軌道車輛新型轉(zhuǎn)向架Syntegra

1、新型轉(zhuǎn)向架Syntegra德國AJockel等概述Syntegra新型牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)構(gòu)思，是由西門子公司運(yùn)輸部研究完成的。這種轉(zhuǎn)向架在很多方面不同于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架。它集牽引和制動功能為一個(gè)系統(tǒng)，減輕了轉(zhuǎn)向架總質(zhì)量，提高了可靠性和效率，降低了使用壽命期間內(nèi)的費(fèi)用。目前，在市郊列車和地鐵列車所使用的機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架中，電力設(shè)備是安裝在車體之下的。在使用的牽引傳動裝置中有三相逆變器，用來給24臺120300 kW的異步牽引電動機(jī)供電。為了傳遞由牽引電動機(jī)至輪對的牽引轉(zhuǎn)矩，必須使用復(fù)雜的變速機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的中間元件。這樣就造成了轉(zhuǎn)向架成本的增加，而且又降低了傳遞效率。這類變速機(jī)構(gòu)也是產(chǎn)生噪聲和造成潤

2、滑油泄漏的主要原因同時(shí)也增加了技術(shù)保養(yǎng)的難度。不僅如此，異步牽引電動機(jī)固然有著不容置疑的優(yōu)點(diǎn)(這也正是它們得到廣泛應(yīng)用的原因)，但是它們也有一定的缺點(diǎn)。如啟動轉(zhuǎn)矩太大。這就造成牽引傳動部件不得不額外增大其強(qiáng)度。由于電感很小，這就能夠在逆變器中造成脈沖式啟動轉(zhuǎn)矩和在低速范圍內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲。因?yàn)檗D(zhuǎn)子磨損大，此時(shí)水冷式定子的電動機(jī)密封性就很難保證。 為了傳遞轉(zhuǎn)矩，可以采用2種類型的牽引傳遞方式： 1)當(dāng)牽引電動機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上時(shí)，通過作為最后一個(gè)環(huán)節(jié)的軸托式懸掛裝置將電動機(jī)與輪對軸相聯(lián)。聯(lián)接是通過帶有潤滑脂的變速箱來實(shí)現(xiàn)的。 2)當(dāng)牽引電動機(jī)和第一級變速箱以整體組件的形式安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上時(shí)，

3、使用架托式懸掛裝置，將轉(zhuǎn)矩通過空心萬向軸式的中間元件來傳遞給輪對。中間元件中有用橡膠零件制成的彈性聯(lián)軸節(jié)。 在這2種情況下，牽引傳動裝置都需要占用一定的空間，用于安裝、調(diào)整和維護(hù)保養(yǎng)，況且傳動裝置中還包括軸承。這也需要進(jìn)行相應(yīng)的檢查：萬向傳遞機(jī)構(gòu)在每次更換輪對或走行部件后，都需要重新進(jìn)行調(diào)整。 研制新轉(zhuǎn)向架的目的是用非常簡單的syntegra轉(zhuǎn)向架來取代傳遞結(jié)構(gòu)復(fù)雜的轉(zhuǎn)向架。這種syntegra轉(zhuǎn)向架不用變速器，可直接將永磁勵磁的大轉(zhuǎn)矩同步牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞給輪對。這種轉(zhuǎn)向架的構(gòu)思方案原本是用于高速電氣化列車的，后來才打算用到市郊鐵路和地鐵的機(jī)車車輛上。1 主要特性 牽引傳動特性的主要參數(shù)和

4、設(shè)計(jì)中所采用的基本參數(shù)是轉(zhuǎn)矩、功率和牽引逆變器的直流段中的最大電壓。 1)轉(zhuǎn)矩一速度曲線圖。牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩一速度曲線見圖1。地鐵或市郊鐵路電氣化列車的牽引性能取決于列車中的動力輪對與總輪對數(shù)之比，以及輪徑尺寸。一般來說，列車在啟動時(shí)的加速度為1.11.3 ms。一般情況下，牽引電動機(jī)的牽引轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩是相同的，然而其制動功率通常是牽引功率的2倍。從電磁特性的觀點(diǎn)分析，這一特點(diǎn)與在電制動中盡可能大的電壓相配合是牽引電動機(jī)設(shè)計(jì)中須遵循的要項(xiàng)，也是很重要的要求。 2)牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械傳遞。在很多情況下，地鐵列車運(yùn)行的最高速度不會超過80 kmh。因此，采用軸托式懸掛的牽引傳動在輪軌接觸時(shí)不會

