李友瑜 楊守?zé)?陽(yáng)吉初 劉能文

(1.株洲聯(lián)誠(chéng)集團(tuán)有限責(zé)任公司,412001,株洲;2.湘潭大學(xué)機(jī)械學(xué)院,411105,湘潭∥第一作者,工程師)

地鐵列車制動(dòng)電阻的種類及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李友瑜1,2楊守?zé)?陽(yáng)吉初1劉能文1

(1.株洲聯(lián)誠(chéng)集團(tuán)有限責(zé)任公司,412001,株洲;2.湘潭大學(xué)機(jī)械學(xué)院,411105,湘潭∥第一作者,工程師)

介紹了地鐵列車制動(dòng)電阻的種類、結(jié)構(gòu)型式及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)一種制動(dòng)電阻的計(jì)算及設(shè)計(jì)實(shí)例,說(shuō)明了制動(dòng)電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,并對(duì)制動(dòng)電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

地鐵;制動(dòng)電阻;優(yōu)化設(shè)計(jì)

First-author's addressZhuzhou Lince Group Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

地鐵客車的運(yùn)行特點(diǎn)是站距短,列車運(yùn)行密度高,起制動(dòng)頻繁,制動(dòng)減速度大。具有控制精確、制動(dòng)平穩(wěn)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)的再生制動(dòng)已經(jīng)在地鐵的客車中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外軌道交通的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的20%及以上。這些再生能量除了按一定比例(根據(jù)列車行車密度和區(qū)間距離的不同而異)被其他相鄰列車吸收利用外,剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收,將導(dǎo)致地鐵直流電網(wǎng)電壓大幅度升高,會(huì)威脅牽引電網(wǎng)及列車行車安全。

雖然國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一些列車再生能量回收技術(shù)的研究和應(yīng)用實(shí)踐,如超級(jí)電容、飛輪等,但這些技術(shù)目前還屬起步階段,尚無(wú)法大量應(yīng)用。在這些技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性突破前,多余的再生制動(dòng)能量仍將以電阻消耗為主。

雖然制動(dòng)電阻的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟可靠,但目前國(guó)內(nèi)外的資料尚沒(méi)有對(duì)各種制動(dòng)電阻進(jìn)行總結(jié)。因此本文對(duì)此進(jìn)行了歸類說(shuō)明,以便于地鐵設(shè)計(jì)時(shí)作為參考。另外,若不對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的制動(dòng)電阻要么盈余度太大造成投資浪費(fèi),要么達(dá)不到散熱要求導(dǎo)致燒損,或者因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致很多故障的發(fā)生。因而,在制動(dòng)電阻設(shè)計(jì)時(shí)必然要考慮對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 地鐵列車制動(dòng)電阻的種類

1.1 按制動(dòng)電阻冷卻形式分類

制動(dòng)電阻在消耗列車多余的再生能量時(shí),其產(chǎn)生大量的熱能必需散發(fā)到大氣中去。因此,若不能采取有效的散熱手段,制動(dòng)電阻產(chǎn)生的熱能將聚集在制動(dòng)電阻內(nèi)部,在很短的時(shí)間內(nèi)就足以導(dǎo)致制動(dòng)電阻燒損。按冷卻形式,制動(dòng)電阻可分為強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻和自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻兩類。

1.1.1 強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻

強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻的結(jié)構(gòu)一般為一組或數(shù)組制動(dòng)電阻元件封閉在一個(gè)通風(fēng)風(fēng)道內(nèi);風(fēng)道的一端安裝有一臺(tái)風(fēng)機(jī),另一端通向大氣;電阻帶平行于通風(fēng)方向布置,以利于減小風(fēng)阻和提高散熱效率。

此種制動(dòng)電阻的顯著優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕,便于在車輛上安裝而不占用過(guò)多的設(shè)備安裝空間,因而適用于安裝空間有限而制動(dòng)功率較大的情況。但由于其需要一臺(tái)用于散熱的風(fēng)機(jī),必然會(huì)增加列車的能量消耗和噪聲;另外,為確保通風(fēng)正常、防止制動(dòng)電阻燒損,還必須安裝風(fēng)壓監(jiān)控及溫度監(jiān)控裝置。因此,雖然其初期投資成本在各種制動(dòng)電阻中是最低的,但長(zhǎng)期應(yīng)用成本較高。

