SS7C客运电力机车性能综述

ELECTRICDRIVEFORLOCOMOTIVE№5,1999　Sep.10,1999　

设计与　　研究

SS7C客运电力机车性能综述

大同机车厂(大同037038)　　王志正株洲电力机车研究所(株洲412001)　　李春阳

王志正　1965年生,1987

摘　要:介绍了SS7C型客运电力机车的主要设计思路、特性、技术参数等,对其牵引客运列车的性能进行了简要的分析。

关键词:SS7C　客运电力机车　牵引性能　技术参数

年毕业于北方交通大学电气工程系,工程师,一直从事电力机车总体线路的研究设计工作,现任设计处副处长。

PerformancesynthesisofSS7Cpassengerelectriclocomotive

DatongLocomotiveWorks(Datong037038)　　WangZhizheng

ZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstitute(Zhuzhou412001)　　LiChunyang

Abstract:Maindesignthought,featuresaswellastechnicalparametersofSS7Cpassengerelectriclocomotivearepresented.Alsobriefedisitstractionperformanceofpassengertrain.

Keywords:SS7C,passengerelectriclocomotive,tractionperformance,technicalparameters.

1　概述

根据我国铁路客运提速的需要,相继研制了SS8、DF11、DF4C等多种性能优良的客运提速机车,但是,就120km/h速度等级,尤其是长大坡道较多的线路来说,还没有较合适的客运电力机车。为此,大同机车厂于1997年底向铁道部科技司(现科教司)提出立项申请,1998年被批准为铁道部科研项目。SS7C机车由大同机车厂、株洲电力机车研究所、成都机车车辆厂共同研制,于1998年8月落车,随后在陇海线郑州-西安段进行了牵引性能和运行试验。结果表明,SS7C机车性能优良,在该区间运行可节时1h左右,是比较理想的客运机型。

机车的4800kW;同时,将机车的恒功率速度范围由

SS7型机车的44km/h～80km/h后移至76km/h～120km/h,即恒功最高速度点为运用最高速度点。这样可保证客运列车具有较大的启动加速力,缩短启动加速时间和距离,并可保持高速区域满功率运行,提高高速区域的牵引力和剩余加速度,从而缩短高速区域的调速时间,提高高速区域的调速能力。

(2)主电路与SS7型机车相同,仍采用二段桥、再生制动加功率因数补偿的方案。这主要是为了与SS7型、SS7B型机车简统;同时,采用这种方式的主电路可方便地实现无级磁场削弱,简化主电路,并且可节省电能。

(3)为减小因机车速度的提高而增大的对轨道的作用力,SS7C机车要求轴重小于22t。SS7型机车的整备重量为138t,同时在SS7C型机车上还需增加向列车供电装置等,这样总的减重数就达到10t。各部分减重在设计中都面临着相当艰巨的任务,因为减重的前提是不能削弱机车的可靠性。通过反复的计算论证、各部分减重的主要思路和措施可以概括为:对车体部分非承载部件进行轻型化设计,如将钢材改用铝材,改变结构厚度等,对承载部件进行优化设计,通过有限元分析,适当缩小小应力部件的断面;转向架部分通过改双侧制动为单侧制动,改用铝板焊接齿轮箱(SS7C两台样车分别试用铝板焊接和薄钢板焊接两种方案)等措施

—15—2　设计思路

根据客运机车的特点和要求,SS7C型客运电力机车考虑在SS7型机车的基础上改进设计,对其多年运用中所出现的惯性问题进行了分析、研究并加以解决,为用户提供性能优良,可靠性高的干线客运电力机车。

(1)根据客运机车启动加速快,高速区域调速能力强的特点,SS7C型机车的牵引功率继续保持SS7型

收修改稿日期:1999-06-25

　　　　　　　　　　　　　机　　车　　电　　传　　动

进行减重;总体部分主要通过更换部分材料和器件,如采用新型辅机、新型电容、优质导线等来实现减重并同时提高可靠性;牵引电动机通过缩短轴向尺寸来实现减重;变压器通过改进箱体和采用铝储油柜等措施进行减重。综合结果完全可满足轴重小于22t的要求。

