城市軌道交通車輛牽引系統自主化改造技術方案研究

李玉山，李思睿，薛 江，王江峰，安泊晨，祖紹鵬

（1.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2.天津一號線軌道交通運營有限公司，天津 300350）

1 引言

我國自20 世紀90 年代以來，為解決日益擁堵的城市交通問題，許多大中城市紛紛開始城市軌道交通建設。受國內技術水平的制約，其關鍵裝備如信號系統、供電、車輛牽引系統等均采用進口部件，很大程度上依賴于國外技術。如北京、上海、天津、廣州等國內較早開通城市軌道交通的城市，其車輛核心子系統均為進口部件，受早期技術發展水平的限制，現有車輛難以滿足日益提高的運營服務需求。面對車輛還未到達設計使用壽命，其備品備件卻面臨停產斷供等問題，如何改進車輛性能并使車輛更好的服役于全生命周期已成為運營方亟待解決的問題。目前已有大量學者開展針對車輛性能提升及進口設備改造的相關研究，文獻[3-5]分別對北京地鐵八通線、上海地鐵1 號線、廣州地鐵1 號線等線路老舊車輛提出整改優化方案，旨在提升車輛性能。

天津地鐵1 號線車輛采用長春軌道客車股份有限公司國產化車輛，其牽引系統采用日本三菱電機株式會社的進口產品。自2008 年開始運營至今已完成架修、大修，并將面臨第二輪架修。1 號線的現狀為車輛運營能耗大、控制精度差、牽引系統及配件面臨停產斷供等諸多問題。為此，本文結合天津地鐵1 號線現有車輛特性及線路特點提出高壓回路拓撲及牽引供電整改方案、網絡控車整改方案、輔助供電整改方案等自主化改造方案，并在整車上進行整改實施。整改后的車輛牽引特性與原車保持一致、車輛重量減少8 250 kg，經過仿真及計算可得，整車每年可節省電能約4 897 200 kW · h。實施改造方案后，整改車輛性能提高的同時產品技術水平也得以提升，車輛更加舒適、綠色、安全、可靠。

2 車輛總體技術指標

2.1 列車編組

天津地鐵1 號線列車為6 輛編組列車，動拖比為3: 3，具體編組方式為：+Tc-M+T-M+M-Tc+，其中M 車為動車，T 車為無司機室拖車，Tc 車為有司機室的拖車，“+”為半自動車鉤，“-”為半永久式牽引桿，列車采用三軌受流方式，如圖1 所示。

圖1 列車編組

2.2 車輛尺寸及載重

原車輛為非標準B 型車，其列車總長為11 800 mm，車輛重量、尺寸、載荷要求如表1 所示，改造設計應考慮車輛減重。

表1 車輛尺寸及載重（每人重量120 kg）

2.3 車輛主要技術參數

改造設計頂層技術指標遵循1 號線車輛技術指標要求，具體指標要求如表2 所示。

表2 車輛主要技術參數

改造設計時應充分考慮車輛故障狀態下的運行能力，該狀態下的能力要求主要為損失自身能力時的動力性能要求及作為救援車輛的能力，其車輛性能要求如表 3 所示。

表3 故障運行能力

3 牽引系統改造技術方案

3.1 系統配置

車輛牽引系統整改指在不改變重量分布和原有基本結構的情況下進行改造和布局設計，考慮各設計約束及成本因素，保留符合要求的輔助電源開關箱（IVS）、主熔斷器箱（MF）、母線隔離開關箱（BS）、主隔離開關箱（MS）、母線熔斷器箱（BF）、高速斷路器箱（HB）、接地開關箱（GS）、避雷器（Arr）、母線斷路器箱（BHB）等設備。在此基礎上對原車部分系統部件采取3 種整改措施：替換——整套替換、改造——進行部分改造使至滿足整改車輛系統接口、取消——不再使用原設備。其主要系統配置及整改措施如表4 所示。

表4 系統配置及整改措施

3.2 高壓拓撲及牽引供電系統方案

根據表4 的配置及整改措施，對車輛高壓回路拓撲進行設計，車輛母線采用全列貫通方式，母線通過BF箱及BHB 箱進行分段過流保護，從而提升母線故障時的車輛可用性。DC750V 電經車間電源箱（SPS）、IVS箱為輔助變流器供電。SPS 箱的不同檔位可實現輔助變流器由受流器供電、車間電源供電或接地3 個狀態的切換，列車網絡控制系統（TCMS）采集3 種狀態的位置反饋信號，從而進行車輛的聯鎖保護。高壓回路拓撲如圖2 所示。

