一種用于高速動車組碰撞試驗的驅(qū)動車設(shè)計

王增寶，方繼武，游 帥

( 1.寶雞中車時代工程機械有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412000； 2.株洲時代電子技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

用于高速動車組碰撞試驗的驅(qū)動機車(以下簡稱試驗驅(qū)動車)是根據(jù)用戶的碰撞試驗需求研發(fā)的。目前碰撞試驗主要以內(nèi)燃軌道車作為動力，牽引被試車輛完成碰撞試驗。但在實際運用過程中，由于內(nèi)燃機車對試驗速度的控制精度較差，運行過程中產(chǎn)生的噪音和排放的廢氣對周邊環(huán)境和人員造成影響，而且試驗過程也存在一定的操作人員安全風險，因此，有必要設(shè)計一種智能、綠色、環(huán)保的試驗驅(qū)動車。

試驗驅(qū)動車最高速度須達到 80 km/h；具備恒速控制功能，且速度在3～66 km/h可調(diào)節(jié)；具備地面遠程控制和車內(nèi)人工控制2種模式；具備自動脫鉤、車內(nèi)控制脫鉤和地面控制脫鉤3種模式；同時，還應滿足我國寒冷地區(qū)的環(huán)境條件。試驗驅(qū)動車使用環(huán)境條件如表1所示。

表1 試驗驅(qū)動車使用環(huán)境條件

2 設(shè)計思路

2.1 技術(shù)路線

為了滿足用戶需求，試驗驅(qū)動車技術(shù)路線主要包含以下幾個方面。

1)采用磷酸鐵鋰電池作為動力源。磷酸鐵鋰電池具有大倍率充放電特性，且能量密度高，相比其他電池性價比高。

2)采用直交電傳動技術(shù)，電制動可以實現(xiàn)車輛恒速精確控制、回收制動能量等。直交電傳動效率高，能有效提高能源利用率。

3)車內(nèi)設(shè)置2個司控臺，實現(xiàn)車上控制；地面設(shè)置1個司控臺，通過無線通信系統(tǒng)，對試驗驅(qū)動車遠程控制，提高試驗過程的安全性。

4)采用高精度射頻識別技術(shù)，對車輛精確定位，實現(xiàn)自動控制功能。

5)采用密接式車鉤連掛。在車輛運行狀態(tài)下可以自動解鉤，并且可以減小車鉤沖擊對試驗速度的影響。

2.2 牽引制動特性

試驗驅(qū)動車屬于牽引車。整車最大起動牽引力為90 kN，最大輪周功率為380 kW，恒力階段為0～15.2 km/h，恒功階段為15.2～80 km/h。整車最大電制動力為40 kN，最大電制動功率為95 kW。根據(jù)實際工況需求，電制動有效速度范圍為3～66 km/h。其中，3～8.5 km/h為恒力階段，8.5～66 km/h為恒功階段。牽引制動特性曲線如圖1所示。

圖1 牽引制動特性曲線

2.3 主要性能參數(shù)

試驗驅(qū)動車主要性能參數(shù)如表2所示。

3 主要部件設(shè)計

3.1 試驗驅(qū)動車組成

試驗驅(qū)動車采用單司機室，中間布置設(shè)備，兩側(cè)采用外走廊結(jié)構(gòu)形式。試驗驅(qū)動車主要由車體、車鉤緩沖裝置、轉(zhuǎn)向架、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成。試驗驅(qū)動車組成如圖2所示。

3.2 車體

車體是試驗驅(qū)動車的承載部件，采用底架單獨承載全鋼焊接結(jié)構(gòu)，同時具有足夠的強度和剛度。車體由底架、司機室、蓄電池箱、地板、欄桿、排障器等組成。司機室和電池箱坐落在底架上方并與之形成焊接結(jié)構(gòu)，以適當增加車體剛度。車體兩側(cè)設(shè)有走廊，司機室前后端墻設(shè)有通往走廊的過道門，可保證整車前后端貫通。欄桿設(shè)計成可拆卸形式，以便于車上設(shè)備吊裝和維護。車體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2 試驗驅(qū)動車主要性能參數(shù)

1—車鉤緩沖裝置；2—車體；3—轉(zhuǎn)向架；4—電氣系統(tǒng)；5—輔助設(shè)備；6—制動系統(tǒng)。

1—地板；2—電池箱；3—司機室；4—欄桿；5—排障器；6—底架。

3.3 車鉤緩沖裝置

車鉤選用密接式車鉤。密接式車鉤可以與試驗車輛車鉤直接連掛，不需要借用過渡車鉤。密接式車鉤設(shè)有解鉤氣缸，氣缸連通車輛風源后，可以推動鉤舌動作，另外，車鉤設(shè)有車鉤開閉狀態(tài)檢測裝置，可以將車鉤狀態(tài)信號反饋到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)自動解鉤功能。密接式車鉤結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4 轉(zhuǎn)向架

試驗驅(qū)動車采用電傳動轉(zhuǎn)向架，主要由構(gòu)架、懸掛裝置、牽引裝置、驅(qū)動裝置、基礎(chǔ)制動裝置、接地裝置和管路附屬件等組成。構(gòu)架采用H型整體焊接結(jié)構(gòu)。一系懸掛裝置采用螺旋彈簧，二系懸掛裝置采用橡膠旁承，牽引裝置采用Z字型拉桿結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)低位牽引。牽引電機采用剛性懸掛，通過聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱聯(lián)接，軸箱采用轉(zhuǎn)臂式定位結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)制動采用踏面制動。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—連掛機構(gòu)；2—解鉤氣缸；3—安裝吊座；4—檢測裝置；5—回轉(zhuǎn)機構(gòu)。

