時(shí)速160km鼓形動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)總體設(shè)計(jì)

王 松 ,戚百靈 ,楊俊鋒

(1.中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司,遼寧 大連 116022;2.大連交通大學(xué),遼寧 大連 116028)

時(shí)速160 km 動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組是由中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司主導(dǎo)研制開(kāi)發(fā)的,用于在普速線路上開(kāi)通動(dòng)車(chē)組列車(chē),提升客運(yùn)列車(chē)運(yùn)行品質(zhì)。為解決走廊過(guò)道尺寸小、座椅相對(duì)較窄等問(wèn)題,將動(dòng)車(chē)組外形改為鼓形,車(chē)寬由3 105 mm 變更為3 360 mm。作為整列動(dòng)車(chē)組動(dòng)力源的動(dòng)力車(chē),也需要同時(shí)改為鼓形車(chē)體,進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和提升,為此筆者公司進(jìn)行了時(shí)速160 km 鼓形動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“動(dòng)力車(chē)”)的研制工作,該車(chē)是在FXD3-J型動(dòng)力車(chē)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),運(yùn)行于普通線路的動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)。

1 動(dòng)力車(chē)的主要技術(shù)特點(diǎn)

1.1 主要變化項(xiàng)點(diǎn)

動(dòng)力車(chē)采用異步牽引電機(jī)、臥式主變壓器、IGBT 元件組成的水冷變流器、單軸控制、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、電子控制的制動(dòng)系統(tǒng)、全懸掛轉(zhuǎn)向架、獨(dú)立通風(fēng)冷卻等技術(shù),單軸功率≥1 400 kW,最高運(yùn)營(yíng)速度160 km/h,適應(yīng)我國(guó)鐵路使用環(huán)境。圖1為時(shí)速160 km 動(dòng)力車(chē)外形圖。

圖1 時(shí)速160 km 動(dòng)力車(chē)外形圖

相比較既有動(dòng)力車(chē),鼓形動(dòng)力車(chē)主要變化項(xiàng)點(diǎn)如下:

(1) 車(chē)體寬度增加,側(cè)面變?yōu)楣男?司機(jī)室流線形做相應(yīng)調(diào)整;

(2) 通信網(wǎng)絡(luò)由Lon Works/MVB 變?yōu)镋TH/MVB;

(3)DC 110 V 供電、停放制動(dòng)、安全環(huán)路一體化設(shè)計(jì);

(4) 車(chē)端間距變化,后端密接式車(chē)鉤向后移動(dòng)138 mm,取消后端墻的折棚風(fēng)擋過(guò)渡架,重聯(lián)插座和列車(chē)供電插座相應(yīng)變化;

(5) 頭罩、內(nèi)裝、操縱臺(tái)、前窗玻璃、側(cè)窗玻璃、側(cè)開(kāi)窗、遮陽(yáng)簾、側(cè)入口門(mén)、側(cè)入口門(mén)鎖、扶手桿根據(jù)鼓形變化進(jìn)行相應(yīng)變化;

(6) 折棚風(fēng)擋、外風(fēng)擋、導(dǎo)流罩、司機(jī)座椅根據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行變更;

(7) 保溫材料、地板根據(jù)司機(jī)室空氣質(zhì)量控制要求進(jìn)行變更。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

1.2.1 技術(shù)參數(shù)

表1為時(shí)速160km 動(dòng)力車(chē)主要技術(shù)參數(shù)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.2.2 功率發(fā)揮基本要求

動(dòng)力車(chē)功率發(fā)揮不得低于圖2所示的曲線。由圖2可知,在22.5 kV到29 kV網(wǎng)壓下,輪周功率為5 600 kW;網(wǎng)壓從22.5 kV到19 kV,輪周功率從5 600 kW線性減小,網(wǎng)壓在19 kV時(shí),輪周功率為4 729 kW;網(wǎng)壓從19 kV到17.5 kV,輪周功率從4 729 kW線性下降到0;網(wǎng)壓從29 kV到31 kV,輪周功率從5 600 kW線性下降到0。

圖2 功率發(fā)揮曲線

1.2.3 牽引特性

牽引特性曲線和再生制動(dòng)特性曲線見(jiàn)圖3。

圖3 牽引制動(dòng)特性曲線

由圖3可知,本車(chē)啟動(dòng)牽引力≥240 kN,持續(xù)制牽引力≥212 kN,最大再生制動(dòng)力(車(chē)鉤處)≥153 kN,牽引工況下的恒功率速度范圍為95～160 km/h,再生制動(dòng)工況下的恒功率速度范圍為132～160 km/h。

