8輛編組跨座式單軌車故障及救援模式優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

吳晶 薛浩飛

摘 要：8編組單軌車輛的運(yùn)營(yíng)最大的困難在于列車的救援。現(xiàn)有的8編組單軌車輛的車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)為350kN，經(jīng)理論計(jì)算，兩列8編組單軌車在進(jìn)行縱向救援連掛時(shí)車鉤及車體承受的強(qiáng)度已超出最大設(shè)計(jì)值，因此縱向救援連掛成為制約8編組單軌車輛應(yīng)用的難題。就此問題，本文從降低啟動(dòng)時(shí)的沖擊強(qiáng)度的角度著手，通過高加速的調(diào)整，坡起聯(lián)動(dòng)的施加以及主回路的改進(jìn)等措施，最終將此問題解決。

關(guān)鍵詞：8編組；單軌車；故障及救援

1 前言

作為世界上首例8編組跨座式單軌車，重慶三號(hào)線增購(gòu)車項(xiàng)目自項(xiàng)目立項(xiàng)開始就面臨諸多難題，其中一個(gè)主要焦點(diǎn)問題就是該車在故障及救援模式下的運(yùn)行能力。本項(xiàng)目經(jīng)過一系列的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等方面的工作，降低了發(fā)生救援的機(jī)率，提高了車輛在故障及救援模式下的運(yùn)行能力，增強(qiáng)了車輛的可用性。

2 8編組單軌車介紹

2.1 編組型式

跨座式單軌車每?jī)奢v車為一個(gè)牽引單元，8編組單軌車是在原6輛編組單軌車基礎(chǔ)上增加一個(gè)牽引單元，擴(kuò)編之后全車由4個(gè)相互獨(dú)立的牽引單元組成；每個(gè)單元包括完整的牽引傳動(dòng)及輔助電源系統(tǒng)。8編組跨座式單軌車車輛編組型式如圖1所示。

列車由8輛車組成，每輛均為動(dòng)車，每列車動(dòng)力轉(zhuǎn)向架占轉(zhuǎn)向架總數(shù)的3/4。

編組方式為：

×Mc1+M2+M4+M5+M7+M6+M3+Mc2×

Mc1和M2，Mc2和M3，M4和M5，M6和M7各為一動(dòng)力單元；列車分成兩個(gè)大單元，即笫1大單元（×Mc1+M2+M4+M5+）和笫2大單元（+M7+M6+M3+Mc2×）。

其中：

Mc1/Mc2 帶司機(jī)室動(dòng)車（帶有1個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架及1個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架）；

M2/M3/M4/M6 動(dòng)車（帶有2個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架）；

M5/M7 不帶司機(jī)室的動(dòng)車（帶有1個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和一個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架）。

2.2 車輛性能

8編組車輛主要性能如下：

（1）列車牽引性能

AW3負(fù)載、在干燥、清潔的平直軌道和額定電壓下列車速度從5km/h達(dá)到30km/h的平均加速度不低于0.833m/s2。

（2）牽引粘著系數(shù)計(jì)算值：不大于0.18（非常運(yùn)行時(shí)可達(dá)0.32）。

（3）列車制動(dòng)特性

AW3負(fù)載、在干燥、清潔的平直軌道和額定電壓下，最大常用制動(dòng)減速度：≥1.1m/s2；緊急制動(dòng)減速度：≥1.25m/s2。

（4）車體靜態(tài)壓縮試驗(yàn)載荷 350kN。

2.3 車輛故障及救援要求

（1）在坡度為50‰的上坡道上（坡長(zhǎng)不超過500m），一列處于超員（AW3）狀態(tài)下的并且切除了1/2動(dòng)力的列車（允許采用高加速控制），可載客運(yùn)行至就近的車站疏散旅客，退出運(yùn)營(yíng)。

（2）在坡度為50‰的坡道上（坡長(zhǎng)不超過500m），一列空載（AW0）并且健全的列車能夠牽引或推進(jìn)一列由相同數(shù)量車輛編組的處于超員（AW3）狀態(tài)下的失去動(dòng)力的列車上坡（可采用高加速控制），并運(yùn)行至就近的車站疏散乘客，退出運(yùn)營(yíng)。

