轻轨车辆用混合动力牵引传动系统的设计探讨

摘要：轻轨车辆在我国各城市的应用越来越广泛，有关轻轨车辆用混合动力牵引传动系统的研究也越来越多。文章针对轻轨车辆的应用现状，对轻轨车辆用混合动力牵引传动系统的技术需求及其设计方法进行了分析。

关键词：轻轨车辆；混合动力；牵引传动系统；轨道交通；供电网络 文献标识码：A

中图分类号：U266 文章编号：1009-2374（2016）17-0096-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.17.046

目前，我国的工业化发展步伐进一步加快，城市人口也越来越多，随之而来的是城市汽车数量的大量增加，汽车尾气造成的污染日益严重，这对人们生活水平的提升造成了一定的阻碍。伴随时代的进步与发展，人们开始意识到保护生态环境的重要性，为了减轻城市生态环境的负担，越来越多的城市交通设计规划者开始将重点放在绿色环保的轻轨交通系统的设计上，相关专家和学者也进一步加大了对轻轨车辆用混合动力牵引传动系统设计的研究，这在一定程度上为城市轨道交通网络系统的完善提供了保障。

1 轻轨车辆的应用现状

城市轨道交通受供电网络的限制较大，正是由于这个原因，城市轨道交通在城市居民安全与环境保护方面面临诸多问题。一般来说，城市轨道交通都是采用的第三轨供电方案或架空接触网方案，这两种方案都要求轨道车辆必须采用专门的线路或者完全封闭式的线路。对于地铁车辆来说，其既可以在地下隧道中运行，同时也可以在地面高架上运行，但是轨道电车一般只能在地面线路上运行，而且对于城市轻轨电车辆说，必须采用架空接触网的供电方案来进行供电网络的铺设，这样才能保证轻轨车辆的正常运行，但是这种供电方案在系统安全性以及环保性方面都存在诸多问题。随着城市空间环境质量要求的提升，轨道交通行业也出现了较大变革，无受电网的有轨及轻轨车辆开始在许多城市得到应用。从国际上来看，庞巴迪公司的非接触式感应供电轻轨车辆和西门子公司的超级电容轻轨车辆代表性较强。非接触式感应供电轻轨车辆主要利用电磁感应原理，将直流电源转变为高频交流电，然后再利用线圈感应原理，实现电能在整个车辆系统内的流通，最终变换为直流电，为车辆的牵引系统提供电能。电磁线圈只有在车辆经过的时候才能产生电流，这样就能确保无车辆运行情况下行人的安全。对于超级电容轻轨车辆来说，其主要采用的是车载超级电容器储能装置，车辆运行之前必须进行一次性充电。当车辆处于牵引状态时，超级电容器主要发挥供电作用；当车辆处于制动状态时，超级电容器主要提供存储再生制动能力的作用；当车辆停站的时候，超级电容器负责对其进行充电，从而为车辆进入下一段区间的运行提供保障。

2 混合动力牵引传动系统的技术需求

2.1 车辆牵引和制动能量分析

轻轨车辆在正常运行的过程中，主要包括制动工况和牵引工况，在大多数城市的有轨电车项目中，超级电容器系统主要适用于无受电网区域，也就是说只有当车辆通过无受电网区域的时候才能利用超级电容器来进行牵引和制动。所谓牵引，指的就是车辆的牵引系统通过克服车辆运行过程中的各种阻力来实现加速的过程，这就要求超级电容器系统的能量必须满足克服阻力的需求，一般来说，轨道车辆的运行过程中需要克服的阻力主要包括坡道阻力、弯道阻力、运行阻力以及车辆启动阻力，除了具备克服阻力的能量以外，超级电容器还必须在车辆加速运行的过程中为车辆动能的变化提供所需能量。根据项目设计的相关要求，轨道车辆的超级电容器系统必须在线路中保持正常运行1km，且必须考虑到车辆的两次启动过程。当车辆通过无受电网区域的时候，车辆的速度应限制在20km/h；当车辆通过有电网区域的时候，超级电容器需要为车辆牵引提供瞬时能量，这样才能减少车辆运行过程中对受电网的能量需求，从而减少车辆能耗，节约运行成本；当轨道车辆处于制动工况的时候，超级电容器的主要作用在于吸收牵引逆变器制动所产生的能量，然后在车辆牵引工况时释放出能量。