5、出現(xiàn)很大的作用力峰值。這一點(diǎn)從技術(shù)上看是允許的，從經(jīng)濟(jì)上看也是合理的。機(jī)械傳動的類型也是一個(gè)很重要的因素。在架托式懸掛中，牽引電動機(jī)和輪對之間必須用彈性聯(lián)軸節(jié)，還要嚴(yán)格限制牽引電動機(jī)定子外殼的外徑尺寸。然而在安裝無變速器的牽引傳動裝置時(shí)，空間只受車輪的限制。此空間取決于軌距、磨耗輪的直徑和至線路鋼軌頂面的最大允許高度。在這種情況下，轉(zhuǎn)向架是按標(biāo)準(zhǔn)軌距(1435 mm)沒計(jì)的。圖2是無變速器的牽引傳動機(jī)構(gòu)的縱向剖面圖。3)電壓。在所研究的條件下，牽引供電系統(tǒng)的額定電壓定為750 V直流。當(dāng)處于牽引工作狀態(tài)時(shí)電壓可降為500 V，而在制動工作狀態(tài)時(shí)電壓可升高至1000 V。1.l 牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)

6、 1)電磁方面的設(shè)計(jì)。根據(jù)基本要求可確定牽引電動機(jī)的主要尺寸。首先是定子的外徑和由它所決定的疊片鐵心的幾何參數(shù)。同樣，輪對的車軸直徑?jīng)Q定了牽引電動機(jī)空心軸的直徑。 對于永久磁極的高轉(zhuǎn)矩電動機(jī)，磁極數(shù)量應(yīng)盡量地多些。因?yàn)檫@樣可以減小轉(zhuǎn)子和定子的磁軛厚度，從而可以增加轉(zhuǎn)子的直徑，提高轉(zhuǎn)矩值。 在設(shè)計(jì)永久磁極電動機(jī)時(shí)，采用了用粘合劑將磁極粘結(jié)在轉(zhuǎn)子外表面并用玻璃纖維帶扎牢的方案。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相對來說不是很高，玻璃纖維帶可以扎得很薄。 由于在列車常用運(yùn)行速度范圍內(nèi)，磁通分布及其衰減的計(jì)算是很困難的。為了得到在規(guī)定轉(zhuǎn)矩下所要求的電流和磁通密度值，按照有限元法使用了二維數(shù)字分析。 在定子的疊片鐵心上裝有

7、普通螺旋管狀的繞組，用耐熱等級為200的MICALASTICT絕緣材料層作保護(hù)。由于繞組的磁極距很大，其端部可以做得很短，這樣有利于結(jié)構(gòu)更緊湊一些。 2)機(jī)械方面的設(shè)計(jì)。牽引電動機(jī)的電磁參數(shù)確定以后，要計(jì)算機(jī)械參數(shù)和確定結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。定子決定采用統(tǒng)一的其橫斷面為矩形的鑄件，其上有4個(gè)軸向的冷卻水通道，水冷是一項(xiàng)補(bǔ)充措施，有助于減小電動機(jī)的尺寸。定子及其繞組要按承受60g的動力負(fù)荷來進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，這是對軸托式懸掛的牽引電動機(jī)通常的強(qiáng)度要求。 從兩側(cè)將電動機(jī)轉(zhuǎn)子的空心軸固定在輪對車軸上?？招妮S上安裝有轉(zhuǎn)子鐵心和釹鐵硼合金的磁極，轉(zhuǎn)子同樣按照承受60g的動力負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。 這種牽引傳動的最新穎的設(shè)計(jì)之一

8、是將電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸承與輪對軸承結(jié)合成一體。這種整體軸承是在輪對的普通軸承基礎(chǔ)上又考慮到運(yùn)用特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。軸承理論上的使用壽命為30a。然而，如同普通的電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸承一樣，要定期地補(bǔ)加潤滑脂。由于潤滑脂的軟化溫度較高，通常在加潤滑脂前，先要將其加熱。2 轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu) 用于地鐵和市郊鐵路的機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)是與牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行的。通過對各種不同數(shù)學(xué)模型的研究、動力性能和輪軌相互作用力的分析表明，在所研究的機(jī)車車輛正常運(yùn)行的120kmh以下的速度范圍內(nèi)，可以將牽引電動機(jī)直接安裝在輪對車軸上，中間不需要變速器和聯(lián)軸節(jié)。在安裝輔助減振器的情況下，該方案也適用于160kmh速度的地區(qū)鐵路客運(yùn)列車的