3 故障及救援能力驗(yàn)證

3.1 理論驗(yàn)證

通過牽引計(jì)算，校核牽引系統(tǒng)自身故障及運(yùn)行能力。

故障及救援能力計(jì)算：

（1）正常工況牽引力設(shè)定

在接觸網(wǎng)壓DC1500V條件下，不同載荷下列車恒轉(zhuǎn)矩區(qū)牽引力設(shè)定如下：

AW0：236.90kN（9.97kN/電機(jī)）；

AW2：313.58kN（13.1kN/電機(jī)）；

AW0：342.99kN（14.3kN/電機(jī)）。

（2）故障運(yùn)行能力

按照車輛故障運(yùn)行能力要求，考核損失1/2動(dòng)力的情況下，AW3載荷車輛在線路最大坡道的啟動(dòng)能力。

根據(jù)前面設(shè)定，正常模式、AW3工況下，啟動(dòng)階段（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）全車牽引力為342.99kN，此時(shí)車輛啟動(dòng)加速度為-0.11m/s2，列車無法正常起動(dòng)，即列車按照正常AW3工況牽引力輸出不能保證此故障情況下的車輛運(yùn)行。

為保證列車在此故障下能正常起動(dòng)，引入高加速控制，此時(shí)取每臺(tái)電機(jī)最大起動(dòng)牽引力為21.67kN，全車牽引力為520kN，計(jì)算列車啟動(dòng)加速度為0.1391m/s?，滿足車輛坡道啟動(dòng)要求。

（3）救援能力

按照車輛運(yùn)行能力要求，救援能力考察在坡度為50‰的坡道上，一列空載（AW0）并且健全的列車能夠牽引或推進(jìn)一列由相同數(shù)量車輛編組的處于超員（AW3）狀態(tài)下的失去動(dòng)力的列車上坡。

正常模式、AW0工況下，啟動(dòng)階段（恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）全車牽引力為236.9kN，此時(shí)車輛啟動(dòng)加速度為-0.194m/s2，列車無法正常起動(dòng)，即列車按照正常AW0工況牽引力輸出不能保證此故障情況下的車輛運(yùn)行。

在8編組空車AW0救援8編組超載列車AW3的情況下，最終高加速的時(shí)間既要滿足不溜車也要滿足降低沖擊強(qiáng)度的要求此時(shí)取每臺(tái)電機(jī)最大起動(dòng)輪緣牽引力為16.7kN，計(jì)算列車啟動(dòng)加速度為0.0833m/s?，滿足車輛坡道啟動(dòng)要求。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

重慶三號(hào)線8編組通過一系列的救援試驗(yàn)，對(duì)車輛的故障救援運(yùn)行能力進(jìn)行了驗(yàn)證，并解決了前期牽引計(jì)算中的問題。

3.2.1 坡道停車問題

為防止坡道溜車，跨座式單軌車輛設(shè)置坡起按鈕。坡道起步時(shí)，激活該按鈕，制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)為車輛施加制動(dòng)4級(jí)空氣制動(dòng)，該制動(dòng)力設(shè)置為保證本列車可在線路最大坡道停放不遛車。當(dāng)進(jìn)入牽引模式時(shí)，坡起功能中的延時(shí)繼電器被激活，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，坡起功能（制動(dòng)力）自動(dòng)撤銷。

為保證救援功能順利實(shí)現(xiàn)，將坡起功能進(jìn)行擴(kuò)展，坡起按鈕信號(hào)通過救援車與故障車之間的車端鏈接線纜進(jìn)行傳遞，保證兩列車的坡起功能同時(shí)激活，各自施加保證自身不遛車的制動(dòng)力。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改造后的車輛坡起功能正常，連掛列車可在正線最大坡道平穩(wěn)停放，為救援功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

3.2.2 啟動(dòng)過程中車輛縱向擺動(dòng)過大問題

因跨座式單軌車輛采用橡膠輪胎，車輛的彈性緩沖相對(duì)較大，在進(jìn)行救援連掛推進(jìn)啟動(dòng)的過程中車輛的晃動(dòng)較大，為解決該問題，利用專用列車縱向動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，按照列車縱向動(dòng)力學(xué)理論，將整列車視為若干單自由度（縱向）質(zhì)點(diǎn)，通過對(duì)質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)微分方程組的逐步求解計(jì)算整個(gè)碰撞過程各個(gè)車位的加速度、車鉤力、速度歷程曲線，研究不同工況下車輛的受力情況。車輛動(dòng)力學(xué)模型示意如圖2所示：