1—構(gòu)架；2—牽引電機；3—二系橡膠旁承；4—輪緣潤滑器；5—齒輪箱；6—聯(lián)軸節(jié)；7—軸端接地裝置；8—單元制動器；9—牽引裝置；10—軸箱；11—一系鋼彈簧；12—輪對。

3.5 空氣制動系統(tǒng)

試驗驅(qū)動車制動系統(tǒng)采用電空制動機系統(tǒng)，主要由風源系統(tǒng)、DK型制動機、基礎(chǔ)制動裝置、電子防滑系統(tǒng)和空氣管路等組成。DK型制動機作為車輛的主制動機，采用微機控制，可以與整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信。每根軸的基礎(chǔ)制動分別由采用帶停放制動的單元制動器和不帶停放制動的單元制動器組成。帶停放制動的單元制動器可滿足車輛單機在40‰坡道的停放要求。

3.6 電氣系統(tǒng)

3.6.1 主電路

試驗驅(qū)動車主電路主要由牽引蓄電池系統(tǒng)、牽引蓄電池配電箱、線路電抗器、牽引逆變器、充電機和牽引電機等組成。牽引蓄電池通過牽引蓄電池配電箱、高壓柜，為牽引逆變器和輔助逆變器供電。牽引逆變器將輸入直流電壓逆變成VVVF三相交流電，分別給2個轉(zhuǎn)向架上的4臺牽引電機供電。外接AC 380 V電源通過充電機為牽引蓄電池充電。主電路結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.6.2 輔助供電系統(tǒng)

輔助供電系統(tǒng)通過輔助逆變器為整車輔助負載供電。輔助逆變器從牽引蓄電池配電箱取電，將高壓直流電通過逆變、濾波、隔離后，輸出三相四線交流電源。輔助逆變器主要為空壓機、空調(diào)、控制蓄電池充電機、電暖器、插座等負載提供AC 380 V/220 V交流電。輔助供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 主電路結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)

圖7 輔助供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.6.3 電池系統(tǒng)

牽引蓄電池系統(tǒng)由磷酸鐵鋰電池、電池管理系統(tǒng)、蓄電池配電箱、充電機等附件組成。磷酸鐵鋰電池容量為318 kW·h，單體電壓3.2 V，動力電池系統(tǒng)以2并240串成組，總共10箱。電池系統(tǒng)標稱電壓772.8 V。牽引電池配電箱主要用于保護牽引蓄電池，充電機主要用于監(jiān)視牽引蓄電池充電及充電狀態(tài)，并集成電池管理系統(tǒng)功能，充電機功率為60 kW。

3.6.4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

試驗驅(qū)動車控制系統(tǒng)基于MVB網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并采用成熟的DTECS-2平臺模塊。牽引逆變器、輔助逆變器、制動控制單元直接接入MVB主控網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。電池管理系統(tǒng)、位置信號系統(tǒng)、充電機分別通過CAN和RS485通信接口，與MVB主控網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。地面控制臺也采用MVB網(wǎng)絡(luò)通信，與車載司控臺通過無線電臺進行通信，實現(xiàn)對試驗驅(qū)動車遠程控制。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)負責機車級控制，主要包括協(xié)調(diào)驅(qū)動車各部分運行，實施驅(qū)動車部分邏輯控制，實現(xiàn)驅(qū)動車牽引制動特性給定、恒速控制等。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

4.1 遠程控制

試驗驅(qū)動車具備車上操控和遠程控制2種操作模式。可以通過遠端地面控制臺對驅(qū)動車實施控制。地面控制臺和車載控制臺均設(shè)置無線重聯(lián)控制單元，2個無線重聯(lián)控制單元之間可以實時通信。通過無線通信可以在遠端實現(xiàn)試驗控制驅(qū)動車牽引、制動和解鉤等。

圖8 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

4.2 自動控制

在軌道線路布置信標，在試驗驅(qū)動車上安裝信標閱讀器。位置信號系統(tǒng)通過射頻識別技術(shù)可以實現(xiàn)車輛的準確定位，同時反饋位置信息到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過邏輯運算，觸發(fā)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應動作。試驗驅(qū)動車自動控制功能主要包括自動解鉤、常用制動和緊急制動。

4.3 高速運行狀態(tài)下解鉤

根據(jù)用戶試驗要求，試驗驅(qū)動車牽引試驗車輛達到指定速度后2車需要分離，試驗車輛惰行，直至完成碰撞試驗。在試驗過程中需要在高速運行狀態(tài)下發(fā)生解鉤，同時驅(qū)動車進行制動。試驗驅(qū)動車和試驗車輛分離之前一直保持恒速運行。根據(jù)恒速控制原理，車鉤之間的受力是拉力和壓力不斷轉(zhuǎn)換的過程，而解鉤氣缸的風壓是持續(xù)的，因此車鉤可以順利解開。解鉤到位后，車鉤上的檢測裝置會檢測到車鉤已處于打開狀態(tài)，則驅(qū)動車施加常用制動，2車發(fā)生分離。高速運行狀態(tài)下的解鉤也經(jīng)過了多次試驗驗證，設(shè)計有效、可行。

5 結(jié)語

試驗驅(qū)動車集成了多種先進技術(shù)，實現(xiàn)了碰撞試驗的特殊功能要求，并且充分考慮車輛的安全性、可靠性、經(jīng)濟性和互換性。與傳統(tǒng)的試驗用牽引車相比，電傳動效率更高，動力更加節(jié)能環(huán)保，控制技術(shù)更加智能化。該車已經(jīng)在用戶試驗線路經(jīng)過多次試驗驗證，各項性能指標符合設(shè)計要求。該車的成功研制，為軌道車輛碰撞試驗的精確性和安全性提供了保障，也為后續(xù)軌道工程車智能化控制提供了參考。