9、機(jī)車車輛。質(zhì)量相對較小的牽引電動機(jī)和較小的輪徑，使非彈性傳動機(jī)構(gòu)的質(zhì)量不會大于傳統(tǒng)的牽引傳動機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。這就為實(shí)現(xiàn)這種電動機(jī)直接安裝的非彈性牽引傳動創(chuàng)造了條件。 研制Syntegra牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)向架的目的正如上所述，是要提高機(jī)車車輛走行部的效率，即在有效載荷不變的情況下降低轉(zhuǎn)向架的自重和減小安裝轉(zhuǎn)向架所需要的車體下的空問，從而有利于進(jìn)入車底進(jìn)行檢修。 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及其與車體的連接。Syntegra轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由中心橫梁、2個(gè)縱向側(cè)梁以及側(cè)梁與中心梁的連接組件組成。中心梁承受著所有水平力的作用。來自機(jī)車車輛車體質(zhì)量的垂直負(fù)荷，通過縱向梁傳遞給彈簧懸掛的軸箱部分。這樣就可以消除轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)。 通過

10、這樣一種結(jié)構(gòu)形式，就克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的一大缺點(diǎn)。因?yàn)檩S箱系彈簧懸掛的結(jié)構(gòu)剛度就能保證避免脫軌的可能性，從而提高了運(yùn)行的安全性。因此裝有Syntegra轉(zhuǎn)向架的機(jī)車車輛可望有更大的有效載荷，對其懸掛結(jié)構(gòu)的剛度并無限制。 在大家熟悉的裝有構(gòu)架的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中，構(gòu)架與輪對軸箱的連接是通過結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中間元件來完成的。這樣就增加了轉(zhuǎn)向架的成本，并且也給技術(shù)保養(yǎng)帶來了難度。在Syntegra轉(zhuǎn)向架中，這些連接是利用連接中心梁與電動機(jī)機(jī)架的簡單傳動桿來完成的，而不用彈性元件。轉(zhuǎn)向架與車體之間的連接結(jié)是用一副受壓或受拉的連桿來完成的。鉸接式一端與車體底架相連，而另一端則與一臺牽引電動機(jī)的機(jī)架相連。通過這些連

11、接桿，實(shí)現(xiàn)2臺牽引電動機(jī)的牽引力或制動力的傳遞。 該結(jié)構(gòu)方案還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在轉(zhuǎn)向架中不會產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩。反轉(zhuǎn)矩會在牽引或制動工況下，使轉(zhuǎn)向架中的一副輪對卸載。由此更好地發(fā)揮了2副輪對間的性能配合作用。這種連接方式的原理見圖3。3 牽引變壓器 向Syntegra轉(zhuǎn)向架上的牽引電動機(jī)供電的牽引變流器，是帶有絕緣柵雙極晶體管式的三相逆變器。由于永久磁極的牽引電動機(jī)的電流工況與異步牽引電動機(jī)的電流工況差不多，所以不需要增加雙極晶體管開關(guān)模塊的公稱功率，換向頻率也不需要提高。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)矩和電流的波動以及永久磁極電動機(jī)逆變器工作時(shí)發(fā)生的噪聲水平都因電感很大而變得較低。雙極晶體管開關(guān)模塊的逆變器具有水冷卻系

12、統(tǒng)，并且其冷卻回路與牽引電動機(jī)的水冷卻系統(tǒng)相連。 Syntegra轉(zhuǎn)向架逆變器與向現(xiàn)代異步電動機(jī)供電的牽引變流器的主要區(qū)別在于：每臺牽引電動機(jī)都需要單獨(dú)的逆變器。這一點(diǎn)很自然地會增加牽引傳動系統(tǒng)的成本，從而成為其一大缺點(diǎn)。 對于使用Syntegra轉(zhuǎn)向架的機(jī)車車輛的用戶而言，這種新型轉(zhuǎn)向架顯示出以下優(yōu)點(diǎn)： 1)可以在鏇輪時(shí)選擇不同輪徑的輪對進(jìn)行加工。 2)改善了輪軌間的粘著性能。 3)通過對每副輪對的速度和轉(zhuǎn)矩逐個(gè)檢測，可以降低運(yùn)行中的振動水平。 一旦永久磁極牽引電動機(jī)的逆變器出現(xiàn)故障，應(yīng)通過機(jī)械轉(zhuǎn)換設(shè)備切斷其電路。這樣做的原因是：a)必須確保永磁電動機(jī)不給故障逆變器回授直流電流。b)永久磁極