1.1.2 自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻

自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻的結(jié)構(gòu)一般為一組或數(shù)組制動(dòng)電阻元件布置在一個(gè)相對(duì)開(kāi)放(滿足基本的外部防護(hù)要求)的框架內(nèi);電阻帶垂直于地面布置以利于空氣自然對(duì)流換熱。

由于不需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱,不需要額外的能量消耗,而且由于其結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單,故障率很低,不需要額外的監(jiān)控裝置,因此長(zhǎng)期應(yīng)用成本較低。但由于其采用自然通風(fēng)冷卻,必然需要很大的空間布置電阻帶,且質(zhì)量大,因而只適用于制動(dòng)功率較小且具有足夠設(shè)備安裝空間的場(chǎng)所。此外,此種制動(dòng)電阻為增加電阻帶熱容量,電阻帶使用量也大大增加,初期投資成本也因而大大增加。

1.2 按制動(dòng)電阻安裝位置分類

目前,國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)地鐵列車的制動(dòng)電阻均采用車載制動(dòng)電阻方式,也有部分城市軌道交通的線路制動(dòng)電阻直接掛接在牽引變電所直流母線而安裝到地面上。

1.2.1 車載型制動(dòng)電阻

車載型制動(dòng)電阻分散安裝在各動(dòng)車底板下。同時(shí),制動(dòng)斬波器須集成在VVVF逆變器,可直接檢測(cè)線電壓,因而控制較為容易,列車運(yùn)行較為靈活可靠。由于車載型制動(dòng)電阻只需要考慮本列車多余再生制動(dòng)能量的吸收,因此體積和容量均不大。雖然其產(chǎn)生的熱量會(huì)帶來(lái)隧道和站臺(tái)內(nèi)的溫升問(wèn)題,但單列車產(chǎn)生的熱量對(duì)線路環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)增加有限。由于需安裝在車輛上,必然要占用有限的設(shè)備安裝空間,增加了車輛的質(zhì)量以及購(gòu)置、維護(hù)成本。

1.2.2 地面型制動(dòng)電阻

若采用地面型制動(dòng)電阻,每個(gè)牽引變電所均須安裝一套,并須有配套的制動(dòng)控制系統(tǒng)。地面型制動(dòng)電阻可安裝在地下?tīng)恳冸娝鶅?nèi),也可單獨(dú)安裝在地上。它通過(guò)檢測(cè)直流母線電壓調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比而改變制動(dòng)電阻消耗功率。但其制動(dòng)控制系統(tǒng)的控制難度大,使列車運(yùn)行可靠性降低。由于在一個(gè)牽引變電所供電范圍內(nèi)有數(shù)列列車運(yùn)行,需要消耗的制動(dòng)能量大大增加,因此制動(dòng)電阻體積和容量龐大;同時(shí),由于產(chǎn)生的大量熱量集中排放,必須有制動(dòng)電阻專門的散熱環(huán)控設(shè)備。這些設(shè)備占用了線路的有限空間,使地鐵的建設(shè)成本也有所增加。另外,地鐵線路一般位于城市繁華區(qū)段,在地上安裝制動(dòng)電阻的成本將更加高昂,且會(huì)影響周邊環(huán)境。

2 制動(dòng)電阻種類的選擇

由于各種制動(dòng)電阻各有優(yōu)缺點(diǎn),因此在地鐵線路設(shè)計(jì)時(shí),就要綜合考慮線路的地理?xiàng)l件、對(duì)環(huán)境的影響、列車制動(dòng)能量等系列因素,并對(duì)各制動(dòng)電阻方案進(jìn)行全壽命周期成本分析,以選擇最適于該線路條件、全壽命周期成本最少的方案。

