轨道车辆新型转向架Syntegra

新型转向架Syntegra

[德国]A．Jockel等

概述

Syntegra新型牵引电动机转向架的设计构思，是由西门子公司运输部研究完成的。这种转向架在很多方面不同于传统的转向架。它集牵引和制动功能为一个系统，减轻了转向架总质量，提高了可靠性和效率，降低了使用寿命期间内的费用。

目前，在市郊列车和地铁列车所使用的机车车辆的转向架中，电力设备是安装在车体之下的。在使用的牵引传动装置中有三相逆变器，用来给2～4台120～300 kW的异步牵引电动机供电。为了传递由牵引电动机至轮对的牵引转矩，必须使用复杂的变速机构及相应的中间元件。这样就造成了转向架成本的增加，而且又降低了传递效率。这类变速机构也是产生噪声和造成润滑油泄漏的主要原因．同时也增加了技术保养的难度。

不仅如此，异步牵引电动机固然有着不容置疑的优点(这也正是它们得到广泛应用的原因)，但是它们也有一定的缺点。如启动转矩太大。这就造成牵引传动部件不得不额外增大其强度。由于电感很小，这就能够在逆变器中造成脉冲式启动转矩和在低速范围内产生很强的噪声。因为转子磨损大，此时水冷式定子的电动机密封性就很难保证。

为了传递转矩，可以采用2种类型的牵引传递方式：

1)当牵引电动机安装在转向架构架上时，通过作为最后一个环节的轴托式悬挂装置将电动机与轮对轴相联。联接是通过带有润滑脂的变速箱来实现的。 2)当牵引电动机和第一级变速箱以整体组件的形式安装在转向架构架上时，使用架托式悬挂装置，将转矩通过空心万向轴式的中间元件来传递给轮对。中间元件中有用橡胶零件制成的弹性联轴节。

在这2种情况下，牵引传动装置都需要占用一定的空间，用于安装、调整和维护保养，况且传动装置中还包括轴承。这也需要进行相应的检查：万向传递机构在每次更换轮对或走行部件后，都需要重新进行调整。

研制新转向架的目的是用非常简单的syntegra转向架来取代传递结构复杂的转向架。这种syntegra转向架不用变速器，可直接将永磁励磁的大转矩同步牵引电动机的转矩传递给轮对。这种转向架的构思方案原本是用于高速电气化列车的，后来才打算用到市郊铁路和地铁的机车车辆上。 1 主要特性

牵引传动特性的主要参数和设计中所采用的基本参数是转矩、功率和牵引逆变器的直流段中的最大电压。

1)转矩一速度曲线图。牵引电动机的转矩一速度曲线见图1。地铁或市郊铁路电气化列车的牵引性能取决于列车中的动力轮对与总轮对数之比，以及轮径尺寸。一般来说，列车在启动时的加速度为1.1～1.3 m／s。一般情况下，牵引电动机的牵引转矩和制动转矩是相同的，然而其制动功率通常是牵引功率的2倍。从电磁特性的观点分析，这一特点与在电制动中尽可能大的电压相配合是牵引电动机设计中须遵循的要项，也是很重要的要求。

2)牵引电动机转矩的机械传递。在很多情况下，地铁列车运行的最高速度不会超过80 km／h。因此，采用轴托式悬挂的牵引传动在轮轨接触时不会出现很大的作用力峰值。这一点从技术上看是允许的，从经济上看也是合理的。机械传

动的类型也是一个很重要的因素。在架托式悬挂中，牵引电动机和轮对之间必须用弹性联轴节，还要严格限制牵引电动机定子外壳的外径尺寸。

然而在安装无变速器的牵引传动装置时，空间只受车轮的限制。此空间取决于轨距、磨耗轮的直径和至线路钢轨顶面的最大允许高度。在这种情况下，转向架是按标准轨距(1435 mm)没计的。图2是无变速器的牵引传动机构的纵向剖面图。

