趙海波 李雪昆 付 麗

(中車長春軌道客車股份有限公司總體研發(fā)部，130062，長春//第一作者，高級工程師)

全國各軌道客車運營單位的統(tǒng)計顯示,在各種運營成本中，軌道客車能源消耗的比例超過50%。因此,在保障軌道客車正常運行的前提下,降低軌道客車能源消耗的重要性越來越凸顯。研制綠色節(jié)能型軌道客車已經成為未來主要技術研究方向。

本文旨在通過軌道客車能耗因素分析，從軌道客車正向設計的角度對在設計過程中需要開展的節(jié)能設計工作進行論述。

1 能耗影響因素分析

軌道客車能量消耗影響因素分析通常采用現(xiàn)車試驗測試和軟件仿真分析兩種方法進行。文獻[1—3]詳細分析了軌道客車能耗影響因素，總結歸納后得出的具體因素主要有8項。

(1) 線路坡度：在目標速度和坡道長度不變的前提下，能耗隨著坡度的增加而增加。

(2) 曲線半徑：當曲線半徑超過5 000 m時，其對能耗的影響可以忽略不計。

(3) 站間距離：在目標速度不變的前提下，能耗隨著站間距里的增加而降低。

(4) 橋梁隧道：如果處于軌道客車加速階段，橋梁和隧道對能耗有影響。

(5) 運行速度：如果軌道客車的功率較大，則能耗隨著運行速度的增加而增加。

(6) 車輛質量：在目標速度不變的前提下，能耗隨著車輛質量的增加而增加。

(7) 車輛阻力：能耗隨著車輛阻力增加而快速增加。

(8) 牽引效率：在目標速度不變的前提下，能耗隨著牽引傳動效率增加而降低。

以上8項影響因素可歸納成軌道客車內部因素和線路、調度指揮等外部因素兩大類。其中：內部因素包括車輛質量、車輛阻力、牽引效率；外部因素包括線路坡度、曲線半徑、站間距離、橋梁隧道、運行速度。

針對軌道客車內部因素，可以通過優(yōu)化車輛設計、提升車輛相關性能來實現(xiàn)節(jié)能的目標。針對線路、調度指揮等外部因素，可以在線路建設階段提前做好規(guī)劃，合理布局，降低外界環(huán)境對能源消耗的影響，或者合理安排車輛運行速度，實現(xiàn)速度和能量消耗的最優(yōu)匹配。本文后續(xù)章節(jié)主要針對軌道客車的內部因素進行詳細分析。

2 節(jié)能關鍵技術

車輛質量、車輛阻力和牽引效率是軌道客車節(jié)能的內部因素。車輛設計過程中，針對內部因素的車輛節(jié)能關鍵技術包括車輛質量控制、車輛阻力控制和牽引效率提升。

2.1 車輛質量控制

根據動能定理可知，車輛的動能與車輛的物理質量成正比，同時，車輛的物理質量和車輛克服的滾動摩擦力成正比，因此，可以通過降低車輛的物理質量來降低軌道客車的能量消耗。具體的降低方式主要有新型材料應用和結構優(yōu)化。

2.1.1 新型材料應用

目前，碳纖維、鎂合金、陶鋁纖維等新型復合材料的發(fā)展非常迅速，其主要特點是與現(xiàn)有材料(鋁合金、不銹鋼等)相比質量有顯著的降低，因此，可以通過對車體及車配設備所用材料的選用優(yōu)化，實現(xiàn)降低車輛質量的目的。

(1)車輛主要子系統(tǒng)質量分布。統(tǒng)計某4輛編組的軌道客車主要子系統(tǒng)質量和所占比重，結果如表1所示。由表1可知，車體、內裝和設備占據了整車質量的50%以上，因此，對這些子系統(tǒng)開展減重研究的效果最為明顯。

(2)車體減重。車體的質量占總重的31.5%，因此，車體的減重是所有減重方案中成果最顯著的。碳纖維材料因其高強度、高模量纖維的特點，具有其他金屬材料無法比擬的優(yōu)勢，近年來得到國內外大量機構對其在車體上的應用研究與開發(fā)。其中，中車長春軌道客車股份有限公司研發(fā)的碳纖維車體，利用碳纖維復合材料可設計性強、可一體化成型的特點，通過模具一體成型，能最大限度地實現(xiàn)部件整合，避免了傳統(tǒng)金屬車體因焊接變形導致的尺寸、形位偏差，提高車體尺寸精度和外觀質量，在強度不變的情況下，降低了車體質量40%(見圖1)。

