CRH6城际动车组的牵引系统研究

曾要争 黄文杰

（中国南车南京浦镇车辆有限公司动车设计部，210031，南京∥第一作者，工程师）

城际列车一般指城市群内开行的多班次趋向公交化的中小编组短途旅客列车，沿途停靠各乡镇车站。城际列车的运输组织模式是“高密度、大容量、小编组、公交化”。城际列车与城市轨道交通的地铁、轻轨列车一样，需要有较大的起动加速度和减速度，来满足频繁的起停要求。但其最大的不同点在于：城际列车运输距离较长，站间距更大，运营速度更快。

CRH6型城际动车组是依托和谐号动车组技术平台，基于珠三角地区的城际状况，为适应区域经济快速发展和城市群崛起对城际快速轨道交通工具的需要而研制的。其具有快起快停、快速乘降、大载客量等技术特点。根据运营情况的需要，分为站站停使用的时速160 km城际动车组（以下简为CRH6－160）和大站停使用的时速200 km城际动车组（以下简为CRH6－200）。

CRH6－160运行于100 km内的城市之间，以建立1 h经济圈，满足站站停的要求；CRH6－200运行于距离在500 km内的城市之间，连接较大城市，实现这些城市间乘客的快速出行，实现大站停靠的要求。

本文结合该项目研制过程中对牵引系统设计所作的相关研究，阐述CRH6城际动车组的牵引性能设计。

1 牵引系统关键要素

牵引系统的设计需要实现三大技术指标：平均旅行速度，最大运营速度，加速性能。

1.1 平均旅行速度

平均旅行速度与平均旅行时间成反比。其直接关系到线路建成后，能否满足线路规划的初衷，且对列车调度和运营有直接的影响。城际列车的设计是为了实现珠三角地区城市之间1h经济圈的构建，如果平均旅行速度太小，必然无法实现此目标；但是平均旅行速度也不能太大，虽然可能在时间指标上满足甚至优于1h的目标，但会使线路建设配套成本加大，车辆配置的价格也更高，显然不符合经济适用的设计原则。因此，平均旅行速度的选取既要满足顶层技术目标，又要经济合理。

1.2 最高运营速度

最高运营速度要结合实际的线路情况来合理选取，需充分考虑线路的站间距、曲线半径及坡度等。

1.3 列车加速性能

列车加速性能的两个关键指标为起动加速度和剩余加速度。

起动加速度是衡量列车起动能力大小的指标。一般来说对于站间距较短的列车更具有现实意义。由于站间距较小，因此要求列车有快速起停的能力，为保证列车有更多的时间运行在高速区域，才能有效提高旅行速度。

剩余加速度是衡量列车加速裕度的指标，是在逆风、坡道等情况下仍可保持正常运行的一种能力，也是进行列车构造速度试验的基本条件。但对列车正常运营需求分析的影响不大。

CRH6型城际列车运行于主城市及周围的次级城市之间，既要满足乘客在不同城市之间短时通行，又要实现在沿途站点的快速起停。前者要求列车的运营速度和平均旅行速度要高，则列车牵引系统的功率要大；后者要求有较高的起动加速度和制动减速度，则牵引电机要有较大的扭矩。为了实现车辆成本的最优化和能源的有效利用，一般不会同时实现运营速度高和有较大起动加速度这两个要求。因此，在长大站间距运行时，起动加速度对运营的影响较小，而最高运营速度及平均旅行速度直接影响了运营模式；在短的站间距运营时，列车很难达到或难以长时间维持高速运行，因此不需要高的运营速度，而大的起动加速度和减速度反而更为重要。

为此，设计了CRH6－160型和CRH6－200型两种速度的动车组配置。CRH6－200型动车组的运营速度和旅行速度高，运行模式是长时工作制，大站停车，能发挥列车大牵引功率的优点；而CRH6－160起动加速度大，为站站停的短时工作制模式，发挥了大转矩的优势。

2 CRH6型动车组牵引系统技术参数分析

CRH6－200型动车组在和谐号200km／h动车组的基础上优化了牵引性能，采用4动4拖编组形式，2动2拖为一个动力单元，每个动力单元设1台牵引变压器、2台牵引变流器、8台牵引电机，采用车控模式。CRH6－160型在CRH6－200型基础上进一步优化了性能配置，采用架控模式。在确定了牵引系统结构后，需要对牵引系统各主要技术参数进行分析和确定。

2.1 动车组的牵引力

已知所需的牵引加速性能，可得出对应的起动牵引力

式中：

M——动车组质量，t；

β——惯性系数；

a——加速度，m／s2；

ω0——动车组运行单位基本阻力，N／t。

2.2 牵引电机主要参数的确定

2.2.1 起动转矩T

确定了F后，可由式（2）计算出牵引电机的起动转矩

式中：

N——齿轮传动比；

η——齿轮箱效率；

D——车轮直径，m。

由式（2）可知，电机的起动转矩与动车组牵引力、齿轮传动比、轮径三者有关。

2.2.2 牵引电机的转速n

式中：

v——动车组速度，m／s；

n——电机转速，r／min。

由式（3）可知，动车组速度与电机转速、齿轮传动比、车轮直径三者有关。

已知动车组的最大运营速度，在最大磨耗轮径时，可以计算出对应的电机转速，考虑一定的余量后，可得所需的电机最大转速，并用来验证新轮的试验速度。而列车的平均旅行速度可以作为电机额定转速设计的参考。