3)电压。在所研究的条件下，牵引供电系统的额定电压定为750 V直流。当处于牵引工作状态时电压可降为500 V，而在制动工作状态时电压可升高至1000 V。

1.l 牵引电动机的设计

1)电磁方面的设计。根据基本要求可确定牵引电动机的主要尺寸。首先是定子的外径和由它所决定的叠片铁心的几何参数。同样，轮对的车轴直径决定了牵引电动机空心轴的直径。

对于永久磁极的高转矩电动机，磁极数量应尽量地多些。因为这样可以减小转子和定子的磁轭厚度，从而可以增加转子的直径，提高转矩值。

在设计永久磁极电动机时，采用了用粘合剂将磁极粘结在转子外表面并用玻璃纤维带扎牢的方案。由于转子的转速相对来说不是很高，玻璃纤维带可以扎得很薄。

由于在列车常用运行速度范围内，磁通分布及其衰减的计算是很困难的。为了得到在规定转矩下所要求的电流和磁通密度值，按照有限元法使用了二维数字分析。

在定子的叠片铁心上装有普通螺旋管状的绕组，用耐热等级为200的MICALASTIC—T绝缘材料层作保护。由于绕组的磁极距很大，其端部可以做得很短，这样有利于结构更紧凑一些。

2)机械方面的设计。牵引电动机的电磁参数确定以后，要计算机械参数和确定结构特点。定子决定采用统一的其横断面为矩形的铸件，其上有4个轴向的冷却水通道，水冷是一项补充措施，有助于减小电动机的尺寸。定子及其绕组要按承受60g的动力负荷来进行强度设计，这是对轴托式悬挂的牵引电动机通常的强度要求。

从两侧将电动机转子的空心轴固定在轮对车轴上。空心轴上安装有转子铁心和钕铁硼合金的磁极，转子同样按照承受60g的动力负荷进行设计。

这种牵引传动的最新颖的设计之一是将电动机转子轴承与轮对轴承结合成一体。这种整体轴承是在轮对的普通轴承基础上又考虑到运用特点而设计的。轴承理论上的使用寿命为30a。然而，如同普通的电动机转子轴承一样，要定期地补加润滑脂。由于润滑脂的软化温度较高，通常在加润滑脂前，先要将其加热。 2 转向架的结构

用于地铁和市郊铁路的机车车辆转向架的设计是与牵引电动机的设计同时进行的。通过对各种不同数学模型的研究、动力性能和轮轨相互作用力的分析表明，在所研究的机车车辆正常运行的120km／h以下的速度范围内，可以将牵引电动机直接安装在轮对车轴上，中间不需要变速器和联轴节。在安装辅助减振器的情况下，该方案也适用于160km／h速度的地区铁路客运列车的机车车辆。质量相对较小的牵引电动机和较小的轮径，使非弹性传动机构的质量不会大于传统的牵引传动机构的质量。这就为实现这种电动机直接安装的非弹性牵引传动创造了条件。

研制Syntegra牵引电动机转向架的目的正如上所述，是要提高机车车辆走行部的效率，即在有效载荷不变的情况下降低转向架的自重和减小安装转向架所需要的车体下的空问，从而有利于进入车底进行检修。

转向架构架及其与车体的连接。Syntegra转向架构架由中心横梁、2个纵向侧梁以及侧梁与中心梁的连接组件组成。中心梁承受着所有水平力的作用。来自机车车辆车体质量的垂直负荷，通过纵向梁传递给弹簧悬挂的轴箱部分。这样就

可以消除转向架构架的扭转。

通过这样一种结构形式，就克服了传统转向架结构的一大缺点。因为轴箱系弹簧悬挂的结构刚度就能保证避免脱轨的可能性，从而提高了运行的安全性。因此装有Syntegra转向架的机车车辆可望有更大的有效载荷，对其悬挂结构的刚度并无限制。

在大家熟悉的装有构架的转向架结构中，构架与轮对轴箱的连接是通过结构复杂的中间元件来完成的。这样就增加了转向架的成本，并且也给技术保养带来了难度。在Syntegra转向架中，这些连接是利用连接中心梁与电动机机架的简单传动杆来完成的，而不用弹性元件。转向架与车体之间的连接结是用一副受压或受拉的连杆来完成的。铰接式一端与车体底架相连，而另一端则与一台牵引电动机的机架相连。通过这些连接杆，实现2台牵引电动机的牵引力或制动力的传递。

该结构方案还有一个优点是，在转向架中不会产生反转矩。反转矩会在牵引或制动工况下，使转向架中的一副轮对卸载。由此更好地发挥了2副轮对间的性能配合作用。这种连接方式的原理见图3。