圖2 列車高壓回路拓撲

原牽引供電系統由MF、BS、MS、HB、電抗器箱及牽引逆變器箱組成。其中1 臺牽引逆變器內含有2 臺功率單元，每臺功率單元為2 臺電機供電。整改后整列貫通的DC750V 電經MF、BS、MS 及HB 為牽引逆變器供電，電抗器集成在牽引逆變器箱內，牽引逆變器內的1 臺功率單元為4 臺電機供電。

3.3 網絡拓撲及緊急牽引

原車輛牽引系統相關指令傳輸采用硬線傳輸，其TCMS 系統不參與牽引系統及輔助供電系統的控制，牽引系統及制動系統間的傳輸采用列車硬線較多。隨著軌道交通車輛技術的發展，目前主流方案為TCMS 系統作為車輛的神經中樞，負責完成與各個子系統之間的數據傳輸、邏輯控制、故障診斷等工作，為列車安全運行提供保障。同時隨著車輛數據量的增加，以太網在提升列車維護效率、降低維護成本、列車智能化方面逐漸展現出獨特優勢。TCMS 系統從MVB 控車轉為以太網控車成為發展趨勢。

改造車輛牽引系統采用以太網控車和硬線控車相結合的控制方式。整車布局冗余以太網總線，牽引逆變器及輔助變流器控制系統具有冗余的以太網控車交互接口，通過以太網控車網絡交換機（ECNN）與TCMS 系統進行數據交互，網絡拓撲如圖3 所示。

圖3 列車牽引系統網絡拓撲結構

為保證TCMS 系統故障時車輛的可用性，改造時保留部分列車硬線，以確保在TCMS 故障時依然可以通過硬線信號實現牽引功能，同時使列車進入降級的緊急牽引模式并繼續運行，從而避免發生救援事故，以提高車輛的運營效率。當車輛通過緊急牽引模式開關進入緊急牽引模式時，緊急牽引指令列車線轉為有效，牽引系統將不再采信網絡系統的指令，而采用硬線指令進行控車。由于牽引模式為降級模式，為保證安全，向前時其限速為40 km/h，后退時為10 km/h，并由牽引系統實施相應限速保護。

3.4 輔助供電系統方案

原車輔助供電系統配置如表4 所示，整車共設3 臺輔助變流器，采用擴展供電方式進行供電，T 車兩側的M 車分別配置1 臺擴展供電箱，當某臺輔助變流器發生故障時可通過閉合對應擴展供電接觸器貫通AC380V 母線為故障車輛進行供電。相對于擴展供電，并網供電方式可通過3 臺輔助變流器為整列車負載同時供電，可極大提高列車供電系統的冗余性。因此，整改時將擴展供電箱改造為并網供電箱，并通過TCMS 系統來控制并網供電箱內并網開關的分斷和吸和，當出現母線短路故障時可分段供電，提高列車輔助供電系統的可用性，列車輔助供電系統拓撲結構如圖4 所示。原輔助逆變器采用工頻隔離，整改后的輔助逆變器采用高頻隔離，其在重量及效率等方面有明顯優勢。

圖4 輔助供電系統拓撲

4 改造方案可行性論證

為驗證上述改造方案的可行性，進行減重統計及仿真計算。方案實施后首先對組裝完成后的重量進行統計，統計計算表明減重效果明顯，減重詳細數值如表5所示。

表5 牽引系統減重統計表 kg

根據表2 載荷數據，每人重量按120 kg 計算，考慮表5 減重數據，原車及整改后的車輛各載荷下重量對比如表6 所示，考慮設備制造時的重量容差，實際車輛減重值為8 250 kg。

表6 改造前后各載荷車重對比 t

4.1 牽引性能設計

為適配原信號系統，牽引系統整改后的車輛加速度、減速度特性與原車保持一致，根據表6 載荷情況及表2 牽引性能要求對車輛牽引特性進行設計，其原車和整改車在AW3 載荷下的特性如圖5 所示。

根據圖5 原車電機恒功率及自然特性轉折點一致，整改后為減少閘瓦磨耗帶來的粉塵污染及降低能耗，設計時提高高速時電制動工況下恒轉矩速度轉折點，并降低停車時混合制動電空切換速度點，從而增加車輛在制動工況下的電制動占比，其數據對比如表7 所示。