另外,合理安排列車發(fā)車間隔時(shí)間,使列車制動(dòng)時(shí)相鄰列車運(yùn)行于同一牽引變電所供電范圍內(nèi)且處于牽引工況,可最大限度利用再生制動(dòng)能量,減少制動(dòng)電阻上的電能消耗,從而可選擇功率、體積更小的制動(dòng)電阻,以降低制動(dòng)電阻采購(gòu)和使用成本。

例如,某地鐵線路由于大部分位于人口稠密的繁華地段,人流量較大,為了減少建設(shè)成本同時(shí)減少對(duì)周邊居民環(huán)境的影響,選擇車載制動(dòng)電阻類型;由于車底設(shè)備安裝空間有限,選擇了占用空間較小的強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻。

3 制動(dòng)電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

某制動(dòng)電阻為一地鐵車載強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻,采用車底懸掛方式安裝。它包括一臺(tái)風(fēng)機(jī),一個(gè)內(nèi)部裝有電阻元件的通風(fēng)風(fēng)道及一套監(jiān)測(cè)通風(fēng)和電阻帶溫度的監(jiān)控裝置。

為了使該制動(dòng)電阻在滿足線路運(yùn)行條件的前提下達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,就必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 對(duì)制動(dòng)電阻的溫升進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算

在計(jì)算制動(dòng)電阻的溫升前必須先初步確定該制動(dòng)電阻的一些基本數(shù)據(jù),如散熱面積、冷卻方式及風(fēng)量、規(guī)格及重量、風(fēng)道尺寸等。

3.1.1 制動(dòng)電阻的基本技術(shù)參數(shù)

制動(dòng)電阻的基本技術(shù)參數(shù)如下:

1)電阻段阻值R(20℃時(shí))為2.26 Ω×2;

2)額定電壓為1800 V;

3)電阻帶允許最高溫度＜600℃;

4)最大功率為1120 kW×2;

5)柜體尺寸(不包括風(fēng)機(jī)及接線盒)為923 mm(長(zhǎng))×760 mm(寬)×603 mm(高);

6)制動(dòng)電阻功率曲線見(jiàn)圖1。

3.1.2 制動(dòng)電阻溫度模擬計(jì)算

制動(dòng)電阻內(nèi)溫度場(chǎng)是一個(gè)非線性溫度場(chǎng),要進(jìn)行精確的模擬分析必須建立相應(yīng)的有限元模型。但在制動(dòng)電阻參數(shù)設(shè)計(jì)階段若參數(shù)調(diào)整,又必須重新建立模型,故有限元模型顯然是不適合的。

根據(jù)對(duì)流換熱理論,實(shí)際計(jì)算時(shí)是按以下模型進(jìn)行計(jì)算:

1)單個(gè)電阻元件內(nèi)電阻帶表面溫度均勻;

2)換熱方式為強(qiáng)迫對(duì)流外掠平板紊流換熱。

3.1.2.1 制動(dòng)電阻溫度模擬計(jì)算步聚

1)確定冷卻方式:由于此制動(dòng)電阻的額定功率較大,而柜體尺寸很小,必須采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式。

2)確定通風(fēng)截面尺寸:根據(jù)IEC 60322標(biāo)準(zhǔn)的電阻元件框架對(duì)地電氣間隙及爬電距離的要求,計(jì)算出電阻元件框架離柜體的最小尺寸;再由柜體截面尺寸減除該尺寸,確定出通風(fēng)截面尺寸W(寬)×H(高)。

3)確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量:根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),初步取冷卻風(fēng)速V(m/s),算出冷卻風(fēng)量為Q(m3/s)。此參數(shù)根據(jù)溫升計(jì)算結(jié)果再進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4)確定電阻帶的規(guī)格尺寸及質(zhì)量:根據(jù)通風(fēng)區(qū)域尺寸及電阻值要求,初步計(jì)算出電阻帶規(guī)格為δ(厚)×w(寬)×l(長(zhǎng))。

5)采用強(qiáng)迫對(duì)流外掠平板紊流換熱模型,利用VBA軟件,編制模擬計(jì)算程序(程序界面見(jiàn)圖2);輸入制動(dòng)電阻功率曲線,再分別輸入以上各參數(shù)數(shù)值,計(jì)算出制動(dòng)電阻各時(shí)間點(diǎn)的溫度并繪制溫度時(shí)間曲線。