3 牵引变压器

向Syntegra转向架上的牵引电动机供电的牵引变流器，是带有绝缘栅双极晶体管式的三相逆变器。由于永久磁极的牵引电动机的电流工况与异步牵引电动机的电流工况差不多，所以不需要增加双极晶体管开关模块的公称功率，换向频率也不需要提高。与此同时，转矩和电流的波动以及永久磁极电动机逆变器工作时发生的噪声水平都因电感很大而变得较低。双极晶体管开关模块的逆变器具有

水冷却系统，并且其冷却回路与牵引电动机的水冷却系统相连。

Syntegra转向架逆变器与向现代异步电动机供电的牵引变流器的主要区别在于：每台牵引电动机都需要单独的逆变器。这一点很自然地会增加牵引传动系统的成本，从而成为其一大缺点。

对于使用Syntegra转向架的机车车辆的用户而言，这种新型转向架显示出以下优点：

1)可以在镟轮时选择不同轮径的轮对进行加工。 2)改善了轮轨间的粘着性能。

3)通过对每副轮对的速度和转矩逐个检测，可以降低运行中的振动水平。 一旦永久磁极牵引电动机的逆变器出现故障，应通过机械转换设备切断其电路。这样做的原因是：a)必须确保永磁电动机不给故障逆变器回授直流电流。b)永久磁极电动机在空转状态下的损耗要比鼠笼式转子的异步电动机损耗低。 同步永久磁极电动机转矩的控制与异步电动机的转矩控制有所差别。然而，与转矩和产生磁通的电流有关的内部调节过程仍旧是一样的，即需要调整磁场的方向。异步电动机的磁场定向取决于转子磁通的空间矢量，而对于同步电动机则取决于转子沿转角的方向。为此，在定向时通常要使用转子位置传感器。在刚性的牵引传动中是很难配备复杂灵敏的转子位置传感器的。因此，在这种情况下，就要用专门的装置在规定的电流值和电压下，在中间环上测定转子的位置。 4 制动新思路

与异步牵引电动机相反，永久磁极牵引电动机作为连接到相应的有效电阻的闭合环，会产生出制动转矩。永久磁极电动机的这一特性，为地铁和市郊铁路机车车辆通用的制动方式的重大改革创造了条件。

目前，电动再生制动装置主要是用于平时的正常制动，而电动空气制动装置则主要用于非常制动。这2种制动系统彼此之间是相互独立的。在每次需要进行非常制动时，摩擦制动装置均可发挥作用。即使在电动制动已完全实施的情况下，如仍达不到制动要求，则也要施以摩擦制动。

然而，电动空气摩擦制动装置需要配备或制备诸如储存和输送压缩空气的各种设备以及检测控制用的仪器仪表，而且所有设备仪表及管线等都要求有很高的可靠性。

也就是说，在采用永久磁极牵引电动机后，就不再需要电动空气制动装置了。这就意味着可以有效节约设备费用，腾出车体下很大的空间，减轻机车车辆自重，以及其他方面带来的益处，如消除了闸瓦或镶块的机械磨损和释放出的磨耗粉尘，降低了制动产生的噪声水平，减轻了制动装置维护的工作量。

电动制动的目标是，无论正常制动还是非常制动都要达到所有制动功能的要求。为此，需要研制一种创新的制动系统，以确保制动安全。此外，制动性能的检测和调控系统，应通过对规定的运行参数与实际运行参数的对比，及时发现非常制动工况下的不良动作，并立即迅速地转换到安全的电动制动状态中。 一副轮对的安全电动制动装置由以下部件组成：永久磁极的同步牵引电动机；按三相供电方式接入的制动电阻器；切断电动机与逆变器之间连接的接触器；电动机与制动电阻器的接触开关。

为了保护逆变器并消除来自微处理器的牵引传动控制系统方面对非常制动工况参数的各种影响，切断逆变器的电路是非常必要的。

鉴于这是一种新的系统，故对它有很高的可靠性要求。因此，每副轮对上单独的制动系统都要保证留有足够的安全系数，总之，为了证明电动制动的安全可靠性，必须使它的性能达到欧洲标准EN 61508危险等级的Ⅳ级(可忽略的危险级)，根据列车的编组情况，应对每个制动部件确定相应的安全指标。 制动性能(制动转矩曲线)可通过改变制动电阻来进行调整。此时，最大转矩由电动机参数来决定，也可通过改变有效阻抗R。使转矩一速度曲线沿速度坐标轴平移。减小阻抗就会使最大转矩向着速度减小的方向移动，反之亦然。通过在每个电阻器上并联一个电容量为Ck的电容器就可以补偿与速度有关的感应负荷，从而提高制动转矩。

