輕軌車輛用混合動力牽引傳動系統的設計探討

摘要：輕軌車輛在我國各城市的應用越來越廣泛，有關輕軌車輛用混合動力牽引傳動系統的研究也越來越多。文章針對輕軌車輛的應用現狀，對輕軌車輛用混合動力牽引傳動系統的技術需求及其設計方法進行了分析。

關鍵詞：輕軌車輛；混合動力；牽引傳動系統；軌道交通；供電網絡 文獻標識碼：A

中圖分類號：U266 文章編號：1009-2374（2016）17-0096-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.046

目前，我國的工業化發展步伐進一步加快，城市人口也越來越多，隨之而來的是城市汽車數量的大量增加，汽車尾氣造成的污染日益嚴重，這對人們生活水平的提升造成了一定的阻礙。伴隨時代的進步與發展，人們開始意識到保護生態環境的重要性，為了減輕城市生態環境的負擔，越來越多的城市交通設計規劃者開始將重點放在綠色環保的輕軌交通系統的設計上，相關專家和學者也進一步加大了對輕軌車輛用混合動力牽引傳動系統設計的研究，這在一定程度上為城市軌道交通網絡系統的完善提供了保障。

1 輕軌車輛的應用現狀

城市軌道交通受供電網絡的限制較大，正是由于這個原因，城市軌道交通在城市居民安全與環境保護方面面臨諸多問題。一般來說，城市軌道交通都是采用的第三軌供電方案或架空接觸網方案，這兩種方案都要求軌道車輛必須采用專門的線路或者完全封閉式的線路。對于地鐵車輛來說，其既可以在地下隧道中運行，同時也可以在地面高架上運行，但是軌道電車一般只能在地面線路上運行，而且對于城市輕軌電車輛說，必須采用架空接觸網的供電方案來進行供電網絡的鋪設，這樣才能保證輕軌車輛的正常運行，但是這種供電方案在系統安全性以及環保性方面都存在諸多問題。隨著城市空間環境質量要求的提升，軌道交通行業也出現了較大變革，無受電網的有軌及輕軌車輛開始在許多城市得到應用。從國際上來看，龐巴迪公司的非接觸式感應供電輕軌車輛和西門子公司的超級電容輕軌車輛代表性較強。非接觸式感應供電輕軌車輛主要利用電磁感應原理，將直流電源轉變為高頻交流電，然后再利用線圈感應原理，實現電能在整個車輛系統內的流通，最終變換為直流電，為車輛的牽引系統提供電能。電磁線圈只有在車輛經過的時候才能產生電流，這樣就能確保無車輛運行情況下行人的安全。對于超級電容輕軌車輛來說，其主要采用的是車載超級電容器儲能裝置，車輛運行之前必須進行一次性充電。當車輛處于牽引狀態時，超級電容器主要發揮供電作用；當車輛處于制動狀態時，超級電容器主要提供存儲再生制動能力的作用；當車輛停站的時候，超級電容器負責對其進行充電，從而為車輛進入下一段區間的運行提供保障。

2 混合動力牽引傳動系統的技術需求

2.1 車輛牽引和制動能量分析

輕軌車輛在正常運行的過程中，主要包括制動工況和牽引工況，在大多數城市的有軌電車項目中，超級電容器系統主要適用于無受電網區域，也就是說只有當車輛通過無受電網區域的時候才能利用超級電容器來進行牽引和制動。所謂牽引，指的就是車輛的牽引系統通過克服車輛運行過程中的各種阻力來實現加速的過程，這就要求超級電容器系統的能量必須滿足克服阻力的需求，一般來說，軌道車輛的運行過程中需要克服的阻力主要包括坡道阻力、彎道阻力、運行阻力以及車輛啟動阻力，除了具備克服阻力的能量以外，超級電容器還必須在車輛加速運行的過程中為車輛動能的變化提供所需能量。根據項目設計的相關要求，軌道車輛的超級電容器系統必須在線路中保持正常運行1km，且必須考慮到車輛的兩次啟動過程。當車輛通過無受電網區域的時候，車輛的速度應限制在20km/h；當車輛通過有電網區域的時候，超級電容器需要為車輛牽引提供瞬時能量，這樣才能減少車輛運行過程中對受電網的能量需求，從而減少車輛能耗，節約運行成本；當軌道車輛處于制動工況的時候，超級電容器的主要作用在于吸收牽引逆變器制動所產生的能量，然后在車輛牽引工況時釋放出能量。

2.2 輕軌車輛牽引傳動系統的牽引制動特性

城市軌道交通車輛的牽引特性主要可分為自然特性類、恒功率類和恒轉矩類。當軌道車輛處于自然特性區域的時候，車輛牽引電機的制動力和牽引力與車輛運行速度的平方成反比，也就是說列車運行速度的平方與車輛的牽引力或制動力的乘積為一個常數；當車輛處于恒功率區域的時候，軌道車輛的運行速度與牽引電機的牽引力或制動力成反比，這時，牽引電機的功率不變，始終為一個常數；當車輛在恒轉矩區域運行的時候，軌道車輛的運行速度與牽引電機的牽引力和制動力變化無關，無論車輛運行速度變化多大，電機的牽引力和制動力始終不變。