結(jié)合對(duì)車輛每個(gè)結(jié)合面的動(dòng)力學(xué)分析，同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)救援列車單臺(tái)電機(jī)牽引力設(shè)定為16.7kN（高加速模式）、牽引力上升時(shí)間設(shè)定為4s時(shí)，在滿足車輛救援需求的情況下，對(duì)車輛每個(gè)接觸面的沖擊能夠達(dá)到最小。同時(shí)結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)情況，建議優(yōu)先采用救援車牽引故障車的救援操作方式。

4 降低救援概率的優(yōu)化措施

考慮到發(fā)生救援后對(duì)于整個(gè)線路運(yùn)營(yíng)的影響，需盡可能提高車輛的故障運(yùn)行能力，使車輛自身具備”自救”能力，最大程度降低車輛發(fā)生縱向連掛救援的概率。

為實(shí)現(xiàn)車輛的“自救”性能，提出了車輛高壓母線分?jǐn)嗉笆茈姽?dú)立控制方案。即將列車DC1500V高壓母線及AC380V母線在前后兩個(gè)大單元（4輛車）間進(jìn)行分?jǐn)啵囆纬蓛蓚€(gè)大的供電單元，兩個(gè)單元的受電弓可獨(dú)立進(jìn)行控制。該項(xiàng)改進(jìn)類似于4輛編組和4輛編組進(jìn)行連掛重聯(lián)運(yùn)行。

按照上述方式改造后，當(dāng)車輛發(fā)生母線接地故障無法復(fù)位后，司機(jī)可通過操作控制柜內(nèi)的“受電弓升弓選擇開關(guān)”，選擇升1弓（對(duì)應(yīng)前半列車）或升2弓（對(duì)應(yīng)后半列車），切除故障的一個(gè)大單元，然后用剩余大動(dòng)力單元（全列車1/2動(dòng)力）牽引運(yùn)行至就近車站清客，退出運(yùn)營(yíng)。此時(shí)原設(shè)計(jì)中可能需要救援的工況，轉(zhuǎn)化為車輛故障運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)了自救，最大程度的降低了車輛救援發(fā)生的概率。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在三號(hào)線最大坡度約50‰的線路上，可通過上述操作方式實(shí)現(xiàn)車輛故障運(yùn)行。

5 結(jié)論和建議

通過各種坡道及各種工況下的救援分析，以及現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，在滿足連掛車輛坡起功能正常施加的情況下，以上牽引力的設(shè)定可滿足車輛救援和自救需求。

為實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)營(yíng)中的救援任務(wù)同時(shí)保證救援中對(duì)車輛相關(guān)部件的沖擊降到最小，建議：

（1）建議以50‰設(shè)置高加速模式牽引力的輸出，滿足車輛救援需求的最小牽引力作為系統(tǒng)高加速模式對(duì)應(yīng)的牽引力，這樣既保障了正常救援，同時(shí)又降低了對(duì)電機(jī)、車輛、車鉤的沖擊。

（2）為進(jìn)一步降低對(duì)車輛和相關(guān)受力部件的沖擊，高加速中，將牽引力從0增長(zhǎng)到最大的時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，救援工況設(shè)定為4s、自救工況設(shè)定為2s。

（3）改進(jìn)各車輛的坡起聯(lián)動(dòng)功能，在坡道上進(jìn)行縱向連掛救援時(shí)兩列車的制動(dòng)同時(shí)施加和緩解，降低沖擊。

（4）考慮到單軌車輛的橡膠充氣輪胎以及空氣彈簧的緩沖影響，在坡道上為避免連掛后啟動(dòng)時(shí)的相對(duì)晃動(dòng)，在坡道上進(jìn)行8編組的連掛救援時(shí)宜采用：牽拉方式，盡量避免推進(jìn)。

同時(shí)對(duì)于后續(xù)的研發(fā)推廣的跨座式單軌車輛如何在保留單軌車輛的輕量化水平的基礎(chǔ)上提高車輛車體的靜強(qiáng)度載荷也是需要進(jìn)一步研究和解決的問題。

參考文獻(xiàn)

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[2]吳新安，吳晶，孫國(guó)斌.跨座式單軌車國(guó)產(chǎn)化牽引系統(tǒng)的研制[J].鐵道車輛，2012， 50（12）：33-35.

作者單位：（1.重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司；2.中車青島四方車輛研究所有限公司）