤5 km/h時，系統(tǒng)切入恒速控制模式;當傳動系統(tǒng)由牽引切換為恒速控制(稱為牽引恒速控制模式)，即動車組運行速度進入設定速度指令(v*－5)km/h范圍內時，牽引電機的轉矩指令計算式為:

當 －2 km/h≤Δv＜1 km/h時，動車組進入惰行工況;當Δv=1 km/h時，動車組再次運行在牽引恒速控制模式，穩(wěn)定在(v*－1)km/h.

圖3 動車組控制原理圖

電機轉速與動車組運行速度換算關系:

式中，n為電機轉速;d為車輪直徑.

CRH3高速動車組基本阻力公式為:

式中，fz為動車組基本阻力;m為動車組總質量.

由式(1)、式(5)可得歸算到每臺牽引電機的負載轉矩為:

2.2 動車組實際運行中存在的問題

CRH3-350動車組原設計持續(xù)運行速度為300 km/h，而列車的實際運行最高速度在330 km/h，動車組在按照上述牽引特性曲線運行過程中，如果長時間以最高速度運行，就會產(chǎn)生齒輪箱滲油現(xiàn)象.齒輪箱滲油除了與主從動齒輪和齒輪箱的機械結構有關外，還應與動車組牽引傳動系統(tǒng)中牽引電機轉速有關.

3 改進方案分析

動車組牽引電機轉速越高，齒輪箱內的油脂受到的離心力越大，如果齒輪箱機械結構設計不合理，就會產(chǎn)生滲油現(xiàn)象.由式(4)可得，通過減小原齒輪傳動比2.788，可以降低相同動車組速度下電機的轉速，從而減小齒輪箱內油脂所受的離心力，避免齒輪箱出現(xiàn)的滲油現(xiàn)象.

3.1 動車組功率特性分析

動車組在低速階段，由式(1)得，牽引電機輸出轉矩不變情況下，齒輪傳動比減小時，動車組的牽引力降低.要保持牽引電機輸出轉矩不變，動車組功率特性曲線必須向下移動.在相同質量和牽引功率情況下，隨著傳動比的減小，CRH3-350型動車組0～200 km/h的平均加速度略有減小，加速至最高速度時剩余加速度不變，但加速時間和加速距離略有增加，傳動比調整為2.429能夠滿足0～200 km/h的平均加速度不小于0.4 m/s2的要求［7］.齒輪傳動比為 2.788 和 2.429 時，CRH3-350動車組牽引特性曲線如圖2.

3.2 牽引電機特性分析

齒輪傳動比減小后，牽引電機的特性并不發(fā)生變化，由式(4)得在同樣動車組速度區(qū)間內，只是電機運行速度區(qū)間變小.CRH3-350動車組1TB2019型牽引電機［8］特性曲線如圖4所示.

圖4 動車組速度0～300 km/h范圍內牽引電動機運行特性曲線

3.3 變流器牽引電機容量分析

齒輪傳動比改變后，恒功速度點之前運行時，動車組總功率減小，恒功點之后動車組功率不變.因此CRH3-350動車組系統(tǒng)變壓器容量、變流器容量和電機容量均符合要求，不需要調整.

4 仿真分析

根據(jù)動車組牽引傳動系統(tǒng)控制框圖搭建Matlab/Simulink仿真模型.牽引電機仿真參數(shù)為:功率560 kW，額定線電壓2 750 V，額定頻率138 Hz，定子電阻 0.106 5 Ω，定子漏感 1.31 mH，轉子電阻0.066 3 Ω，轉子漏感1.93 mH，互感53.6 mH，轉動慣量1.5 kg·m2，極對數(shù)2.變流器中間直流電壓取36 00 V.

當給定速度v*由100→200→300→250 km/h變化時，按照齒輪傳動比為2.788和2.429，分別進行仿真，并測量電機轉速、電機輸出轉矩、電機電流.各波形如圖5所示，a1、b1、c1為齒輪傳動比為2.788 時波形，a2、b2、c2 為齒輪傳動比為2.429 時波形.

通過分析仿真波形，可以得出:

(1)動車組相同速度時，齒輪傳動比小時，牽引電機轉速低.

(2)動車組相同速度時，恒功速度點以前牽引電機輸出轉矩和電流不變，恒功速度點以后齒輪傳動比減小時，牽引電機輸出轉矩和輸出電流增大.

5 結論

通過以上分析，可以得出把CRH3-350動車組齒輪傳動比適當降低，并適當改變控制策略，可以降低牽引電機的運行速度，有效避免齒輪箱滲油的發(fā)生.CRH3-350動車組已經(jīng)陸續(xù)進入三級修［9］，對運行中出現(xiàn)的一些情況進行總結分析，在三級修過程中加以改進，是CRH3-350動車組安全可靠運行的保障，也可為時速380 km動車組的設計、運行、維護提供一些借鑒經(jīng)驗.

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