由上述可知，传动比对电机转矩和转速的选择有影响，需要电机供应商、齿轮箱供应商和整车（含转向架）厂商等共同商讨确定传动比。

2.2.3 电机功率P

动车组轮周牵引总功率主要与动车组运行最高速度、动车组质量、最高速度时的列车运行阻力和剩余加速度、齿轮传动效率、牵引电机效率等有关。

式中：

Pk——动车组轮周牵引总功率，kW；

Δa——剩余加速度，m／s2；

Δv——逆风速度，km／h；

vmax——动车组最高运行速度，km／h；

ηM——牵引电机效率；

Fvmax——最高速度时动车的轮周牵引力，N。

牵引电机的功率为动车组总功率除以动车组电机的总台数Nm，即P＝Pk／（Nmη）。

2.3 牵引系统的容量匹配

牵引传动系统中牵引变压器、牵引变流器、牵引电机的容量计算是非常重要的设计依据。首先应根据动车组的牵引特性、再生制动特性的最大值求出Pk，根据牵引传动系统中各部件的效率、功率因数等，按牵引电机→牵引变流器→牵引变压器的顺序求得每个部件的最大功率。

3 CRH6型动车组牵引设备选型

通过对以上参数关系的分析比较和论证，确定CRH6型动车组牵引系统的设备选型。CRH6－200型动车组牵引系统采用车控方式，每台电机最大输出功率为345kW，牵引系统主电路如图1所示。

图1 CRH6－200型动车组牵引系统主电路简图

CRH6－160型动车组采用架控方式，每台电机额定输出功率为250kW、最大功率为322kW，牵引系统主电路如图2所示。

图2 CRH6－160型动车组牵引系统主电路简图

经初步分析计算的牵引性能指标比较见表1。

表1 牵引性能指标比较

根据动车组质量、阻力公式、传动装置效率、牵引性能指标要求及牵引系统各参数间函数关系的分析，并结合实际设备的综合参数，可以初步确定牵引系统的主要设备参数见表2所示。

表2 牵引系统的主要设备参数

4 验证分析

在确定了表2的参数后，可以初步选择牵引设备的型号和特定参数。要最终判断所选设备是否满足要求，还需要进行仿真计算和试验验证。考核的关键因素有两个：一个是牵引特性结果和线路仿真的平均旅行速度均须满足相关指标要求；另一个是在各种要求的工况运行时，各牵引设备的温升不能超过其限值。

4.1 牵引特性校验

根据所选的牵引设备参数和牵引单元配置，进行牵引特性仿真计算；将仿真计算结果与牵引性能指标要求进行对比分析，并进行必要的修正直至完全满足牵引需求，最终设计出动车组的牵引／制动特性曲线。

通过对牵引系统特性的计算和反复修正与验证，得到CRH6－200型动车组和CRH6－160型动车组的仿真牵引特性，如图3和图4所示。

图3 CRH6－200型动车组仿真牵引性能曲线

图4 CRH6－160型动车组仿真牵引性能曲线

由图3和图4的牵引力性能曲线及列车重量，可以计算出CRH6－200型动车组加速度为0.651m／s2，CRH6－160型动车组的加速度为0.810m／s2。计算结果表明：正常工况时加速度性能满足要求；25%动力损失时，在平直道可以达到最高运行速度，在30‰坡道上可以起动，并在恒功区达到平衡；救援工况下，1列空车在30‰坡道上可以救援1列重车。

4.2 运行仿真计算

根据仿真计算出的牵引特性，针对相应的线路进行列车运行模拟仿真，得到运行区段的列车速度－距离曲线、运行时分曲线、加速度／减速度曲线、能耗曲线、牵引力曲线、坡道最高运行速度、不同线路坡度的加速距离和制动距离、故障模拟运行结果等牵引计算要求的所有参数与曲线。根据线路数据进行了模拟运行仿真计算（见图5），结果表明列车的平均旅行速度能满足指标要求。

图5 CRH6－160型动车组模拟仿真运行

在坡道故障起动、坡道救援等绝端工况下，需要对牵引电机、变流器和变压器进行仿真计算，从而考核牵引系统设备温升热容量是否达到其限值。仿真结果见图6、图7所示，都能满足要求。

图6 变压器热态工况温升仿真

图7 牵引电机最恶劣工况下的温升仿真

4.3 试验验证

最终的设计研究结果需用试验来作验证，应进行各部件试验、牵引联调、牵引制动地面试验、装车试验等一系列试验来验证设计的科学合理性。

牵引电机、变压器和变流器样机试制完成后，进行牵引电机、变压器和变流器型式试验；然后进行牵引联调、牵引制动地面试验及整车型式试验，以验证牵引系统的输出特性是否符合牵引特性设计要求，并对列车旅行速度进行验证。

5 结语

本文通过建立动车组牵引系统关键技术参数间的函数关系，分析各参数之间的内在联系。根据CRH6型城际动车组的项目特点，针对CRH6－160型动车组站站停和CRH6－200型动车组大站停的运营模式，分析了二者牵引性能的差异，并在理论分析的基础上初步确定了牵引系统设备的主要技术参数。

然后根据所选择的牵引设备参数，进行牵引特性计算和仿真计算，将计算结果与要求的牵引性能指标对比，进行反复修正与验证，最终确定牵引系统设备参数和特性曲线。另外，在故障和救援工况下，牵引性能也须达到相应的指标要求。为了进一步验证所选的设备是否满足指标要求，还需要对设备进行型式试验、联调试验和整车试验。

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