在最低速度范围内(电动机转子的转数低于150r／min)所产生的转矩不足以进行有效制动。这一缺点可以通过使用小功率的机械制动来克服，这种小功率的机械制动器本来就是停车时必需的装置。电动制动对运行速度更高的列车来说非常有效。

5 给用户带来的益处

总体上来说，这种无变速器的牵引传动集成模块式的转向架Syntegra给运营部门可带来以下益处：

1)通过降低能耗(因为自重减轻)、提高牵引传动效率、降低轮轨磨耗、由于结构简化而使技术保养的支出减少以及由于排出的磨耗物下降而减轻对环境的污染，这一切都减少了Syntegra转向架在使用期限内的费用支出。 2)取消了复杂的牵引传动的中间部件(变速器、联轴节)。 3)采用全密封式的牵引电动机，提高了工作的可靠性。 4)减少了转向架部件对安装空间的要求。

5)通过取消风机、牵引电动机与逆变器之间的匹配和取消风动制动，而降低了噪声等级。对其中某些益处做如下详细阐述。

(1)减轻自重。表1列出了在相同功率和相同有效载荷的情况下，现代普通转向架与Syntegra转向架样机和批量生产的Syntegra转向架的质量参数的对比数据。

转向架样机是按轴重为14t而设计的，其轮径为690mm／630mm，轴距为1600mm，总长不超过2400 mm，二级弹簧悬挂风缸的最高点距钢轨顶面的距离为800mm。

这种小轴距的转向架与大轴距的普通转向架相比，其运行稳定性差不多。之所以能达到与大轴距转向架有相同的运行稳定性的水平，这是由于转向架质量减小、转动部件质量的减小以及特别是转向架惯性转矩减小的结果。由于牵引电动机增加的簧下部件的质量被轮对质量的减小、取消制动盘以及电动机轴承与轮对轴承这些合并因素所抵消，从而使簧下部件的质量仍保持在普通转向架的水平上。

2)节能方面。Syntegra转向架除了质量特性得到改善外，还减少了对能源

的需求以压缩运营支出。这主要是通过2个重要因素来实现的，即减轻质量，其中包括转动部件的质量和提高牵引传动效率。传动效率可以通过采用永久磁极电动机、取消变速器和联轴节而得以提高。图4为具有二级牵引传动的普通转向架与Syntegra新型转向架的牵引传动效率的对比。

图4 2种类型转向架在满负荷运行时的牵引传动效率的比较 但是如今在实践中，最引起重视的不是满载的机车车辆在运行中对能源的需求，而是在停车、启动和加速时的非生产性的能耗。这是地铁和市郊铁路机车车辆运行中的一个关注点。在此，对纽伦堡市的双线地铁列车运行状态进行了研究，列车运行周期是45min。其运行条件如下：

a)运行周期次数：每年以300天计，每天18个周期；

b)车组是由4台车辆编组而成的普通列车，有8台装牵引电动机的转向架和16副绕组电动轮对；

c)启动加速度为l.1 m／s。； d)直流电网供电，公称电压为750V； e)电能回收率为40％； f)电价0.08欧元／kwh；

g)Syntegra转向架比普通转向架质量减轻2t；

h)就一副轮对的转动部件的质量而言，Syntegra转向架比普通转向架减轻1.1t。

Syntegra转向架和普通转向架的各项指标的对比见表2。

6 未来前景

根据第一阶段所取得的良好结果，决定批量生产Syntegra型转向架以装备现有的机车车辆。为此，将这种新转向架安排给首批使用的合作伙伴——慕尼黑地铁管理局和西门子运输公司。地铁车辆中的Bl.9系列车辆是25a前制造的。其中一台车辆经过大修和现代化改造后装备了新型的Syntegra转向架(见图5)。这台车辆经过了验收试验和西门子公司的

环形试验段的

运行试验。在运行试验中对新的制动方案予以特别的关注。计划今后要在慕尼黑地铁的实际运营条件下，进行至少历时1a的试验。

试验一旦结束，立即进行市场营销的研究，用3a的时间实现商业推广。同时还将继续进行Syntegra转向架的改进工作，重点是进一步减轻其质量。 译自俄罗斯《

》2007，№10,56～6l

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