广州地铁制动电阻国产化研制

摘要:为缓解城市交通压力,地铁、城轨是我国交通运输行业今后大力推广发展的方向,做好地铁、城轨车辆配件产品国产化的项目尤为重要。为此,本着对先进技术先消化吸收、后改进的原则,株洲联诚集团公司对广州地铁制动电阻进行了国产化研制开发。文章介绍了国产化广州地铁制动电阻的基本结构,着重介绍了其主体电阻柜与电阻元件的结构,对关键材料电阻合金带的选材与设计计算进行了分析。

关键词:地铁制动电阻;电阻合金带;国产化

中图分类号:TH123.3文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)18-0019-02

目前,广州地铁Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号线上地铁列车所用的制动电阻均为英国伊顿公司生产,该制动电阻价格高,配件采购手续繁琐,采购周期长,不能及时到位,导致维修保养费用高,运营成本高,广州地铁公司要求将制动电阻国产化。为此,本着对国外技术先消化吸收、后改进的原则,株洲联诚集团公司电气事业部与技术中心产品开发部共同合作攻关,完成了广州地铁制动电阻的国产化研制,并且已通过了北京铁科院的型式试验和广州地铁公司的运行试验,实现了小批量生产。

1制动电阻国产化的实施

1.1制动电阻基本结构

如图1所示,TZZ20型地铁制动电阻装置由制动电阻柜、冷却通风机、电控箱、安装吊挂装置、过渡风道、出风筒等部分组成。制动电阻具有短时高功率的特点,用做再生制动的补充。整个装置外露部分全部采用不锈钢材料,能适应亚热带湿热气候条件。采用轻量化设计,整个装置重量360Kg。制动电阻装置为卧式安装,通风机将车体下的空气通过网罩吸进导风筒,经过电阻柜冷却电阻带,然后从出风筒吹向轨道。电阻柜是制动电阻装置的主体,以下主要介绍电阻柜。

1.1.1 电阻柜

电阻柜是安装制动电阻元件的地方,也是冷却空气的风道。在结构上既要保证电阻元件安装牢固稳定,有良好的耐振性能,又要有足够的电气间隙和爬电距离,电阻元件装卸要方便,电阻带排列要合理,能有效利用空间,作为风道又要尽量减小风阻,使电阻带均匀地受到通风冷却,散热性能良好。

如图2所示,电阻柜共装有18个电阻元件,共分二层九列,每层九个元件用连接母线串联成一电阻段,二个电阻段并联成一个电阻,阻值为1.6Ω。电阻柜采用新型的电阻结构,电阻带排列紧密,通风可靠;采用合理的电阻安装方式,从进风口到出风口分别采用三种厚度不同的电阻带,厚度递增,阻值递减,其消耗的能量递减,更有利于散热。每个电阻元件直接固定在两侧云母板上,云母板起到支撑、绝缘和隔热等作用,各云母板通过螺栓连接固定在进、出风口框架上。四周加盖U型板和底盖板。电阻柜的两个端子从侧面引出,由两个绝缘子支撑固定在底盖板上。出线端子侧云母板上靠近风机侧装有一个风压开关端子,通过一根风管连接到装在电控箱内的风压开关上。顶侧云母板上装有两个温控装置,用于将所测得的温度转换成电信号,其出线位于电控箱的接线端子上。

①电阻元件的结构。电阻元件是电阻柜的核心,其结构如图3所示,主要由电阻带、双头螺纹圆钢、瓷套、端钩组成。双头螺纹圆钢上穿有绝缘套管,瓷套套在圆钢上,两根圆钢支撑两排瓷套,瓷套上有端钩,通过端钩固定电阻带。电阻带端头焊有导电板,引出线头与导电板相连。两圆钢之间的距离214 mm由端钩和电阻带共同确定。瓷套之间用0.3 mm厚的云母垫圈作衬垫,一是起缓冲作用,使瓷套不致因受压而破损;二是可以起调整作用,加减衬垫来保证前后引出线距离为560±1mm。电阻带上冲有凸筋,增加了迎风面积,也增加了冷却通风的紊流度,使得散热更均匀。

②安装板的结构。电阻柜采用云母板作为固定电阻元件的框架和组成电阻柜风道,起到密封和风筒的作用。这种结构形成两级绝缘,提高了电阻元件的绝缘性能,绝缘可靠,且重量轻,耐高温性能较好,对通风更为有利。

1.1.2制动通风机

地铁制动电阻装置采用TZTF4.8型轴流风机进行强迫通风冷却散热,且噪音低。风机采用三相380V电源供电,其电源线接口位于电控箱内的接线端子上。风机材料采用全不锈钢。