表1 車輛主要子系統(tǒng)質量及所占比重

圖1 碳纖維車體內部實景

(3)內裝和設備減重。內裝和設備占據車輛質量的19.5%，通過新型復合材料應用，同樣對車輛質量控制有著積極的意義。鎂合金作為高強度復合材料(其密度為鋼的25%～40%)，因其具有良好的傳熱和減振等性能，目前相關研究工作正在逐步開展，現(xiàn)階段可以將其用在扶手、座椅等部件上，質量能夠降低30%左右。與其他新型復合材料的低質量優(yōu)勢相比，玄武巖纖維作為一種新型復合材料(見圖2)，同時還兼具環(huán)保特性和良好的降噪特性[4]，因此，在座椅面料、墻板、間壁和地板等車內飾件中有很大的應用空間。

圖2 玄武巖纖維板

(4)電氣系統(tǒng)減重。電氣系統(tǒng)減重主要包括：優(yōu)化電氣設備外形尺寸及材質；設備內部元器件輕量化設計；提高電氣設備集成化程度(見圖3)；優(yōu)化電氣設備排布，采用就近原則，合理規(guī)劃布線路徑，減小整車線纜質量。

(5)轉向架走行部減重。轉向架走行部部件的減重需要考慮走行部的特殊性，一般是通過對非承載部件進行材質更換，來達到減重效果。具體減重數(shù)值如表2所示。

2.1.2 結構優(yōu)化

因經濟因素或使用條件等約束而不進行更換系統(tǒng)(或部件)材質的前提下，可以通過仿真分析和試驗手段，開展結構強度、結構剛度、固有頻率、疲勞強度及動力學等方面的分析，進行部件結構優(yōu)化設計，以實現(xiàn)減重目的。圖4為通過結構優(yōu)化成功減重的車體部件支架結構。

圖3 集成化電氣系統(tǒng)

部件原質量優(yōu)化后質量牽引梁87.041.0齒輪箱箱體92.054.0軸箱前蓋13.55.0牽引拉桿桿體19.07.0

圖4 結構優(yōu)化后的支架結構

2.2 車輛阻力控制

2.2.1 車輛阻力分類

列車運行阻力主要包括基本阻力和線路附加阻力，具體內容如圖5所示。

圖5 列車運行阻力分類

車輛基本阻力是由車輛結構決定的，車輛附加阻力是由于車輛在不同環(huán)境下運行產生的。本文主要討論車輛基本阻力的控制。

在車輛實際運行中,通常采用式(1)所示的經驗公式即Daivs公式進行基本阻力計算[5]。

w0=a+bv+cv2

(1)

式中：

w0——車輛單位基本阻力；

v——車輛速度;

a——基準阻力系數(shù)；

b——滾動阻力系數(shù)；

c——空氣阻力系數(shù)。

由式(1)可以看出，空氣阻力系數(shù)為車輛基本阻力公式的二次項系數(shù)，車輛的空氣阻力隨車速的二次方快速增加，因此，降低車輛的運行阻力首先應考慮降低車輛空氣阻力。

2.2.2 空氣阻力控制

空氣阻力的降低通常采用車輛流線型頭型設計、轉向架區(qū)域降阻、車端區(qū)域降阻及車頂區(qū)域降阻等4種方式進行。

(1)流線型頭型設計。車輛流線型頭型設計不僅代表著一個車輛品牌的形象，而且對降低空氣阻力有著重要意義。車輛頭型直接影響整列車的氣動性能，國內外主機廠均對此開展了大量的技術研發(fā)工作，目前基本形成的有橢球型、扁寬型和錐型3個系列，其具體參數(shù)如表3所示。

表3 車輛流線型頭型參數(shù)

長細比是衡量車輛空氣阻力的重要指標。一般來講，長細比增加，阻力系數(shù)減小。長細比確定后，通過氣動外形設計(斷面形狀、截面變化率和鼻錐引流等)可以進一步優(yōu)化車輛氣動性能。

(2)轉向架區(qū)域降阻。轉向架結構復雜,受流動空氣影響時表面壓力分布不均，會形成較大的正壓區(qū)和負壓區(qū),大大增加了轉向架區(qū)域的空氣壓力[6]。在轉向架區(qū)域設置裙板(見圖6)，可以有效阻止氣流從兩側進入轉向架區(qū)域，降低進入轉向架區(qū)域氣流速度，達到減阻的效果(側風情況下尤為明顯)。風洞試驗驗證了小裙板轉向架較無裙板轉向架可減阻6.2%。

a) 無裙板b) 小裙板c) 大裙板

圖6 轉向架區(qū)域裙板設置方案

(3)車端區(qū)域降阻。車端(兩車連接處)阻力主要是由氣體進入該區(qū)間形成渦流所造成。增加車端外風擋(見圖7)可以阻止氣體進入，降低各節(jié)車壓差阻力，達到減阻效果。實測證明，半包外風擋較無外風擋減阻1.8%。

a) 無外風擋b) 有外風擋

圖7 車端區(qū)域外風擋設置方案

(4)車頂區(qū)域降阻。車頂受電弓區(qū)域氣流流場復雜，對中間車的阻力和噪聲影響較大。通過采取受電弓平臺下沉設計(見圖8)，可達到較好的減阻效果。

a) 無下沉b) 有下沉

圖8 車頂受電弓平臺下沉設計方案

2.3 牽引效率提升

軌道客車的牽引系統(tǒng)主電路如圖9所示(不同車型存在一定的結構差異，如城市軌道客車不包括牽引變壓器)。牽引系統(tǒng)的效率計算公式為：

(2)

