齿轮传动比对动车组牵引特性的影响

张川宝，汤钰鹏

(北京交通大学 电气工程学院，北京 100004)

0 引言

2008年8月1日，我国第一条拥有自主知识产权的高速城际铁路——京津城际铁路通车运营.截至2010年7月28日，中国北车唐山客车公司制造的最高时速350 km/h CRH3-350动车组，在京津城际高速铁路、武广高速铁路客运专线和沪宁城际高速铁路的安全运营总里程已经突破2000万公里，这标志着我国高铁技术以其快速、安全、可靠的运营品质，跻身世界铁路先进行列［1］.但CRH3-350动车组运行中出现的一些小问题也值得我们去研究和探讨，比如部分动车组动力轮对与电机之间的齿轮箱存在的渗油问题.本文主要从动车组牵引传动系统中齿轮传动比的改变对齿轮箱渗油问题的影响进行分析.

1 系统构成

图1 CRH3-350动车组主电路原理框图

动车组牵引传动系统主要有受电弓、牵引变压器、四象限脉冲整流器、中间直流环节、牵引逆变器、三相交流异步电动机、齿轮传动系统等组成［2］.CRH3-350型动车组主电路原理框图如图1.

受电弓将接触网的25kV单相工频交流电输送给牵引变压器，经变压器降压后的单相交流电供给四象限脉冲整流器，四象限脉冲整流器将单相交流电变换成直流电，经中间直流环节将直流电输给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压、电流、频率可控的三相交流电供给三相异步电动机，牵引电机轴输出的转矩与转速通过齿轮传动传递给轮对，转换成轮缘牵引力和线速度.

2 控制策略及运行中存在的问题

图2 CRH3-350动车组牵引特性曲线

CRH3-350型动车组设计牵引特性曲线如2所示 (标称网压、半磨耗车轮、设计重量、齿轮传动比为2.788、逆风 15 km/h)［3］.通过对动车组牵引电机的控制，可使动车组按照牵引特性曲线运行.

2.1 控制方式

动车组牵引传动系统的控制原理如图3［4-5］，采用交流电机转子磁场定向矢量控制方法［6］.设v*为速度指令，v为实际速度，则Δv=v*－v，当Δv＞5 km/h时，系统切入牵引模式，牵引电机转矩指令计算公式:

其中，Te*为1台牵引电机输出转矩;F为牵引特性曲线牵引力;r为车轮半径;N为动车组牵引电机总数;a为传动比;ηGear为齿轮传动效率.

当Δv＜－5 km/h时，系统切入再生制动模式，牵引电机转矩指令计算公式与牵引模式相同.

当 －5 km/h≤Δv≤5 km/h时，系统切入恒速控制模式;当传动系统由牵引切换为恒速控制(称为牵引恒速控制模式)，即动车组运行速度进入设定速度指令(v*－5)km/h范围内时，牵引电机的转矩指令计算式为:

当 －2 km/h≤Δv＜1 km/h时，动车组进入惰行工况;当Δv=1 km/h时，动车组再次运行在牵引恒速控制模式，稳定在(v*－1)km/h.

图3 动车组控制原理图

电机转速与动车组运行速度换算关系:

式中，n为电机转速;d为车轮直径.

CRH3高速动车组基本阻力公式为:

式中，fz为动车组基本阻力;m为动车组总质量.

由式(1)、式(5)可得归算到每台牵引电机的负载转矩为:

2.2 动车组实际运行中存在的问题

CRH3-350动车组原设计持续运行速度为300 km/h，而列车的实际运行最高速度在330 km/h，动车组在按照上述牵引特性曲线运行过程中，如果长时间以最高速度运行，就会产生齿轮箱渗油现象.齿轮箱渗油除了与主从动齿轮和齿轮箱的机械结构有关外，还应与动车组牵引传动系统中牵引电机转速有关.

3 改进方案分析

动车组牵引电机转速越高，齿轮箱内的油脂受到的离心力越大，如果齿轮箱机械结构设计不合理，就会产生渗油现象.由式(4)可得，通过减小原齿轮传动比2.788，可以降低相同动车组速度下电机的转速，从而减小齿轮箱内油脂所受的离心力，避免齿轮箱出现的渗油现象.

3.1 动车组功率特性分析

动车组在低速阶段，由式(1)得，牵引电机输出转矩不变情况下，齿轮传动比减小时，动车组的牵引力降低.要保持牵引电机输出转矩不变，动车组功率特性曲线必须向下移动.在相同质量和牵引功率情况下，随着传动比的减小，CRH3-350型动车组0～200 km/h的平均加速度略有减小，加速至最高速度时剩余加速度不变，但加速时间和加速距离略有增加，传动比调整为2.429能够满足0～200 km/h的平均加速度不小于0.4 m/s2的要求［7］.齿轮传动比为 2.788 和 2.429 时，CRH3-350动车组牵引特性曲线如图2.

3.2 牵引电机特性分析

齿轮传动比减小后，牵引电机的特性并不发生变化，由式(4)得在同样动车组速度区间内，只是电机运行速度区间变小.CRH3-350动车组1TB2019型牵引电机［8］特性曲线如图4所示.

图4 动车组速度0～300 km/h范围内牵引电动机运行特性曲线

3.3 变流器牵引电机容量分析

齿轮传动比改变后，恒功速度点之前运行时，动车组总功率减小，恒功点之后动车组功率不变.因此CRH3-350动车组系统变压器容量、变流器容量和电机容量均符合要求，不需要调整.

4 仿真分析

根据动车组牵引传动系统控制框图搭建Matlab/Simulink仿真模型.牵引电机仿真参数为:功率560 kW，额定线电压2 750 V，额定频率138 Hz，定子电阻 0.106 5 Ω，定子漏感 1.31 mH，转子电阻0.066 3 Ω，转子漏感1.93 mH，互感53.6 mH，转动惯量1.5 kg·m2，极对数2.变流器中间直流电压取36 00 V.

当给定速度v*由100→200→300→250 km/h变化时，按照齿轮传动比为2.788和2.429，分别进行仿真，并测量电机转速、电机输出转矩、电机电流.各波形如图5所示，a1、b1、c1为齿轮传动比为2.788 时波形，a2、b2、c2 为齿轮传动比为2.429 时波形.

通过分析仿真波形，可以得出:

(1)动车组相同速度时，齿轮传动比小时，牵引电机转速低.

(2)动车组相同速度时，恒功速度点以前牵引电机输出转矩和电流不变，恒功速度点以后齿轮传动比减小时，牵引电机输出转矩和输出电流增大.

5 结论

通过以上分析，可以得出把CRH3-350动车组齿轮传动比适当降低，并适当改变控制策略，可以降低牵引电机的运行速度，有效避免齿轮箱渗油的发生.CRH3-350动车组已经陆续进入三级修［9］，对运行中出现的一些情况进行总结分析，在三级修过程中加以改进，是CRH3-350动车组安全可靠运行的保障，也可为时速380 km动车组的设计、运行、维护提供一些借鉴经验.

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