(4)走行部采用B0-B0-B0轴式转向架,Z字型低位牵引杆,牵引电动机的悬挂方式采用鼻式滚动抱轴承悬挂,单边刚性直齿传动。这些均与SS7型机车相同,保持了SS7型机车曲线通过能力强,轮缘磨耗小等优点,且与牵引电动机架悬、空心轴传动方式比较,可大大降低机车成本。另外,针对速度提高后的机械振动

机车SS7SS7C

PN/kW800800

UN/Umax/V925/1030905/1030

IN/Imax/A925/1350945/1320

1999年

性能要求进行了改进设计。主要改进思路及研究重点

是:进行动力学分析计算,优化悬挂参数和结构,在两端转向架增加抗蛇行减振器,以保证机车具有良好的动力学性能;进行各部件的减重研究;对牵引电动机悬挂进行充分的分析计算,优化其悬挂参数,降低牵引电动机的振动加速度,以保证在机车速度提高的情况下,牵引电动机有较合适的工作环境。

(5)由于客、货运机车特性的区别,在SS7C型机车上直接应用SS7机车的牵引电动机是不合适的,必须进行改进设计,以适应客运机车的性能要求。SS7C机车与SS7机车牵引电动机主要参数对比见表1。

nN/r・min-1

845995

FN/Fmax/kN389/620221/310

质量/kg3700约3400

表1　SS7C与SS7牵引电机参数对比

　　(6)近年来,由电力机车牵引旅客列车的编组越来越多,取消发电车,而由电力机车直接向旅客列车供电的要求也就越来越强烈。因此,SS7C型机车要求加装列车供电装置。本着通用化的原则,SS7C型机车向列车供电装置的电路结构和参数基本与SS8型机车相同。主要基本参数为:额定输出电压DC600V,输出容量

2×400kW。供电形式为分两路向客车供电,每路负责10辆客车用电(假设牵引20辆客车)。当一路发生故障时,可由另一路维持向列车供电,具有一定的冗余度,可充分保证客车的用电。

(7)为了提高SS7C型机车的可靠性,在设计过程中,对SS7型机车几年来运用中所出现的惯性质量问题进行了深入的研究、分析和必要的试验,并在SS7C机车上进行了实施。主要的改进措施有以下几点:

¹为解决整流元件击穿后主电路隔离问题,在每段牵引整流桥臂增加一组快速熔断器,作为整流桥臂短路保护。

º在功率因数补偿电路中增加了真空接触器,并相应改进了控制电路,以克服因主断路器分、合产生的操作过电压而引起的功补晶闸管误触发故障,使功补装置投切安全可靠。

»风速继电器改用静压式风速继电器,提高运用可靠性。

¼为了解决稳定电阻柜烧损问题,在电路设计时,增加了稳定电阻柜通风机延时工作功能,可延长电阻柜的通风时间,使电阻的冷却更加充分。

½中间转向架滚子装置参照6K机车技术,采用NSK的滚针轴承和推力轴承组合,从根本上解决轴承卡死和烧损问题。

—16—¾制动器采用铁科院机辆所开发的XFD-1型制动单元,技术先进,作用可靠,安装及检修简便,可完全克服闸瓦间隙调整困难、V型块脱落及检修不便等问题。

¿齿轮箱密封环节中,动密封采用多重迷宫结构,静密封采用加宽结合面,增加橡胶密封条结构,以解决长期存在的漏油问题。

À牵引电动机采用进口轴承,并严格要求装配精度,以解决轴承烧损问题。

Á针对SS7型机车外购配件故障率较高而造成整车可靠性下降的问题,对外购配件进行了比选,对不过关的国产部件(如油压减振器、辅机接触器、中间继电器等)用进口部件取代,使整车的可靠性上了一个台阶。虽然制造成本有所增加,但从机车整个服役过程来说,其使用总成本反而会有所降低。

