CRH6城際動車組的牽引系統研究

曾要爭 黃文杰

（中國南車南京浦鎮車輛有限公司動車設計部，210031，南京∥第一作者，工程師）

城際列車一般指城市群內開行的多班次趨向公交化的中小編組短途旅客列車，沿途?？扛鬣l鎮車站。城際列車的運輸組織模式是“高密度、大容量、小編組、公交化”。城際列車與城市軌道交通的地鐵、輕軌列車一樣，需要有較大的起動加速度和減速度，來滿足頻繁的起停要求。但其最大的不同點在于：城際列車運輸距離較長，站間距更大，運營速度更快。

CRH6型城際動車組是依托和諧號動車組技術平臺，基于珠三角地區的城際狀況，為適應區域經濟快速發展和城市群崛起對城際快速軌道交通工具的需要而研制的。其具有快起快停、快速乘降、大載客量等技術特點。根據運營情況的需要，分為站站停使用的時速160 km城際動車組（以下簡為CRH6－160）和大站停使用的時速200 km城際動車組（以下簡為CRH6－200）。

CRH6－160運行于100 km內的城市之間，以建立1 h經濟圈，滿足站站停的要求；CRH6－200運行于距離在500 km內的城市之間，連接較大城市，實現這些城市間乘客的快速出行，實現大站?？康囊?。

本文結合該項目研制過程中對牽引系統設計所作的相關研究，闡述CRH6城際動車組的牽引性能設計。

1 牽引系統關鍵要素

牽引系統的設計需要實現三大技術指標：平均旅行速度，最大運營速度，加速性能。

1.1 平均旅行速度

平均旅行速度與平均旅行時間成反比。其直接關系到線路建成后，能否滿足線路規劃的初衷，且對列車調度和運營有直接的影響。城際列車的設計是為了實現珠三角地區城市之間1h經濟圈的構建，如果平均旅行速度太小，必然無法實現此目標；但是平均旅行速度也不能太大，雖然可能在時間指標上滿足甚至優于1h的目標，但會使線路建設配套成本加大，車輛配置的價格也更高，顯然不符合經濟適用的設計原則。因此，平均旅行速度的選取既要滿足頂層技術目標，又要經濟合理。

1.2 最高運營速度

最高運營速度要結合實際的線路情況來合理選取，需充分考慮線路的站間距、曲線半徑及坡度等。

1.3 列車加速性能

列車加速性能的兩個關鍵指標為起動加速度和剩余加速度。

起動加速度是衡量列車起動能力大小的指標。一般來說對于站間距較短的列車更具有現實意義。由于站間距較小，因此要求列車有快速起停的能力，為保證列車有更多的時間運行在高速區域，才能有效提高旅行速度。

剩余加速度是衡量列車加速裕度的指標，是在逆風、坡道等情況下仍可保持正常運行的一種能力，也是進行列車構造速度試驗的基本條件。但對列車正常運營需求分析的影響不大。

CRH6型城際列車運行于主城市及周圍的次級城市之間，既要滿足乘客在不同城市之間短時通行，又要實現在沿途站點的快速起停。前者要求列車的運營速度和平均旅行速度要高，則列車牽引系統的功率要大；后者要求有較高的起動加速度和制動減速度，則牽引電機要有較大的扭矩。為了實現車輛成本的最優化和能源的有效利用，一般不會同時實現運營速度高和有較大起動加速度這兩個要求。因此，在長大站間距運行時，起動加速度對運營的影響較小，而最高運營速度及平均旅行速度直接影響了運營模式；在短的站間距運營時，列車很難達到或難以長時間維持高速運行，因此不需要高的運營速度，而大的起動加速度和減速度反而更為重要。

為此，設計了CRH6－160型和CRH6－200型兩種速度的動車組配置。CRH6－200型動車組的運營速度和旅行速度高，運行模式是長時工作制，大站停車，能發揮列車大牽引功率的優點；而CRH6－160起動加速度大，為站站停的短時工作制模式，發揮了大轉矩的優勢。

2 CRH6型動車組牽引系統技術參數分析

CRH6－200型動車組在和諧號200km／h動車組的基礎上優化了牽引性能，采用4動4拖編組形式，2動2拖為一個動力單元，每個動力單元設1臺牽引變壓器、2臺牽引變流器、8臺牽引電機，采用車控模式。CRH6－160型在CRH6－200型基礎上進一步優化了性能配置，采用架控模式。在確定了牽引系統結構后，需要對牽引系統各主要技術參數進行分析和確定。

2.1 動車組的牽引力

已知所需的牽引加速性能，可得出對應的起動牽引力

式中：

M——動車組質量，t；

β——慣性系數；

a——加速度，m／s2；

ω0——動車組運行單位基本阻力，N／t。

2.2 牽引電機主要參數的確定

2.2.1 起動轉矩T

確定了F后，可由式（2）計算出牽引電機的起動轉矩

式中：

N——齒輪傳動比；

η——齒輪箱效率；

D——車輪直徑，m。

由式（2）可知，電機的起動轉矩與動車組牽引力、齒輪傳動比、輪徑三者有關。

2.2.2 牽引電機的轉速n

式中：

v——動車組速度，m／s；

n——電機轉速，r／min。

由式（3）可知，動車組速度與電機轉速、齒輪傳動比、車輪直徑三者有關。

已知動車組的最大運營速度，在最大磨耗輪徑時，可以計算出對應的電機轉速，考慮一定的余量后，可得所需的電機最大轉速，并用來驗證新輪的試驗速度。而列車的平均旅行速度可以作為電機額定轉速設計的參考。