圖1 制動(dòng)電阻功率曲線

3.1.2.2 模擬計(jì)算結(jié)果

模擬計(jì)算往往不會(huì)一次得到理想的結(jié)果,會(huì)出現(xiàn)計(jì)算溫度超出電阻帶允許的工作溫度;或者比允許溫度低得太多,造成盈余過(guò)大。因此,需要不斷調(diào)整計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反復(fù)模擬計(jì)算。若計(jì)算溫度過(guò)高,說(shuō)明散熱面積、風(fēng)量或者電阻帶質(zhì)量不夠。這就要相應(yīng)調(diào)整電阻帶寬度、電阻帶厚度和通風(fēng)風(fēng)量,直至計(jì)算溫度值接近且低于電阻帶允許的工作溫度;反之亦然。

最后確定的參數(shù)見(jiàn)圖2;計(jì)算出的溫度曲線見(jiàn)圖3。由圖3可知,溫度曲線最高點(diǎn)為530℃,接近且低于允許的工作溫度600℃?？紤]到制動(dòng)電阻內(nèi)溫度場(chǎng)的不均勻性,此計(jì)算結(jié)果是合適的。

圖2 制動(dòng)電阻溫度模擬計(jì)算程序的界面

圖3 制動(dòng)電阻溫度曲線

3.2 制動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 優(yōu)化制動(dòng)電阻帶的表面形狀

優(yōu)化制動(dòng)電阻帶的表面形狀,合理布置電阻元件,以強(qiáng)化制動(dòng)電阻散熱能力。前面溫升計(jì)算采用的是紊流計(jì)算公式。但是,若電阻帶表面平直,電阻帶表面的層流底層厚度將明顯增厚,從而使換熱系數(shù)大大降低。因此必須改變電阻帶表面形狀(見(jiàn)圖4),以增加冷卻空氣的紊流度,減小層流底層厚度,提高換熱系數(shù)。

圖4 改變后的電阻帶表面形狀(單位:mm)

另外,將相鄰兩電阻元件的電阻帶進(jìn)行“叉排”(見(jiàn)圖5),使氣流流經(jīng)下一電阻元件時(shí)的流動(dòng)方向發(fā)生改變,也有助于提高紊流度,提高換熱效率。

圖5 電阻帶“叉排”示意圖

3.2.2 防電阻帶熱變形的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電阻帶的線脹系數(shù)為19×10-6/℃,電阻元件兩絕緣子間電阻帶長(zhǎng)度為365 mm。當(dāng)電阻帶溫度由20℃升高到600℃時(shí),電阻帶將膨脹4 mm。如果電阻帶兩端固定,產(chǎn)生的彎曲變形將達(dá)到23.5 mm。因此,電阻帶兩端與絕緣子安裝處采用腰形孔,以保證兩端各有2 mm的調(diào)整間隙(見(jiàn)圖6)。除此以外,在電阻帶中部加裝一隔離瓷柱(見(jiàn)圖7),以保證即使電阻帶彎曲變形也不至于引起電阻帶間接觸短路。

圖6 防電阻帶變形結(jié)構(gòu)

3.2.3 優(yōu)化電阻元件阻值

由于制動(dòng)電阻由12個(gè)電阻元件組成,冷卻空氣經(jīng)過(guò)前面的電阻帶加熱后溫度升高,從而使靠近出風(fēng)口方向的電阻帶換熱系數(shù)降低,使最后面的電阻帶表面溫度將大大高于最前面的,從而不能充分利用前面電阻帶的熱容量。經(jīng)過(guò)計(jì)算,由進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口分別采用三種阻值為R1、R2、R3(R1＞R2＞R3)的電阻元件,提高進(jìn)風(fēng)口處電阻元件發(fā)熱量,降低出風(fēng)口處電阻元件發(fā)熱量,使各電阻元件的表面溫度均勻。

圖7 電阻帶間隔離

3.2.4 制動(dòng)電阻可維護(hù)性的優(yōu)化

由于制動(dòng)電阻使用環(huán)境惡劣,不可避免地有燒損現(xiàn)象發(fā)生,并且有大量灰塵需要經(jīng)常清理,因此需要使制動(dòng)電阻的維護(hù)方便快捷。

