胡定祥 金 鑫 马晓光 沈 钢 贾小平 解 斛

(1.中车南京浦镇车辆有限公司技术中心转向架研发部, 210031, 南京; 2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804， 上海; 3.西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 610031, 成都∥第一作者， 正高级工程师)

B型地铁车辆是目前国内城市轨道交通需求量最大的车型。综合考虑列车的运行安全性和磨耗经济性，地铁正线上的最小曲线半径需不小于250 m。若增大线路的最小曲线半径，需拆迁大量的房屋，导致建设成本偏高。此外,城市轨道交通的能耗仍然较大。根据中国城市轨道交通协会发布的《2019年中国城市轨道交通牵引能耗》，牵引能耗在列车运营总能耗的占比达到51.8%。因此，在保证运行安全和经济性的同时，降低列车的牵引能耗是城市轨道交通线路节能减排、降低全寿命周期成本所亟需解决的问题。本文对B型地铁车辆(80 km/h速度级)采用永磁直驱转向架的研制方案进行研究，以期提高列车牵引系统的经济性与节能性。

1 永磁直驱转向架的主要技术参数

与三相交流异步电机相比，永磁同步电机具有效率高、体积小、质量轻等优点。永磁直驱转向架利用永磁电机高效率的优点，采用抱轴安装方式直接驱动车轴，避免了齿轮传动的效率损失，节约了齿轮箱空间，减小了车辆轴距，从而使列车具有优良的小半径曲线通过性能。依据B型地铁车辆的运用要求，确定永磁直驱转向架[1-3]的主要技术参数如表1所示。

表1 B型地铁车辆永磁直驱转向架的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of permanent magnet direct drive bogie of type-B metro vehicle

2 永磁直驱转向架的结构特点

如图1所示，永磁直驱转向架的驱动系统采用永磁同步电机直接驱动车轴，利用对称式三角反力杆[4-5]平衡牵引/制动力矩，其构架采用H型箱型焊接结构。其中：一系采用锥形橡胶堆定位、小轮径轮对轴箱装置；二系采用空气弹簧承载、Z型双拉杆牵引、无扭杆结构；基础制动采用踏面制动单元制动。该型转向架具有结构简单、成本较低、曲线通过能力强、平稳性和安全性较高等优点。

图1 采用H型箱型焊接结构的永磁直驱转向架Fig.1 Permanent magnet direct drive bogie with H-shaped box welded structure

2.1 驱动系统

永磁直驱转向架的驱动系统(见图2)由永磁直驱电机(见图3)和对称式三角反力杆(见图4)组成。

图2 永磁直驱转向架的驱动系统Fig.2 Drive system of permanent magnet direct drive bogie

图3 永磁直驱电机Fig.3 Permanent magnet direct drive motor

图4 对称式三角反力杆Fig.4 Symmetrical triangular reaction rod

永磁直驱电机为全封闭式水冷结构，冷却效率很高。如图5所示，永磁直驱电机由转子和定子组成。其中：转子由车轴、轴套、永磁体等构成，无励磁线圈，轴套与车轴过盈配合；定子由机壳、铁芯、线圈绕组等构成，铁芯采用冷轧硅钢片叠压而成，线圈采用扁铜线绕制，定子的两端通过轴承安装在车轴上[6]。

a) 转子

对称式三角反力杆设有3个弹性节点，其中，与构架端连接的弹性节点在纵向(列车前进方向)采用开槽设计，使得节点纵向刚度和节点偏转刚度极小但垂向(平衡牵引/制动力矩方向)刚度较大。弹性节点的垂向大刚度在电机牵引制动提供反力矩时产生的变形小，弹性节点的纵向小刚度不会对一系产生额外附加刚度。弹性节点偏转刚度极小，导致其产生的轮对附加摇头刚度也极小，同时由于三角杆式弹性支撑结构在纵向上的长度足够，可以保证轮对与构架在相对运动时电机定子与转子的相对角较小。

2.2 永磁直驱转向架构架

如图6所示，永磁直驱转向架构架采用全钢焊接H型结构，侧梁采用U型结构，断面为箱形结构，横梁采用箱型结构，并设有对称式三角反力杆安装座、横向止挡和牵引拉杆安装复合座。

图6 永磁直驱转向架构架示意图Fig.6 Schematic diagram of permanent magnet direct drive bogie frame

2.3 其他结构

图7为一系悬挂装置，该装置采用锥形橡胶堆提供垂向横向与纵向刚度，结构简单，技术成熟可靠。图8为二系悬挂装置，该装置采用空气弹簧全承载结构，设置了横向和垂向减振器衰减振动，设置横向止挡用以限制二系产生过大的横向位移，设置了较大的空簧横向跨距，并取消了扭杆。