式中：

η——牽引系統(tǒng)效率；

η1——變壓器效率；

η2——整流器(PMCF)效率；

η3——牽引逆變器效率；

η4——齒輪箱效率；

η5——牽引電機效率。

由式(2)可知，通過提高牽引系統(tǒng)各部件的效率能夠實現(xiàn)提升牽引系統(tǒng)效率的目的，其物理意義為將更多的電能轉化為動能，降低機械損耗。具體方法包括使用新型電氣部件和優(yōu)化牽引控制策略。

圖9 軌道客車牽引系統(tǒng)主電路圖

2.3.1 使用新型電氣部件

與傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)中的變壓器、變流器和異步電機相比，電力電子變壓器、碳化硅變流器和永磁電機能夠顯著提高效率。

(1)電力電子變壓器。電力電子變壓器將變壓器技術和電力電子變流技術融合在一起，可實現(xiàn)變壓器的小型化和輕量化(體積減小60%，質量降低50%)，同時比傳統(tǒng)變壓器擁有更高的效率(效率提升1%)。目前，國內外已有樣機完成了試制和試用，ABB公司已經在城市軌道客車上實現(xiàn)了應用，國內有關單位和高校也正在開展相關研究和試用工作[7]。

(2)碳化硅變流器。牽引變流器(PMCF和逆變器)使用的大功率元器件目前為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。以碳化硅(SiC)為代表的新一代電力電子元器件具有帶寬度高、泄露電流小、導熱率高、導通損耗小、耐電壓高和耐電流強等優(yōu)點，今后可用于代替IGBT，以此提升變流器的功率和效率。目前，碳化硅變流器已在日本N700S型軌道客車上使用[8]。

(3)永磁同步電機。永磁同步電機利用永磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)異步電機的轉子，不再通過勵磁電流建立磁場，使轉子能量損耗有效降低[9]，故效率較傳統(tǒng)異步電機有顯著提高(能夠達到98%左右)。在輸出參數(shù)不變的前提下，永磁同步電機的質量和體積較傳統(tǒng)異步電機低20%～30%，功率密度顯著提高。目前，國內外主要軌道客車主機廠在永磁同步電機應用方面已開展了大量工作，如中國中車集團的永磁動車組和日本的N700S型軌道客車已開始采用永磁同步電機替代傳統(tǒng)異步電機。

2.3.2 優(yōu)化牽引控制策略

優(yōu)化牽引控制策略主要有：改進牽引變流器中牽引控制單元的IGBT驅動調制算法及牽引電機控制算法，實現(xiàn)牽引電機全頻帶磁鏈觀測；在牽引控制單元中進行IGBT驅動技術優(yōu)化，降低功率回路諧波含量；在牽引控制單元中實現(xiàn)黏著力精確控制，提高輪軸牽引/制動力運用效率。

利用以上對牽引變流器控制算法的優(yōu)化，能夠提升PMCF效率和牽引逆變器效率，進而提升整個牽引系統(tǒng)效率。

另外，在列車恒速控制等階段，利用目標速度與實際速度的速度差，并結合線路情況，實現(xiàn)對牽引力的精準控制，也可實現(xiàn)降低能耗的目的。

3 節(jié)能效果

根據前述節(jié)能技術措施，并結合國外新開發(fā)的城市軌道客車試驗數(shù)據(日本JR東海鐵路公司研制的N700S型試驗列車、德國西門子公司研制的Velaro Novo型試驗列車)，得出的城市軌道客車各項節(jié)能措施及其節(jié)能效果如表4所示。

表4 車輛各項節(jié)能措施及其效果

由表4可見，降低車輛的運行阻力是最為有效的降低能耗的手段，新型材料和新型電子技術的應用也能夠有效地降低車輛能耗。

4 結語

“安全、可靠、綠色、智能”已經成為軌道客車發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的主要方向。在滿足廣大旅客出行的前提下，如何降低能量消耗，進而搭建旅客-車輛-社會之間的共贏關系是未來軌道客車正向設計過程中需要重點考慮的問題。軌道客車節(jié)能工作是一個系統(tǒng)工程，需要不斷深入開展各項基礎理論及前沿技術研究。