下一代地鐵平臺制動電阻研制易

萬成　彭自堅

摘要：介紹了下一代地鐵平臺制動電阻工作原理，關聯關系。重點分析了該制動電阻的性能參數，主要結構設計，并對電阻單元、熱設計、保護等方面內容進行了簡述。

關鍵詞：軌道車輛;制動電阻;溫升;熱設計

0 ?引言

下一代地鐵平臺牽引系統研制是為了滿足城市軌道客戶技術要求并在提高系統可靠性的情況下達到減重、降本目的而研制的一套平臺類牽引電氣系統。制動電阻是該牽引電氣系統的一個關鍵部件，其對實現列車平穩操控，保證列車運行安全，減少閘瓦和車輪磨損，車輛自動控制方面有著十分重要意義。

1 ?工作原理

制動電阻是軌道車輛進行電制動時的功率耗散裝置。當車輛處于電制動工況時，牽引電機轉變為發電機，并產生反力矩促使車輛減速，產生的電能如果不能回饋電網或儲存起來會造成電網壓升高，這對電站設備和車輛運行非常不利，因此需要制動電阻將剩余的能量消耗掉。同時車輛在運行的過程中有時會遇到輪對空轉、跳弓等瞬態過程，從而引直流電壓的上升，為了防止直流電壓上升超過允許范圍，也需要通過制動電阻的開通來降低相應的過電壓。制動電阻內部電路原理圖見圖1。

2 ?主要技術參數

額定電阻值（20℃） ? ? ?; ? ? ? ? 2×2.6Ω（-5%～+5%）

額定工況下的最大電阻值 ? ? 2×3.2Ω

額定工作電壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DC 1800V

最大溫升 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?600K

電阻帶材料 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 鎳鉻合金

風機流量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.7m3/s

風機風壓 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?300Pa空氣入口20℃

噪聲 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ≤78dB（A）

3 ?總體結構及主要功能單元

3.1 總體結構

本制動電阻主要由構架、電阻單元、斜流風機、控制信號盒、面板和排風罩等部件組成，詳見圖2，制動電阻通過構架上的兩根直梁托裝在車輛底架的橫梁上。

電阻單元安裝在不銹鋼制成的構架內。電阻單元上安裝有導軌，利用導軌可以將電阻單元沿軌道推入構架。制動電阻是安裝在車輛底部，對于以往制動電阻單元都是采用下抽拉，而當制動電阻安裝在車底后，其底部已經靠近軌道導軌，電阻單元向下抽拉時候被軌道導軌擋住抽不出來，往往需要將制動電阻從車輛上拆卸下來后才能維護與更換單元，針對這一情況，本制動電阻采用單元側抽來結構方式，利用上板與下板組成一個軌道系統，用戶只需將電阻單元間的連接母排拆除，并松開固定電阻單元的擋板螺釘即可將電阻單元從構架中卸下進行更換，這樣在不拆卸制動電阻時就能維護電阻單元，極大的減少了維護時間和成本。

風機安裝在構架的前端，為電阻單元提供冷卻空氣，風機網罩阻止風機吸入異物。排風罩安裝在構架的后端，為冷卻電阻單元的空氣提供出口，排風罩出口朝下使經過了電阻帶加熱的熱空氣吹到地面，而減小對周圍設備影響。

建立有限元力學模型，利用結構強度分析對制動電阻結構進行優化設計。優化后比優化前重量減輕11%。

3.2 電阻單元設計

電阻單元采用模塊化，抽屜式設計，電阻單元可以完全互換，整個單元采用雙重絕緣設計，第一重絕緣為電阻帶與絕緣螺桿之間的絕緣，第二重絕緣為絕緣螺桿與導軌之間的絕緣。（圖3）

制動電阻的開通將會使得電阻帶的溫度升高。為保證制動電阻在高溫狀態下正常工作，電阻元件采用既有產品使用過的鎳鉻合金材料，電阻帶表面沖有加強筋，既提高了受熱抗變形能力也增大了散熱系數。

3.3 熱仿真分析

環境溫度為45℃時，電阻帶最高允許工作溫度：640℃

根據公式：

其中：T：瞬態溫度;T：初始溫度;kt：傳導系數;Kc：散熱系數;A：散熱面積。

電阻帶的參數為：電阻帶質量M=31.8kg，散熱面積A=12.8m2。散熱系數Kc=97（W·K/m2），傳導系數kt=1.99，根據制動電阻的負荷條件，將以上各參數代入公式利用Matlab編程仿真得到的電阻帶最熱點的溫度變化曲線如圖4所示。

從圖4中的結果可知，最熱層電阻帶最高溫度為：545.9℃，該溫度滿足<640℃的要求。

4 ?試驗驗證

為了驗證制動電阻是否滿足設計需求，依據相關標準，對制動電阻做了多項型式試驗，溫升試驗電阻帶最高溫升為556K，噪音值為76dB（A），所有試驗均通過，滿足設計要求。

5 ?結論

制動電阻的技術性能及可靠性要求均滿足設計要求，通過型式試驗考核。此制動電阻對于以往產品，在降成本、降重、增加可靠性、及維護方面都有很大的提高 ，同時平臺化的設計對以后制動電阻設計具有很重要的指導作用。下一代地鐵平臺制動電阻現已經在長沙地鐵一號線上開始批量應用。

參考文獻：

[1]陳義正.LQ36型內燃機車制動電阻裝置[J].機車電傳動， 2009.

[2]劉嚴.制動電阻通風及溫升計算探討[J].電力機車技術， 2002.

[3]朱序章.人機工程學[M].西安：西安電子科技大學出版社， 2001.