某胶轮无轨电车牵引计算与线路仿真

某胶轮无轨电车牵引计算与线路仿真

付云 

中车唐山机车车辆有限公司电气开发部牵引室

摘要：胶轮无轨电车兼具轨道车辆与汽车的结构特征、运行要求，进行牵引系统设计时需要综合考虑其特殊性。本文以无轨电车启动加速度、平均加速度、坡道能力、最高运行速度等技术要求为设计目标，分别采用轨道车辆、电动汽车两种牵引计算方案，分析某胶轮无轨电车牵引特性，并进行运行线路仿真。结果表明，两种计算方案得出的整车功率需求相同，最大峰值转矩不同，并得出了车辆牵引特性为车辆牵引设计提供参考。

关键词：胶轮无轨电车轨道车辆电动汽车   牵引特性

1.引言

胶轮无轨电车，是基于公司战略、适应市场需求，开展的生产类项目。该无轨车为基于胎、地耦合的虚拟轨道胶轮电动车辆，兼具轨道车辆与汽车的结构特征、运行要求，进行牵引系统设计时需要综合考虑其结构与路线的特殊性。当前文献资料对无轨电车牵引设计分析较少，关于轨道车辆和汽车计算方法的比较也少见报道。本文根据车辆设计输入、实际运行要求等，分别采用轨道车辆、电动汽车两种牵引计算方案，分析某胶轮无轨电车牵引特性以及两种方案计算结果，提出车辆牵引特性，为整车设计提供参考。

2.设计输入

该车辆为三辆编组、胶轮无轨电车，首末站充电。车辆设计输入如表2-1所示，其中包括车辆设计参数（1-4）和车辆技术要求（5-11）。

表2-1总体车辆动力指标及参数

3.采用轨道车辆方案进行牵引计算

牵引电机作为车辆行驶的动力源，其功率、转矩需满足车辆加速性能、最大爬坡度、故障运行以及最高车速的要求。本章将分平直道、坡道、故障三种运行模式，根据电机性能需求进行不同模式牵引计算，本计算采用恒转矩+恒功率牵引特性，整车选用四台牵引电机。因电机功率、转矩、转折点速度选择，均影响平均加速度，本文重在范围讨论，故计算中选择满足需求的最小峰值转矩进行功率计算，提出牵引方案。

3.1基本阻力

考虑该车辆为胎、地耦合的虚拟轨道胶轮，运行阻力采用汽车阻力计算方案。根据汽车行驶受力分析[1]，汽车运行阻力F包括滚动阻力Ff和空气阻力Fw，即

(1)

其中，滚动阻力

(2)

Ga—车辆总重力；

f—滚动阻力系数；

考虑车重、车型等因素，f值采用下式计算

(3)

空气阻力

(4)

Cd—风阻系数，轿车取0.4-0.6，货车取0.8-1.0，大客车取0.6-0.7，根据车辆定位、密度、外观，初定确定为0.75；

A—车辆迎风面积m2，，根据车辆总体设计目标，取8.25；

v—行驶速度km/h；

综上，车辆运行基本阻力公式：

(5)

m—AW4车辆重量kg。

3.2平直道计算

平直道运行技术要求：

启动加速度≥1.5m/s2；

0-40km/h平均加速度≥0.95m/s2；

0-70km/h平均加速度≥0.7m/s2；

最高运行速度70km/h，且剩余加速度≥0.05m/s2。

（1）车辆启动

车辆以恒转矩方式启动，启动牵引力

其中Rq为v=0时的运行阻力；

a0为启动加速度a0=1.5m/s2；

F1为启动阻力，F1=m*f1，f1为单位启动阻力，一般取5N/kN；

为满足，恒转矩运行时，最小启动牵引力：

F0=108.78kN；

则启动牵引力应大于108.78kN，取启动牵引力F0=110kN；

启动时时轮轴牵引力Fz=F0/4=27.5kN；

电机转矩

(6)