由上述可知，傳動比對電機轉矩和轉速的選擇有影響，需要電機供應商、齒輪箱供應商和整車（含轉向架）廠商等共同商討確定傳動比。

2.2.3 電機功率P

動車組輪周牽引總功率主要與動車組運行最高速度、動車組質量、最高速度時的列車運行阻力和剩余加速度、齒輪傳動效率、牽引電機效率等有關。

式中：

Pk——動車組輪周牽引總功率，kW；

Δa——剩余加速度，m／s2；

Δv——逆風速度，km／h；

vmax——動車組最高運行速度，km／h；

ηM——牽引電機效率；

Fvmax——最高速度時動車的輪周牽引力，N。

牽引電機的功率為動車組總功率除以動車組電機的總臺數Nm，即P＝Pk／（Nmη）。

2.3 牽引系統的容量匹配

牽引傳動系統中牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機的容量計算是非常重要的設計依據。首先應根據動車組的牽引特性、再生制動特性的最大值求出Pk，根據牽引傳動系統中各部件的效率、功率因數等，按牽引電機→牽引變流器→牽引變壓器的順序求得每個部件的最大功率。

3 CRH6型動車組牽引設備選型

通過對以上參數關系的分析比較和論證，確定CRH6型動車組牽引系統的設備選型。CRH6－200型動車組牽引系統采用車控方式，每臺電機最大輸出功率為345kW，牽引系統主電路如圖1所示。

圖1 CRH6－200型動車組牽引系統主電路簡圖

CRH6－160型動車組采用架控方式，每臺電機額定輸出功率為250kW、最大功率為322kW，牽引系統主電路如圖2所示。

圖2 CRH6－160型動車組牽引系統主電路簡圖

經初步分析計算的牽引性能指標比較見表1。

表1 牽引性能指標比較

根據動車組質量、阻力公式、傳動裝置效率、牽引性能指標要求及牽引系統各參數間函數關系的分析，并結合實際設備的綜合參數，可以初步確定牽引系統的主要設備參數見表2所示。

表2 牽引系統的主要設備參數

4 驗證分析

在確定了表2的參數后，可以初步選擇牽引設備的型號和特定參數。要最終判斷所選設備是否滿足要求，還需要進行仿真計算和試驗驗證。考核的關鍵因素有兩個：一個是牽引特性結果和線路仿真的平均旅行速度均須滿足相關指標要求；另一個是在各種要求的工況運行時，各牽引設備的溫升不能超過其限值。

4.1 牽引特性校驗

根據所選的牽引設備參數和牽引單元配置，進行牽引特性仿真計算；將仿真計算結果與牽引性能指標要求進行對比分析，并進行必要的修正直至完全滿足牽引需求，最終設計出動車組的牽引／制動特性曲線。

通過對牽引系統特性的計算和反復修正與驗證，得到CRH6－200型動車組和CRH6－160型動車組的仿真牽引特性，如圖3和圖4所示。

圖3 CRH6－200型動車組仿真牽引性能曲線

圖4 CRH6－160型動車組仿真牽引性能曲線

由圖3和圖4的牽引力性能曲線及列車重量，可以計算出CRH6－200型動車組加速度為0.651m／s2，CRH6－160型動車組的加速度為0.810m／s2。計算結果表明：正常工況時加速度性能滿足要求；25%動力損失時，在平直道可以達到最高運行速度，在30‰坡道上可以起動，并在恒功區達到平衡；救援工況下，1列空車在30‰坡道上可以救援1列重車。

4.2 運行仿真計算

根據仿真計算出的牽引特性，針對相應的線路進行列車運行模擬仿真，得到運行區段的列車速度－距離曲線、運行時分曲線、加速度／減速度曲線、能耗曲線、牽引力曲線、坡道最高運行速度、不同線路坡度的加速距離和制動距離、故障模擬運行結果等牽引計算要求的所有參數與曲線。根據線路數據進行了模擬運行仿真計算（見圖5），結果表明列車的平均旅行速度能滿足指標要求。

圖5 CRH6－160型動車組模擬仿真運行

在坡道故障起動、坡道救援等絕端工況下，需要對牽引電機、變流器和變壓器進行仿真計算，從而考核牽引系統設備溫升熱容量是否達到其限值。仿真結果見圖6、圖7所示，都能滿足要求。

圖6 變壓器熱態工況溫升仿真

圖7 牽引電機最惡劣工況下的溫升仿真

4.3 試驗驗證

最終的設計研究結果需用試驗來作驗證，應進行各部件試驗、牽引聯調、牽引制動地面試驗、裝車試驗等一系列試驗來驗證設計的科學合理性。

牽引電機、變壓器和變流器樣機試制完成后，進行牽引電機、變壓器和變流器型式試驗；然后進行牽引聯調、牽引制動地面試驗及整車型式試驗，以驗證牽引系統的輸出特性是否符合牽引特性設計要求，并對列車旅行速度進行驗證。

5 結語

本文通過建立動車組牽引系統關鍵技術參數間的函數關系，分析各參數之間的內在聯系。根據CRH6型城際動車組的項目特點，針對CRH6－160型動車組站站停和CRH6－200型動車組大站停的運營模式，分析了二者牽引性能的差異，并在理論分析的基礎上初步確定了牽引系統設備的主要技術參數。

然后根據所選擇的牽引設備參數，進行牽引特性計算和仿真計算，將計算結果與要求的牽引性能指標對比，進行反復修正與驗證，最終確定牽引系統設備參數和特性曲線。另外，在故障和救援工況下，牽引性能也須達到相應的指標要求。為了進一步驗證所選的設備是否滿足指標要求，還需要對設備進行型式試驗、聯調試驗和整車試驗。

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