3 混合動力牽引傳動系統的設計

3.1 傳動方案

混合動力牽引傳動系統主要由制動裝置、發動機、電動機、動力耦合裝置、蓄電池、膠帶等組成，其中發電機是傳動系統的主要動力來源。根據輕軌車輛運行的特點，應設計行星差輪系式動力耦合裝置，它主要由一級定軸直齒輪傳動、單排行星差速輪系傳動和一級變速斜齒輪傳動組成，這些組成部分主要負責對發動機和電動機的動力進行匹配和切換，同時也有利于實現電動機和發動機的同時工作。該牽引傳動系統的輔助動力源設計為串勵直流電動機，這種直流電動機具有機動性能佳、轉矩大、調速范圍廣等優點，對混合動力模式下的傳動系統適應性較強。在工作的過程中，發動機的動力主要靠一級變速齒輪傳遞到太陽輪，電動機的動力則是通過一級定軸直齒輪傳遞到單排行星差動輪系的外齒圈，最后再由行星架輸出，電動機控制機的設計應與動力耦合裝置的設計相配合，采用直流斬波控制器，電池為鉛酸蓄電池。離合器應設計在變速箱的輸入端，其主要功能是切斷或接通驅動輪與動力耦合裝置之間的動力傳送。

3.2 列車的數學模型

直流供電回路中最活躍的部分便是列車，列車模型的建立是一個動態的過程，如果把列車當作一個質點，那么軌道車輛在運行過程中的位置和速度是不斷變化的，從而造成車輛阻力的不斷變化，包括基本阻力、曲線阻力等。軌道車輛在運行過程中的狀態主要可分為牽引、惰行和制動三種，隨著工作狀態的變化，直流供電回路參數也會發生變化。在建立數學模型的時候，應注重列車參數、加速度模塊以及列車牽引計算模塊這三方面的內容。一般情況下，列車參數應包括列車拖車和動車的重量、列車編組情況等。在加速度模塊，輸入的數值應包括列車實際速度V和列車實際速度的參考值V*，利用上述兩個數值便可以計算出列車的加速度。列車牽引計算模塊主要是根據牛頓第二定律來計算出列車所承受的制動力和牽引力，計算公式如下：

F-f（r）=M（1+r）a

式中：F表示每個軸所承受的制動力和牽引力；M表示列車的質量；f（r）表示列車運行過程中所受到的阻力；r表示列車的旋轉質量系數。

3.3 超級電容器的能量計算方法

通過上述分析可知，軌道車輛在無受電網工況下必須依靠超級電容器提供牽引能量。一般來說，在有電區牽引工況下，超級電容器所提供的能量基本上能滿足要求，因此，只需要對車輛通過無電區域的牽引工況進行分析。根據車輛的牽引狀態，超級電容器所提供的能量是由車輛運行過程中需要克服的各種阻力決定的，啟動阻力是車輛運行過程中必然會產生的阻力之一。通常情況下，當車輛速度不超過3km/h時，判定車輛處于啟動狀態，車輛啟動過程中的阻力計算公式為：

R=5mg/1000

式中：R表示車輛啟動阻力；m表示車輛重量；g表示重量加速度。

車輛在啟動的過程中一直保持加速度運行，從速度為零一直上升為每小時3km的速度，在這一過程中，車輛的牽引力恒定，運行距離公式為s=32/2a，根據上述公式，軌道車輛啟動過程中的能量計算公式為W=R×s，車輛運行過程中的基本阻力公式為：

R=1/1000[6.4m+130n+0.14mv+（0.046+0.0065（N-1）Av2]

式中：R表示車輛運行基本阻力；m表示車輛重量；n表示輪軸數量；v表示車輛速度；N表示車輛數量；A表示車輛截面積。

4 結語

綜上所述，輕軌車輛在我國各大城市的應用對城市生態環境的改善、人們生活質量的提升以及交通狀況的改善都具有一定的促進作用，混合動力牽引傳動系統是當代城市軌道車輛的主要動力裝置，目前我國在這方面的研究雖然取得了一些成就，但仍需在實踐中不斷總結經驗，加大研究力度，從而提升輕軌車輛用混合動力牽引傳動系統的設計質量。

參考文獻

[1] 牟巖.輕軌車輛用混合動力牽引傳動系統的設計研究[D].大連理工大學，2013.

[2] 鄧曉亭，朱思洪，高輝松，等.混合動力拖拉機傳動系統設計理論與方法[J].農業機械學報，2012，43（8）.

[3] 趙立軍，姜繼海.飛機牽引車液壓驅動混合動力系統設計[J].機床與液壓，2009，37（12）.

[4] 陳彥秋.混合動力列車運行控制及能量管理策略研究[D].西南交通大學，2013.

[5] 趙新富.基于CVT的新型混合動力傳動系統設計與研究[D].重慶大學，2012.

[6] 于海生，王晨，張建武，等.基于工況分析的混合動力系統設計[J].汽車技術，2012，（2）.

[7] 朱志富.混合動力汽車傳動系統設計及其臺架試驗[D].重慶大學，2012.

作者簡介：陳世浩（1983-），男，河南新野人，中鐵二院工程集團有限責任公司工程師，碩士，研究方向：機務。

（責任編輯：小 燕）