2.2 轻轨车辆牵引传动系统的牵引制动特性

城市轨道交通车辆的牵引特性主要可分为自然特性类、恒功率类和恒转矩类。当轨道车辆处于自然特性区域的时候，车辆牵引电机的制动力和牵引力与车辆运行速度的平方成反比，也就是说列车运行速度的平方与车辆的牵引力或制动力的乘积为一个常数；当车辆处于恒功率区域的时候，轨道车辆的运行速度与牵引电机的牵引力或制动力成反比，这时，牵引电机的功率不变，始终为一个常数；当车辆在恒转矩区域运行的时候，轨道车辆的运行速度与牵引电机的牵引力和制动力变化无关，无论车辆运行速度变化多大，电机的牵引力和制动力始终不变。

3 混合动力牵引传动系统的设计

3.1 传动方案

混合动力牵引传动系统主要由制动装置、发动机、电动机、动力耦合装置、蓄电池、胶带等组成，其中发电机是传动系统的主要动力来源。根据轻轨车辆运行的特点，应设计行星差轮系式动力耦合装置，它主要由一级定轴直齿轮传动、单排行星差速轮系传动和一级变速斜齿轮传动组成，这些组成部分主要负责对发动机和电动机的动力进行匹配和切换，同时也有利于实现电动机和发动机的同时工作。该牵引传动系统的辅助动力源设计为串励直流电动机，这种直流电动机具有机动性能佳、转矩大、调速范围广等优点，对混合动力模式下的传动系统适应性较强。在工作的过程中，发动机的动力主要靠一级变速齿轮传递到太阳轮，电动机的动力则是通过一级定轴直齿轮传递到单排行星差动轮系的外齿圈，最后再由行星架输出，电动机控制机的设计应与动力耦合装置的设计相配合，采用直流斩波控制器，电池为铅酸蓄电池。离合器应设计在变速箱的输入端，其主要功能是切断或接通驱动轮与动力耦合装置之间的动力传送。

3.2 列车的数学模型

直流供电回路中最活跃的部分便是列车，列车模型的建立是一个动态的过程，如果把列车当作一个质点，那么轨道车辆在运行过程中的位置和速度是不断变化的，从而造成车辆阻力的不断变化，包括基本阻力、曲线阻力等。轨道车辆在运行过程中的状态主要可分为牵引、惰行和制动三种，随着工作状态的变化，直流供电回路参数也会发生变化。在建立数学模型的时候，应注重列车参数、加速度模块以及列车牵引计算模块这三方面的内容。一般情况下，列车参数应包括列车拖车和动车的重量、列车编组情况等。在加速度模块，输入的数值应包括列车实际速度V和列车实际速度的参考值V*，利用上述两个数值便可以计算出列车的加速度。列车牵引计算模块主要是根据牛顿第二定律来计算出列车所承受的制动力和牵引力，计算公式如下：

F-f（r）=M（1+r）a

式中：F表示每个轴所承受的制动力和牵引力；M表示列车的质量；f（r）表示列车运行过程中所受到的阻力；r表示列车的旋转质量系数。

3.3 超级电容器的能量计算方法

通过上述分析可知，轨道车辆在无受电网工况下必须依靠超级电容器提供牵引能量。一般来说，在有电区牵引工况下，超级电容器所提供的能量基本上能满足要求，因此，只需要对车辆通过无电区域的牵引工况进行分析。根据车辆的牵引状态，超级电容器所提供的能量是由车辆运行过程中需要克服的各种阻力决定的，启动阻力是车辆运行过程中必然会产生的阻力之一。通常情况下，当车辆速度不超过3km/h时，判定车辆处于启动状态，车辆启动过程中的阻力计算公式为：

R=5mg/1000

式中：R表示车辆启动阻力；m表示车辆重量；g表示重量加速度。

车辆在启动的过程中一直保持加速度运行，从速度为零一直上升为每小时3km的速度，在这一过程中，车辆的牵引力恒定，运行距离公式为s=32/2a，根据上述公式，轨道车辆启动过程中的能量计算公式为W=R×s，车辆运行过程中的基本阻力公式为：

R=1/1000[6.4m+130n+0.14mv+（0.046+0.0065（N-1）Av2]

式中：R表示车辆运行基本阻力；m表示车辆重量；n表示轮轴数量；v表示车辆速度；N表示车辆数量；A表示车辆截面积。

4 结语

综上所述，轻轨车辆在我国各大城市的应用对城市生态环境的改善、人们生活质量的提升以及交通状况的改善都具有一定的促进作用，混合动力牵引传动系统是当代城市轨道车辆的主要动力装置，目前我国在这方面的研究虽然取得了一些成就，但仍需在实践中不断总结经验，加大研究力度，从而提升轻轨车辆用混合动力牵引传动系统的设计质量。

参考文献

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作者简介：陈世浩（1983-），男，河南新野人，中铁二院工程集团有限责任公司工程师，硕士，研究方向：机务。