13、電動機(jī)在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下的損耗要比鼠籠式轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)損耗低。 同步永久磁極電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制與異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制有所差別。然而，與轉(zhuǎn)矩和產(chǎn)生磁通的電流有關(guān)的內(nèi)部調(diào)節(jié)過程仍舊是一樣的，即需要調(diào)整磁場的方向。異步電動機(jī)的磁場定向取決于轉(zhuǎn)子磁通的空間矢量，而對于同步電動機(jī)則取決于轉(zhuǎn)子沿轉(zhuǎn)角的方向。為此，在定向時(shí)通常要使用轉(zhuǎn)子位置傳感器。在剛性的牽引傳動中是很難配備復(fù)雜靈敏的轉(zhuǎn)子位置傳感器的。因此，在這種情況下，就要用專門的裝置在規(guī)定的電流值和電壓下，在中間環(huán)上測定轉(zhuǎn)子的位置。4 制動新思路 與異步牽引電動機(jī)相反，永久磁極牽引電動機(jī)作為連接到相應(yīng)的有效電阻的閉合環(huán)，會產(chǎn)生出制動轉(zhuǎn)矩。永久磁極電動機(jī)的這一

14、特性，為地鐵和市郊鐵路機(jī)車車輛通用的制動方式的重大改革創(chuàng)造了條件。 目前，電動再生制動裝置主要是用于平時(shí)的正常制動，而電動空氣制動裝置則主要用于非常制動。這2種制動系統(tǒng)彼此之間是相互獨(dú)立的。在每次需要進(jìn)行非常制動時(shí)，摩擦制動裝置均可發(fā)揮作用。即使在電動制動已完全實(shí)施的情況下，如仍達(dá)不到制動要求，則也要施以摩擦制動。 然而，電動空氣摩擦制動裝置需要配備或制備諸如儲存和輸送壓縮空氣的各種設(shè)備以及檢測控制用的儀器儀表，而且所有設(shè)備儀表及管線等都要求有很高的可靠性。 也就是說，在采用永久磁極牽引電動機(jī)后，就不再需要電動空氣制動裝置了。這就意味著可以有效節(jié)約設(shè)備費(fèi)用，騰出車體下很大的空間，減輕機(jī)車車輛自

15、重，以及其他方面帶來的益處，如消除了閘瓦或鑲塊的機(jī)械磨損和釋放出的磨耗粉塵，降低了制動產(chǎn)生的噪聲水平，減輕了制動裝置維護(hù)的工作量。 電動制動的目標(biāo)是，無論正常制動還是非常制動都要達(dá)到所有制動功能的要求。為此，需要研制一種創(chuàng)新的制動系統(tǒng)，以確保制動安全。此外，制動性能的檢測和調(diào)控系統(tǒng)，應(yīng)通過對規(guī)定的運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的對比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)非常制動工況下的不良動作，并立即迅速地轉(zhuǎn)換到安全的電動制動狀態(tài)中。 一副輪對的安全電動制動裝置由以下部件組成：永久磁極的同步牽引電動機(jī)；按三相供電方式接入的制動電阻器；切斷電動機(jī)與逆變器之間連接的接觸器；電動機(jī)與制動電阻器的接觸開關(guān)。 為了保護(hù)逆變器并消除來自微處

16、理器的牽引傳動控制系統(tǒng)方面對非常制動工況參數(shù)的各種影響，切斷逆變器的電路是非常必要的。 鑒于這是一種新的系統(tǒng)，故對它有很高的可靠性要求。因此，每副輪對上單獨(dú)的制動系統(tǒng)都要保證留有足夠的安全系數(shù)，總之，為了證明電動制動的安全可靠性，必須使它的性能達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 61508危險(xiǎn)等級的級(可忽略的危險(xiǎn)級)，根據(jù)列車的編組情況，應(yīng)對每個(gè)制動部件確定相應(yīng)的安全指標(biāo)。 制動性能(制動轉(zhuǎn)矩曲線)可通過改變制動電阻來進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩由電動機(jī)參數(shù)來決定，也可通過改變有效阻抗R。使轉(zhuǎn)矩一速度曲線沿速度坐標(biāo)軸平移。減小阻抗就會使最大轉(zhuǎn)矩向著速度減小的方向移動，反之亦然。通過在每個(gè)電阻器上并聯(lián)一個(gè)電容量為C