本制動(dòng)電阻將電阻元件設(shè)計(jì)成抽屜式結(jié)構(gòu)。維護(hù)時(shí),只需將有問(wèn)題的電阻元件抽出即可更換。另外,將制動(dòng)電阻底板設(shè)計(jì)成鎖扣型式,拉開(kāi)鎖扣即可打開(kāi)底板對(duì)制動(dòng)電阻內(nèi)部進(jìn)行維護(hù)作業(yè),大大縮短了維護(hù)作業(yè)的時(shí)間和強(qiáng)度。

3.3 制動(dòng)電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向

以上只是某一制動(dòng)電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)于不同線路、不同種類的制動(dòng)電阻,其具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法雖有所不同,但方向都是一致的。即結(jié)構(gòu)盡可能緊湊,質(zhì)量盡可能小,能夠承受車輛的振動(dòng)沖擊,能有效地冷卻并具有高可靠性和可維護(hù)性,并使制動(dòng)電阻全壽命周期成本最小化。

為使制動(dòng)電阻的結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小,并能有效地冷卻,就必須對(duì)制動(dòng)電阻溫升進(jìn)行盡可能精確的分析。有條件的可采用有限元分析方法,使制動(dòng)電阻帶使用量最小化、風(fēng)量及風(fēng)道尺寸最小化,并合理布置電阻帶,使溫度分布均勻,避免局部高溫的出現(xiàn)。

為能夠承受車輛的振動(dòng)沖擊,就必須使制動(dòng)電阻具有足夠的強(qiáng)度和剛性。通過(guò)有限元強(qiáng)度分析和模態(tài)分析,并通過(guò)樣機(jī)的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證制動(dòng)電阻抗振動(dòng)的沖擊性能。

為保證制動(dòng)電阻的高可靠性,就必須在設(shè)計(jì)的全過(guò)程進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的失效模式分析,發(fā)現(xiàn)存在的失效隱患并予以改進(jìn),以便有效地避免失效的發(fā)生。

縮小制動(dòng)電阻全壽命周期成本除了選擇制動(dòng)電阻種類外,還與制動(dòng)電阻的可靠性、可維護(hù)性有很大關(guān)系?？煽啃圆桓?必然故障較多,維護(hù)次數(shù)和成本增加;而若可維護(hù)性不好,必然增加維護(hù)的時(shí)間和強(qiáng)度,從而增加維護(hù)成本。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),制作了該型制動(dòng)電阻,并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

由于試驗(yàn)條件限制,不能完全模擬制動(dòng)電阻功率曲線來(lái)進(jìn)行試驗(yàn),因此采用等周期能量模擬試驗(yàn)方法。即試驗(yàn)周期與功率曲線相同,每個(gè)周期輸入的能量也與功率曲線每個(gè)周期的能量相等。型式試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖8)中測(cè)點(diǎn)4的溫度曲線為所有測(cè)點(diǎn)中檢測(cè)到的最高溫度曲線,其溫度曲線最大值為538℃。

試驗(yàn)結(jié)果表明,模擬計(jì)算溫度曲線與試驗(yàn)得到的溫度曲線基本一致,基本反映了制動(dòng)電阻的實(shí)際工況。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的制動(dòng)電阻獲得了國(guó)家專利,并在上海軌道交通1號(hào)線車輛“6改8”和廣州地鐵1號(hào)線中得到了應(yīng)用。長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的結(jié)果表明,該制動(dòng)電阻的性能可靠,維護(hù)方便,滿足了用戶的要求。

圖8 型式試驗(yàn)溫度曲線

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Types of Metro Braking Resistor and Optimal Design

Li Youyu,Yang Shouhuan,Yang Jichu,Liu Nengwen

In this paper,the types of metro braking resistor,their configurations,advantages and disadvantages are introduced.A calculation and the optimal design of braking resistor is presented,and the direction of braking resistor development is briefly analysed according to the design process.

metro;braking resistor;optimal design

U 270.355

2009-06-18)