图7 一系悬挂装置Fig.7 Primary suspension device

图8 二系悬挂装置Fig.8 Secondary suspension device

图9为该转向架的中心牵引结构，该装置采用Z型双牵引拉杆牵引，其产生的附加横向和垂向刚度均较小，有利于提高乘客的乘坐舒适性。

图9 Z型双牵引拉杆Fig.9 Z-type double traction rod

如图10所示，基础制动的踏面制动单元先安装在过渡板上，再通过3个穿过侧梁的螺栓固定在侧梁上。在每根车轴的1个轴端上设置了1套轴端防滑装置，以防止列车制动时车轮打滑。

图10 踏面制动单元安装示意图Fig.10 Installation diagram of tread brake unit

3 主要台架试验验证

为验证永磁直驱转向架的性能，本文对永磁直驱电机、构架等部件进行了试验验证。依据IEC 60349-4:2012《电力牵引 铁路与道路车辆用旋转电机 第4部分:与电子变流器相连接的永磁同步电机》，参照对电力牵引轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机的相关标准，对永磁直驱电机进行了冷态电阻、绝缘电阻、振动限度、空载反电动势、稳态短路、温升、热态绝缘电阻、耐压、特性、效率、噪声、超速等试验，并与牵引系统进行了配套试验。验证结果表明：各项参数均符合相关标准的要求；永磁直驱牵引系统的效率比异步牵引系统的效率约高5%(见图11)。

图11 永磁直驱系统和异步牵引系统牵引效率对比Fig.11 Efficiency comparison of permanent magnet direct drive system and asynchronous traction system

4 主要线路试验验证

将装用永磁直驱转向架的列车与装有异步牵引系统的列车在线路上共线运行，依据合同和相关标准开展了各项型式试验，结果表明各项性能指标均满足要求。针对永磁直驱转向架的特点，本文重点在能耗及动力学性能方面，将永磁直驱列车和异步牵引系统列车的试验数据进行对比。

4.1 能耗对比

本文在徐州地铁1号线(路窝站—徐州东站站)上进行试验测试。分别选取1列永磁直驱列车和1列异步牵引系统列车，两列车均采用ATO(列车自动运行)往返运行一圈，测试地铁车辆在AW0(空载)、AW2(定员载荷)、AW3(超员载荷)3种载荷工况下的牵引总能耗(包括牵引能耗和辅助能耗)。

如表2所示，试验结果表明，与异步牵引系统列车相比，永磁直驱列车的牵引总能耗可减少20%～30%。

表2 永磁直驱列车和异步牵引系统列车的能耗对比结果Tab.2 Comparison results of energy consumption of permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train

4.2 动力学性能对比

动力学试验结果表明：在AW0、AW3两种载荷工况下，对于空气弹簧有气和无气两种情况，装用永磁直驱转向架的列车在正线运行时的安全指标均满足GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》和合同的要求，平稳性指标达到优等级。

如图12～15(皆在AW0工况下)，装用永磁直驱转向架的动车的动力学试验指标(包括脱轨系数、轮重减振率、轮轴横向力和垂向平稳性指标等)均优于装用异步牵引系统转向架的动车。

注：基于310 m最小曲线半径进行计算对比。图12 永磁直驱列车和异步牵引系统列车的脱轨系数对比Fig.12 Comparison of derailment coefficients between permanent magnet direct drive trains and asynchronous traction system trains

注：基于310 m最小曲线半径进行计算对比。图13 永磁直驱列车和异步牵引系统列车的轮重减载率对比Fig.13 Comparison of wheel load reduction ratio between permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train

注：基于310 m最小曲线半径进行计算对比。图14 永磁直驱列车和异步牵引系统列车的轮轴横向力Fig.14 Axle lateral force of permanent magnet direct drive train and asynchronous traction system train

a) 横向平稳性

由图12～14可看出,与异步牵引系统列车相比，永磁直驱转向架列车的脱轨系数小0.05～0.21，轮重减载率小0.22～0.30，轮轴横向力小3～18 kN。

由图15可看出,相较于异步牵引系统列车,永磁直驱转向架列车在横向平稳性、垂向平稳性上更优。在80 km/h运行速度下,永磁直驱转向架列车的横向平稳性降低了约0.25,垂向平稳性降低了约0.10。

5 结语

B型地铁车辆采用永磁直驱转向架既结合了具有节能环保特点的永磁同步电机技术，还实现了车辆的小轴距，提升了列车在曲线段的通过能力。与采用异步牵引系统的列车相比，采用永磁直驱转向架的列车牵引系统效率约高5%，列车节能幅度为20%～30%。而且，装用永磁直驱转向架的地铁列车的曲线通过安全性指标更优，可适应更小的正线曲线半径，有利于降低线路的规划难度、减少线路的建设成本。