1.1.3电控箱

电控装置箱具有风压保护和温度保护两种功能。

电控箱中装有一个风压开关、供电电源和对采样到的温度信号进行处理的微处理单元以及两个接线端子排。温控装置、风压开关以及通风机的出线均连至这两个接线端子排上,再连至其侧面外的两个工业连接器上。

1.1.4其他部分

安装吊挂装置:通过该装置将制动电阻吊挂于车体底部;过渡风道:上圆下方,使风流通道较光滑地完成从圆到方的变化,同时使气流减速以减小其在电阻柜中的损失;出风筒:用于将从电阻柜出来的风引导吹向地面。

1.2国产化电阻合金带的选择

1.2.1对机车制动电阻带的基本要求

根据机车制动电阻工作特点,对电阻合金带有如下要求:具有较高的电阻率,电阻率ρ应该在1.00μΩm以上,对同等重量的电阻带,电阻率高的电阻值也高,能发挥较高的功率,节省材料;能承受较高的工作温度,工作寿命较长;高温下有一定的机械强度和抗蠕变性能,并在高温使用冷却后不发生脆化;具有良好的冷加工性能和焊接性能;在满足产品性能前提下,应尽可能采用低镍材料,以降低产品成本。

1.2.2用国产Cr20Ni35即N40电阻合金带代Cr18Ni37

电阻带

英国伊顿公司生产的广州制动电阻所用电阻带为镍基合金Cr18Ni37,其规格有三种,分别是:0.64×52×12184、0.71×52×12184、0.78×52×12184。鉴于国产材料及干线机车实际应用情况,根据成分相近的原则,我们采用国产Cr20Ni35即N40电阻合金带代替。

①电阻温度系数。电阻元件的电阻值R=ρL/S与电阻系数ρ成正比。由于电阻值的变化直接影响到发热功率P,因此电阻温度系数的变化成了电阻带的重要技术性能。在使用过程中,电阻值随着温度而变化,这种变化用电阻温度系数来表示。在工作温度下的电阻率ρt与20℃时的电阻率ρ20之比称为电阻率修正系数,也就是电阻温度系数Ct(Ct =ρt /ρ20)。Ct愈大,表示该温度下的电阻值愈大,相应地在该温度下的发热功率(P=I2Rt)就愈大,对制动电阻的散热效果要求愈高。两种材料在不同温度下电阻修正系数见表1。

两种材料的主要化学成分和物理性能分别见表2与表3。

②电阻带规格计算。已知20℃时,Cr18Ni37电阻带材料的电阻率ρ1 =1.08Ωmm2/m,N40电阻带材料的电阻率ρ2 =1.04ΩΩmm2/m;且在同温度下,两种材料的电阻温度系数也略有不同。要保证电阻值和发热功率不变,必须对电阻带材料规格进行改变,由于带长和带宽受电阻安装空间的限制,因此只有改变电阻带的厚度来实现。现以Cr18Ni37一种规格0.64×52×12184为例来计算N40电阻带所需规格。

在600℃时,Ct1=1.168,Ct2=1.173,在20℃时,ρ1 =1.08Ωmm2/m,ρ2=1.04Ωmm2/m。而P1=I2R1=I2Ct1ρ1L1/S1,P2=I2R2=I2Ct2ρ2 L2/S2,若令P1=P2,则有R1=R2,亦即有Ct1ρ1L1/S1=Ct2ρ2L2/S2,则S2=Ct2ρ2L2S1÷(Ct1ρ1L1),又因L1=L2,所以S2=Ct2ρ2S1÷(Ct1ρ1)=1.173×1.04×0.64×52÷(1.166×1.08)=32.24(mm2),相应地电阻带厚度δ2 =S2/52 =32.24÷52 =0.62(mm)。即可采用规格为0.62×52N40(Cr20Ni35)国产电阻带代替英国产广州地铁制动电阻所用0.64×52 Cr18Ni37电阻带。

同理,通过计算可用0.69×52N40(Cr20Ni35)电阻带代替0.71×52Cr18Ni37电阻带,用0.76×52N40(Cr20Ni35)电阻带代替0.78×52Cr18Ni37电阻带。

2结 语

经过广州地铁公司装车运行考核验证,株洲联诚集团公司生产的广州地铁制动电阻的性能比较稳定,可以满足用户要求,价格比进口件降低了许多。且生产厂家在国内,联系方便,极大地缩短了备件的采购周期,有效减缓了广州地铁公司对配件需求的压力。广州地铁制动电阻国产化项目取得圆满成功。

参考文献:

[1] 刘友梅.韶山3型4000系电力机车[M].北京:中国铁道出

版社,2001.

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