2 動(dòng)力車(chē)的總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備布置

動(dòng)力車(chē)為單司機(jī)室的4軸機(jī)車(chē),司機(jī)室位于動(dòng)力車(chē)的前端,后部為機(jī)械間。機(jī)械間內(nèi)設(shè)置700 mm 寬的十字形通道,在通道的兩側(cè)以大部件斜對(duì)稱(chēng)原則排列著牽引變流柜、復(fù)合冷卻器、牽引電機(jī)風(fēng)機(jī)、電氣屏柜和空氣壓縮機(jī)等設(shè)備。在車(chē)體下部設(shè)有兩臺(tái)2軸轉(zhuǎn)向架及牽引變壓器,在頂蓋上設(shè)有受電弓、避雷器和車(chē)頂絕緣子。動(dòng)力車(chē)入口門(mén)設(shè)置在機(jī)械間內(nèi),左右側(cè)各一個(gè);尾端設(shè)端門(mén),用于編組后由此門(mén)進(jìn)入拖車(chē);尾端還設(shè)有內(nèi)外風(fēng)擋。動(dòng)力車(chē)設(shè)備布置如圖4所示。

圖4 動(dòng)力車(chē)設(shè)備布置圖

2.2 總體設(shè)備布置原則

設(shè)備布置的總原則是車(chē)上全部設(shè)備的重力矩盡量平衡,車(chē)上所有設(shè)備的總重心盡量靠近動(dòng)力車(chē)的中心線。動(dòng)力車(chē)質(zhì)量分配計(jì)算的坐標(biāo)系定義如圖5所示。

圖5 動(dòng)力車(chē)坐標(biāo)系

以重心的X軸方向距離計(jì)算為例:

式中:Xg為車(chē)上所有設(shè)備的重心與動(dòng)力車(chē)橫向中心線的距離,mm;Gi為車(chē)上單個(gè)設(shè)備的質(zhì)量,kg;Xi為單個(gè)設(shè)備與動(dòng)力車(chē)橫向中心線的距離,mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般Xg控制在±6 mm 之內(nèi)比較理想,重心與縱向中心線的距離Yg的值應(yīng)控制在±1 mm 之內(nèi)。總體布置除了要考慮重心的平衡,還考慮了如下因素:

(1) 為實(shí)現(xiàn)模塊化、通用化,車(chē)上各大部件盡可能采用成熟的電力機(jī)車(chē)平臺(tái)產(chǎn)品;

(2) 為控制重心,變流柜、復(fù)合冷卻器、牽引通風(fēng)機(jī)等大部件采用斜對(duì)稱(chēng)布置,質(zhì)量較大的部件盡可能布置在動(dòng)力車(chē)的后端,來(lái)平衡流線型司機(jī)室的重心;

(3) 為方便吊裝設(shè)備,變流柜、復(fù)合冷卻器等大設(shè)備要避開(kāi)活動(dòng)梁的位置,活動(dòng)梁的布置要保證3個(gè)頂蓋的長(zhǎng)度相差不大;

(4) 為縮短車(chē)長(zhǎng),各設(shè)備之間盡量緊湊,本車(chē)屏柜之間的間距設(shè)定為20 mm;

(5) 為避免發(fā)生電磁干擾,強(qiáng)電屏柜與弱電屏柜盡量遠(yuǎn)離;

(6) 電氣屏柜的布置盡可能減少走線的距離,避免走線橫跨中間走廊;

(7) 制動(dòng)系統(tǒng)各部件盡量布置在一個(gè)區(qū)域,減少空氣管路的長(zhǎng)度和管接頭的使用;

(8) 各類(lèi)屏柜盡量要求從走廊側(cè)檢修或接線管,無(wú)法實(shí)現(xiàn)該要求的要考慮預(yù)留檢修空間;

(9) 突出底架面的4 個(gè)旁承座對(duì)設(shè)備布置的影響;

(10) 牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)和頂蓋進(jìn)風(fēng)道的相對(duì)關(guān)系,牽引電機(jī)風(fēng)道的合理布置;

(11) 復(fù)合冷卻器、變流柜等需要與底架連通的部件的位置與底架的各梁的布置關(guān)系;(12) 出入動(dòng)力車(chē)的兩側(cè)入口門(mén)盡量靠近司機(jī)室;(13) 將一些單獨(dú)安裝的散件進(jìn)行集成,組成列供配電柜。

根據(jù)上述布置原則,形成了動(dòng)力車(chē)的機(jī)械間總體設(shè)備布置,目的是在保證可靠性的基礎(chǔ)上提高檢修的便利性、機(jī)械間的美觀性,同時(shí)考慮了成本的控制。

2.3 軸重控制策略

動(dòng)力車(chē)的軸重為19.5 t,相比較直車(chē)體,車(chē)寬從3 105 mm 增加到3 360 mm,車(chē)身變?yōu)楣男?由于底架加寬,增加了車(chē)頂導(dǎo)流罩,為保證軸重要求,動(dòng)力車(chē)必須減重。

為了控制所有裝車(chē)部件的質(zhì)量,制定《時(shí)速160公里鼓形動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)車(chē)上設(shè)備組裝前稱(chēng)重技術(shù)條件》,要求所有部件裝車(chē)前必須稱(chēng)重,稱(chēng)重不合格不允許裝車(chē)。

