智轨电车低温适应性研究与应用

来源：核心期刊咨询网时间：2020-12-26 11:0912

摘要：摘 要：文章通过参考电力机车的防寒设计以及针对智轨电车本身特有系统的防寒设计 2 方面对智轨电车开展低温适应性设计。为验证设计的可行性，除在实验室内对部件进行低温试验验证外，还开展相应的整车试验验证，包括采暖性能试验、制动系统动态试验和能耗试

　　摘 要：文章通过参考电力机车的防寒设计以及针对智轨电车本身特有系统的防寒设计 2 方面对智轨电车开展低温适应性设计。为验证设计的可行性，除在实验室内对部件进行低温试验验证外，还开展相应的整车试验验证，包括采暖性能试验、制动系统动态试验和能耗试验。试验结果表明，低温对整车的能耗无明显影响，而整车采暖性能和制动性能满足标准要求，为智轨电车在低温地区的应用提供科学依据。

　　关键词：智轨电车;低温;适应性;试验

　　1 研究背景

　　目前，由中车株洲电力机车研究所有限公司自主研发的具有虚拟轨迹跟随能力、以全电驱动胶轮车辆作为运载工具的智轨电车(按照工作环境温度为-25～45 ℃设计)相继在湖南株洲、江西永修、四川宜宾等中国南方地区开通运行。然而，根据该工作环境温度条件设计的智轨电车不能满足寒冷地区的要求，例如，中国最北方省会城市哈尔滨的气候特点为：11月至次年3月为冬季，气温最低的1月份平均气温为-30～-15 ℃，最低气温曾达-38.1 ℃，有时会出现暴雪天气。因此，如何定义我国智轨电车的最低环境温度是首先需要面对的问题。在轨道交通行业标准中，GB/T 3317-2006《电力机车通用技术条件》对电力机车的使用环境条件要求为周围空气温度在-40～40 ℃之间;BS EN 50125-1 ： 2014《Railway applications-Environmental conditions for equipment-Part 1 ： Equipment on board rolling stock》中TX等级的外部空气温度范围为-40～50℃;IEC 60571 ： 2012《Railway applications-Electronic equipment used on rolling stock》规定的最低外部环境温度为-40 ℃;GB/T 25119-2010《轨道交通 机车车辆电子装置》

　　规定的机车车辆外界环境温度为-25 ℃，其中电子装置应允许在不低于-40 ℃环境温度下存放。在汽车行业标准中，QC/T 413-2002《汽车电气设备基本技术条件》规定的最低工作温度为-40 ℃、储存温度为-40 ℃;GB/T

　　28046.4-2011《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第4部分：气候负荷》规定的最低储存温度为-40 ℃。综合考虑轨道交通行業和汽车行业标准，以及我国北方寒冷城市的气候特点，将智轨电车的最低工作环境温度和储存温度定义为-40 ℃，并称为低温环境。车辆系统和部件需满足在-40 ℃环境温度下可正常起动工作，特殊部件可以通过保温、加热等方式，使核心器件的温度上升到其允许的工作温度范围内，以便发挥其较高的效率。

　　本文以-40～45 ℃环境温度为智轨电车的工作环境温度，在该环境温度下进行低温适应性设计，并开展低温试验，以验证智轨电车低温适应性设计的可行性。通过本次设计及试验验证，为智轨电车在低温地区应用提供科学的依据。

　　2 智轨电车低温适应性研究与设计

　　智轨电车低温适应性研究将从以下2方面开展。

　　(1)参考电力机车的低温适应性设计[7-11]，采取有效的抗寒、防寒措施：①采用低温材料，如金属结构材料、电气及电子部件、油脂、冷却液、复合材料等需符合低温要求;②采暖和保温设计;③防止制动系统中的管路结冰。

　　(2)针对智轨电车本身采用动力电池作为储能方式的特点，解决低温条件下动力电池放电性能降低的问题。

　　2.1 材料选择

　　(1)有些金属材料在室温时并不显示脆性，而在低温下可能发生脆断，这一现象被称为冷脆现象，表现为冲击功值随温度的降低而显著减小。智轨电车中底盘的金属结构件按照-40 ℃进行设计，以满足低温地区使用的要求。

　　(2)针对电气及电子部件在低温环境条件下可能出现功能失效的现象，智轨电车中的关键电气及电子部件(如牵引系统中的牵引电机、受流系统中的受电弓、无轨导向系统中的控制箱、传感器等)将严格按照-40 ℃进行设计。

　　(3)针对油脂和传动液压油在低温条件下出现黏度增加或硬化的现象，应对智轨电车更换耐低温型润滑脂和传动油等。考虑到驱动电机冷却液在低温条件下有结冰的可能，应对智轨单车更换耐低温冷却液。

　　(4)智轨电车内外装采用复合材料，如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料，根据王贤锋、赵建华等人的研究，上述2种复合材料均满足低温使用环境的要求。

　　2.2 采暖和保温设计

　　采暖是低温地区冬日出行必不可少的一项功能，采用空调系统中的暖风功能进行采暖，通过增加隔热材料进一步提升整车的隔热性能。

　　2.3 制动系统低温适应性设计

　　针对制动管路在低温条件下可能结冰的问题，在空压机和干燥器之间串联冷凝器装置，提升空压机管路冷凝排水性能，减少进入气路系统中空气的含水量;另外，需选用具有低温加热功能的干燥器，且采用智能排水系统代替原储气筒放水阀，提升储气筒放水的能力。

　　2.4 动力电池低温适应性设计

　　针对动力电池在低温条件下存在充电困难、放电性能降低的问题，可采用插枪加热方案解决充电困难的问题;采用动力电池空调机组为动力电池加热的措施，使动力电池工作在最佳的环境温度，解决放电性能降低的问题。

　　3 低温试验验证

　　下面针对智轨电车低温适应性设计，开展相关的试验验证。材料的低温试验选择在实验室中开展，如金属结构件的低温冲击试验、电气及电子部件的低温试验。但是，有关整车的低温试验验证，如采暖试验、制动系统动态试验等，在实验室中无法顺利开展。所以，本次整车低温试验验证选择在中国最北方省会城市哈尔滨开展。由于外部试验条件不可控性，在整个试验期间的最低温度约为-20 ℃。

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