D—新轮轮径；

i—齿轮传动比；

启动时电机转矩：T= 2220N·m

（2）平直道最高速度运行

为满足，运行到v=70km/h时剩余加速度为a70=0.05m/s2，运行阻力Rq70，最小牵引力F70，功率P70，则

F70=m*a70+Rq70=12.35kN

功率P70=F70*v=240kW

（3）恒功率计算

为满足、，预估速度达到70km/h，加速度为a=0.4m/s2，此时：

牵引力F=m*a+Rq70=35.8kN；

功率P=696kW；

取启动牵引力为F0=110kN，为保证恒转矩+恒功率牵引特性，转折点应满足P/v≤F0，即v≥23km/h。

图3-1为F0=110kN，P=696kW，转折点速度v=23km/h，牵引特性曲线。

图3-1 牵引特性曲线（P=696kW，转折点速度v=23km/h）

此时启动加速度a0=1.57m/s2，0-40km/h平均加速度a1=1.31m/s2，0-70km/h平均加速度a

2=0.827m/s2，满足技术要求、。

由图3-1可知，启动转矩、恒功率一定，随转折点速度增大，恒转矩区平均牵引力减小，即平均加速度减小。

经计算验证，启动牵引力F=110N下，满足技术要求、的最小功率为600kN，对应的转折点速度为20km/h。此时0-40km/h平均加速度a1=1.2m/s2，0-70km/h平均加速度a2=0.71m/s2，图3-2为F0=110kN，P=600kW，转折点速度v=20km/h，牵引特性曲线。

图3-2 牵引特性曲线（P=600kW，转折点速度v=20km/h）

若进一步减小功率，为满足技术要求、，需提高恒转矩，图3-3为F0=142kN，P=580kW，转折点速度v=15km/h，牵引特性曲线。此时0-40km/h平均加速度a1=1.26m/s2，0-70km/h平均加速度a2=0.7m/s2。

图3-2 牵引特性曲线（P=580kW，转折点速度v=15km/h）

3.3坡道计算

坡道运行技术要求：

9%坡道，速度可到20km/h；

12%坡道能够启动。

（1）坡道运行

车辆坡道阻力

，

为坡度；

为满足，车辆牵引力F=F9%+Rq20，其中F9%为9%坡道阻力，Rq20为20km/h下运行阻力；

坡道阻力F9%=m*g*9%=59.094kN

车辆牵引力F=64.089kN

整车轮周功率P=F*v=356.05kW

因此，整车功率不应低于357kW

（2）坡道启动

为满足,初定启动加速度为a=0.05m/s2，则牵引力

F=m*a+m*g*0.12+Rq0+F1=90.42kN

电机轮周牵引力F周=F/4=22.6kN

电机转矩T=1776N·m

3.3故障模式计算

故障模式技术要求：

车辆损失一台电机，AW4载荷下9%坡道能够启动。

启动阻力F阻 =F9%+Rq，Rq为启动阻力，F阻=64.089kN；

要满足，整车牵引力为F，应满足3/4F>F阻，即F>85.452kN

3.4小结

综上计算，要保证车辆同时满足技术需求-，电机峰值转矩应大于2220N·m；启动牵引力F=110kN，整车功率应不小于600kW。车辆牵引特性曲线如图3-4所示：

图3-4车辆牵引特性曲线

4.汽车方案牵引计算

根据标准GB/T18385—2005《电动汽车 动力性能试验方法》中规定及汽车行驶受力分析，其功率平衡方程式为[2]：

=                    (7)

=       (8)

=             (9)

其中，m、f、Cd、A与3.1中相同；

—最大车速，km/h；

—最大爬坡度；

—最大爬坡度对应的车速，km/h；

—终点加速车速,km/h；

—汽车旋转质量换算系数，取1.1；

—最高车速对应的功率kW；

—最高车速对应的功率kW，即0-70km/h加速时间对应的电机功率；

—最高车速对应的功率kW；

电机功率应取三者中的最大值，即P≥max（P1、P2、P3），代入计算可得：

P1=175kW；

P2=371kW； 

P3=596.62kW；

电机峰值转矩一般取满足汽车最大爬坡度要求对应的转矩，即

电机最大转矩T=Tmax/4=1261N·m

5.计算结果分析

相同技术要求下，采用两种计算方案得到的整车功率相同，因汽车方案一般取最大爬坡度转矩为峰值转矩，该转矩不满足车辆启动要求，因此选择轨道车辆方案确定峰值转矩。

6.车辆线路仿真

采用常州有轨电车线路条件对车辆进行线路仿真，全程17.63公里，设9个站点，启动牵引力110kN。图4-1是车辆运行速度-时间图，表4-1是无惰行正常模式计算结果。

图4-1 车辆运行速度-时间图

表4-1 网压AC 25kV下AW4载荷无惰行正常模式计算结果

根据仿真数据可知，牵引电机额定功率P=牵引耗能/运行时间=（88.31-54.62）/（0.29×4）=29kW。

7.结论

本文综合考虑无轨车辆胎、地耦合的虚拟轨道胶轮结构，分别采用轨道车辆和汽车计算方案，通过逐条分析各种情况运行要求，计算得出牵引电机特性参数：确保车辆按要求启动，电机转矩应大于2220N·m；启动牵引力110kN下，整车功率应不小于600kW，即电机功率不小于168kW。在此输入条件下，进行线路仿真，得出电机额定功率为29kW。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]陈宏，张桂连.某纯电动车驱动电机选型及仿真分析.汽车电器，2018：10.

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