2.4 限界計(jì)算

該車(chē)車(chē)寬從3 105 mm 增加到3 360 mm,必須進(jìn)行限界校核以保證運(yùn)行安全。根據(jù)GB 146.1—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌矩鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛限界》規(guī)定,在確定機(jī)車(chē)車(chē)輛最大容許制造寬度時(shí),計(jì)算車(chē)輛在曲線半徑為300 m的計(jì)算曲線上,其中部和端部的最大偏移量為135 mm 和147 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,時(shí)速160 km 鼓形動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)的最大容許制造寬度為3 400 mm。若鼓形車(chē)體的最大車(chē)寬為3 360 mm,符合GB 146.1—1983的限界要求。

2.5 車(chē)鉤曲線通過(guò)計(jì)算

由于該車(chē)車(chē)寬增大,后端車(chē)鉤銜接線縮短138 mm,所以必須對(duì)該車(chē)通過(guò)曲線時(shí)的車(chē)鉤擺角及車(chē)端最小間隙進(jìn)行校核,以保證行車(chē)安全。按照趨向安全考慮,車(chē)鉤通過(guò)曲線的狀況是緩沖器全壓縮時(shí)的工況最?lèi)毫?所以計(jì)算時(shí)緩沖器按全壓縮來(lái)考慮。根據(jù)要求確定如下線路:

(1) 圓曲線:R145 m,緩沖器全壓縮;

(2) 圓曲線+切線:R145 m,緩沖器全壓縮;

(3)S曲線:R145 m S曲線夾9.5 m 直線,緩沖器全壓縮。

對(duì)以上3種工況進(jìn)行模擬計(jì)算,表2為車(chē)鉤曲線通過(guò)的計(jì)算結(jié)果。

表2 車(chē)鉤曲線通過(guò)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出,車(chē)鉤在通過(guò)曲線的偏轉(zhuǎn)角度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,車(chē)端間距符合安全設(shè)計(jì)要求。

3 子系統(tǒng)

動(dòng)力車(chē)由電氣系統(tǒng)、車(chē)體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、變壓器系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等組成。

電氣系統(tǒng)由高壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、列車(chē)供電系統(tǒng)等組成。高壓系統(tǒng)采用車(chē)內(nèi)網(wǎng)側(cè)柜技術(shù);牽引系統(tǒng)采用全去耦、輕量化牽引變壓器、輕量化牽引變流器(集成主輔變流器、輔助濾波及列供技術(shù))、大容量牽引電機(jī),完全獨(dú)立的軸控技術(shù);輔助系統(tǒng)采用兩組輔助變流器,互為冗余;列車(chē)供電系統(tǒng)采用兩組200 kW水冷列供單元,通過(guò)列供配電柜可提供2 路200 kW或1路400 kW列車(chē)DC 600 V 供電電源。

車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)采用輕量化鼓形車(chē)體,整體承載結(jié)構(gòu),單層鋁合金活動(dòng)頂蓋,頭罩式司機(jī)室,車(chē)頭設(shè)置開(kāi)閉機(jī)構(gòu)。

轉(zhuǎn)向架采用兩軸Bo-Bo 轉(zhuǎn)向架,低位推挽牽引桿,電機(jī)對(duì)置彈性架懸驅(qū)動(dòng),鑄鋁承載式齒輪箱,輪盤(pán)制動(dòng)方式。主要由構(gòu)架、一系懸掛裝置、牽引裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、電機(jī)懸掛裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等部件組成。

制動(dòng)系統(tǒng)為基于分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制的微處理式電空制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)按功能分為風(fēng)源系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、輔助控制和基礎(chǔ)制動(dòng)四大部分。

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)由2個(gè)牽引通風(fēng)機(jī)、2個(gè)復(fù)合冷卻器等組成,采用獨(dú)立通風(fēng)冷卻,機(jī)械間正壓技術(shù),鋁制風(fēng)機(jī)。

牽引變壓器由1個(gè)原邊繞組、4個(gè)牽引繞組、2個(gè)輔助繞組(如有)、2個(gè)列車(chē)供電繞組等構(gòu)成,采用油循環(huán)、強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。諧振電抗器、輔助繞組安裝在主變壓器油箱內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用符合IEC 61375-1:1999《鐵路電氣設(shè)備-列車(chē)總線 第1部分 列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)》的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)。列車(chē)級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)為WTB,實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互控;車(chē)輛級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)為MVB+ETH,互為冗余。微機(jī)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、模塊化,使動(dòng)力車(chē)具有控制、診斷、檢測(cè)、傳輸、顯示和存儲(chǔ)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

時(shí)速160km 鼓形動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)是在時(shí)速160km 動(dòng)力集中動(dòng)車(chē)組動(dòng)力車(chē)基礎(chǔ)上優(yōu)化升級(jí)的平臺(tái)產(chǎn)品,為中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)公司在既有線路上提高旅客運(yùn)輸品質(zhì)而研發(fā)設(shè)計(jì)的。本文闡述了動(dòng)力車(chē)總體設(shè)計(jì)的概念、思路及頂層設(shè)計(jì)參數(shù),可對(duì)機(jī)車(chē)的總體設(shè)計(jì)提供參考、借鑒。