圖5 AW3 載荷牽引、電制特性曲線

表7 改造前后各載荷車重對比

4.2 牽引能耗仿真分析

由于整車能耗由牽引能耗、再生能量、輔助變流器能耗組成，因此車輛減重、電制動特性提升、輔助變流器效率提高必然會使整改車能耗降低。整車能耗計算公式如下：

式（1）～式（4）中，Ecar為列車總能耗；Etr為列車牽引能耗；Ebr為列車再生能量；Eau為輔助變流器能耗；i為某兩站區段；m為線路總區段數量；n為牽引變流器數量；k為輔助變流器數量；Utr為牽引逆變器牽引工況下輸入電壓，Utr_i為第i區段牽引逆變器牽引工況下輸入電壓；Itr為牽引逆變器牽引工況下輸入電流，Itr_i為第i區段牽引逆變器牽引工況下輸入電流；Ubr為牽引逆變器制動工況下輸入電壓，Ubr_i為第i區段牽引逆變器制動工況下輸入電壓；Ibr為牽引逆變器制動工況下輸入電流，Ibr_i為第i區段牽引逆變器制動工況下輸入電流；Uau為輔助變流器輸入電壓，Uau_i為第i區段輔助變流器輸入電壓；Iau為輔助變流器輸入電流，Iau_i為第i區段輔助變流器輸入電流。

原車輔助變流器效率為90%以上，整改后車輛輔助變流器效率提升至92%，其效率提升數值僅在額定功率下才有參考意義，又由于輔助變流器容量裕度較大，車輛正常運營時輔助變流器不會工作在額定工況下，且輔助變流器工作狀態較為靜止，其原車和整改后車輛能耗差異僅為效率差異，故在此不再詳述，在原車和整改車能耗差對比時忽略此差值，因此牽引能耗差ΔEtr、再生能量差ΔEbr、整車能耗差ΔE如式（5）～式（7）。

式（5）～式（7）中Etr_o為原車牽引能耗；Ebr_o為原車再生能量；式中Etr_n為整改車牽引能耗；Ebr_n為整改車再生能量。根據式（2）和式（3）及線路數據，在AW3 載荷下對天津地鐵1 號線劉園站至雙橋河站全線共31 個區段進行原車及整改車運行仿真，其牽引能耗如圖6 所示，再生能量仿真如圖7 所示。

圖6 牽引能耗對比

圖7 再生能量對比

利用式（5）～式（7），對天津地鐵1 號線31 個站段原車和整改車能耗進行對比。

原車和整改車能耗值及能耗差值如表8 所示。

表8 原車和整改車能耗對比 kW · h

據統計天津地鐵1 號線車輛年運營里程為100 000 km，運營線路長度40 km，在線運營列車中24 列采用日本進口牽引系統，若該24 列車輛均采用本文所述的自主化方案進行改造，則全線每年可節約能耗為4 897 200 kW · h。

4.3 故障運行能力分析

列車故障工況下，考慮啟動阻力，車輛啟動加速度應大于0.083 m/s2，啟動單位阻力取經驗值Wq=4 N/kN，啟動加速度計算公式如下：

式（8）中，a表示列車加速度，m/s2；F表示列車牽引力，kN；f表示列車阻力，kN；M表示列車重量，t；m0表示列車轉動慣量，t。

列車在線路上運行時，牽引工況黏著通常限值0.16～0.18，列車故障或救援等特殊工況時，黏著最大限值為0.24，黏著系數計算公式如下：

式（9）中，μ表示列車黏著系數；F表示列車牽引力，kN；M0表示列車動車的重量，t。

根據表3 及式（8）、式（9）計算可知，當列車損失1/3 牽引動力時，在AW3 載荷下，啟動加速度可達0.31 m/s2，啟動黏著系數0.19，列車可以在30‰的坡道上啟動；在AW0 載荷下，啟動加速度0.29 m/s2，啟動黏著系數0.20，列車可以在35‰的坡道上啟動。如仿真圖8 所示，列車運行速度平衡點在60 km/h 左右，可以正常完成一次單程運行。

圖8 1/3 動力損失運行能力仿真

一列6 輛編組的AW0 載荷列車救援另一列停在30‰坡道上的6 輛編組AW3 載荷故障列車，根據式（8）、式（9）計算，啟動加速度0.09 m/s2，啟動黏著系數0.21，滿足啟動需求。

一列6 輛編組的AW0 載荷列車救援停在35‰坡道上的6 輛編組AW0 載荷故障列車，根據式（8）、式（9）計算，啟動加速度0.12 m/s2，啟動黏著系數0.21，滿足啟動需求。

5 結論

本文對天津地鐵1 號線車輛提出自主化改造方案，在保證原車輛主體結構及整車牽引特性不變的情況下，提高車輛性能指標，提升車輛技術水平，使車輛在剩余壽命周期內更好的服務運營。整改車輛依據GB/T 14894-2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規則》完成車輛各項試驗，驗證自主化改造方案切實可行，與原車對比優勢明顯。

我國早期發展軌道交通的城市車輛牽引系統較多采用進口系統，同樣面臨文中所闡述的同類問題。本項目整改后車輛更加節能、綠色、舒適、安全、可靠，可為類似自主化改造項目提供參考與借鑒。