17、k的電容器就可以補(bǔ)償與速度有關(guān)的感應(yīng)負(fù)荷，從而提高制動轉(zhuǎn)矩。 在最低速度范圍內(nèi)(電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)低于150rmin)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不足以進(jìn)行有效制動。這一缺點(diǎn)可以通過使用小功率的機(jī)械制動來克服，這種小功率的機(jī)械制動器本來就是停車時(shí)必需的裝置。電動制動對運(yùn)行速度更高的列車來說非常有效。5 給用戶帶來的益處 總體上來說，這種無變速器的牽引傳動集成模塊式的轉(zhuǎn)向架Syntegra給運(yùn)營部門可帶來以下益處： 1)通過降低能耗(因?yàn)樽灾販p輕)、提高牽引傳動效率、降低輪軌磨耗、由于結(jié)構(gòu)簡化而使技術(shù)保養(yǎng)的支出減少以及由于排出的磨耗物下降而減輕對環(huán)境的污染，這一切都減少了Syntegra轉(zhuǎn)向架在使用期限內(nèi)的費(fèi)用支

18、出。 2)取消了復(fù)雜的牽引傳動的中間部件(變速器、聯(lián)軸節(jié))。 3)采用全密封式的牽引電動機(jī)，提高了工作的可靠性。 4)減少了轉(zhuǎn)向架部件對安裝空間的要求。 5)通過取消風(fēng)機(jī)、牽引電動機(jī)與逆變器之間的匹配和取消風(fēng)動制動，而降低了噪聲等級。對其中某些益處做如下詳細(xì)闡述。 (1)減輕自重。表1列出了在相同功率和相同有效載荷的情況下，現(xiàn)代普通轉(zhuǎn)向架與Syntegra轉(zhuǎn)向架樣機(jī)和批量生產(chǎn)的Syntegra轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量參數(shù)的對比數(shù)據(jù)。 轉(zhuǎn)向架樣機(jī)是按軸重為14t而設(shè)計(jì)的，其輪徑為690mm630mm，軸距為1600mm，總長不超過2400 mm，二級彈簧懸掛風(fēng)缸的最高點(diǎn)距鋼軌頂面的距離為800mm。 這種小

19、軸距的轉(zhuǎn)向架與大軸距的普通轉(zhuǎn)向架相比，其運(yùn)行穩(wěn)定性差不多。之所以能達(dá)到與大軸距轉(zhuǎn)向架有相同的運(yùn)行穩(wěn)定性的水平，這是由于轉(zhuǎn)向架質(zhì)量減小、轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量的減小以及特別是轉(zhuǎn)向架慣性轉(zhuǎn)矩減小的結(jié)果。由于牽引電動機(jī)增加的簧下部件的質(zhì)量被輪對質(zhì)量的減小、取消制動盤以及電動機(jī)軸承與輪對軸承這些合并因素所抵消，從而使簧下部件的質(zhì)量仍保持在普通轉(zhuǎn)向架的水平上。 2)節(jié)能方面。Syntegra轉(zhuǎn)向架除了質(zhì)量特性得到改善外，還減少了對能源的需求以壓縮運(yùn)營支出。這主要是通過2個(gè)重要因素來實(shí)現(xiàn)的，即減輕質(zhì)量，其中包括轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量和提高牽引傳動效率。傳動效率可以通過采用永久磁極電動機(jī)、取消變速器和聯(lián)軸節(jié)而得以提高。圖4為具有二級牽引傳動的普通轉(zhuǎn)向架與Syntegra新型轉(zhuǎn)向架的牽引傳動效率的對比。圖4 2種類型轉(zhuǎn)向架在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的牽引傳動效率的比較但是如今在實(shí)踐中，最引起重視的不是滿載的機(jī)車車輛在運(yùn)行中對能源的需求，而是在停