3　主要技术参数

用途轴式轴重机车电流制工作电压

干线客运B0-B0-B0

22t

单相、交流50Hz

额定25kV

最高29kV最低19kV

牵引功率启动牵引力额定牵引力额定速度运用最高速度

4800kW310kN220kN76km/h120km/h

第5期　　　　　　　　　　　　　　王志正　李春阳:SS7C客运电力机车性能综述　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

恒功率速度范围传动比电制动方式再生制动力

76km/h～120km/h

68/23

再生制动

173kN(10km/h～80km/h)

a.牵引工况。客运机车在牵引工况的主要考核指标是:¹启动加速能力,即启动加速快,加速时间短,加速距离短;º对线路坡道的适应能力,即不仅要适应短坡道,更主要的是考核在长大坡道上的速度保持能力,因为如在长大坡道速度损失过多的话,则必然会对列车的旅行时间产生较大的影响,从而不能充分发挥提速后的速度优势;»高速区域的调速能力。因为旅客列车在不同区段运行时,要根据各区段的线路限速和信号情况调节运行速度,且通常是在高速区域进行调节,所以,能否从相对较低的速度快速加速到相对较高的速度,也是能否保证旅行时间的关键指标。

4　主要特性及其分析

(1)SS7C型机车的牵引采用无级调压及无级磁场削弱,因而其牵引特性具有“面特性”的特点,可在最大包络线范围内的任一点运行,如图1所示。

图1　牵引特性

SS型机车的牵引控制采用恒流加准恒速控制方

7C

图2　制动特性

式,共分14级(名义标称),为无级调节。之所以定为14级是为了司机操纵方便而已。各牵引级位的控制函数如下式:

120N

IM=840N-84V取最小值,A

1320

式中:N——司机控制级位,N=1～14级;

V——机车速度,km/h。

(2)SS7C型机车电气制动采用再生制动,由3个区组成,即调励磁区、调全控桥相角区和加馈区。制动特性具有较硬的特点,有利于防止机车滑行;同时它也具有“面特性”的特点,可在最大制动包络线范围内的任一点运行。制动特性曲线如图2所示。

SS7C型机车的制动控制采用无级调控加准恒速控制方式,共分14级。与牵引类似,也为无级调节。各制动级位的控制函数如下式:

取最小值,A

760

式中:N——司机控制级位,N=14～1级;

V——机车速度,km/h。

(3)就机车牵引与制动工况进行特性分析如下。IZ=

76V+760-760N

SS7C型机车牵引20辆客车(1100t)在不同坡道下的平衡速度和在平直道上的加速时间、加速距离、剩余加速度等数据分别见表2、表3。

表2　不同坡道下的平衡速度

i/‰V/km・h-1

0150

4140

8110

1288

综合表2、表3及图1可看出SS7C型机车在平直道上的启动加速性能和对线路坡道的适应能力以及在高速区域的调速能力。在启动加速性能方面,0～10km/h的平均加速度为0.2m/s,0～80km/h速度范围内的平均启动加速度为0.18m/s2,在120km/h速度下的剩余加速度高达0.061m/s,从零速度加速到120km/h的加速时间仅为4.14min,加速距离仅为5009.5m。这些指标在我国现有内燃、电力客运机车中是领先的。在对线路坡道的适应能力方面,SS7C型机车在8‰坡道上的平衡速度为110km/h,在12‰坡道上的平衡速度为88km/h,其恒功速度前点为76km/h。这些数据可说明两个问题:第一,能以较高的速度通过长大坡道(最高运用速度的73%),如考虑闯坡因素的话,其通过坡道的速度还要高些。第二,由

—17—22

　　　　　　　　　　　　　机　　车　　电　　传　　动

于在12‰坡道的平衡速度比恒功前点速度高出12km/h,因此可以说,在长大上坡道运行时,电机同样可在恒功区内工作,这不仅可充分利用电机功率,并且对提高机车的运用可靠性和寿命是十分有利的(因为如不能进入恒功区内运行,则电机电流势必大于额定电流,从而造成主传动系统许多部件长时过载)。在高速

速度分段牵引力/kN阻力/kN加速力/kN

加速度/m・s-2

1999年

区域的调速能力方面,SS7C型机车在100km/h～110km/h速度范围内加速时间为32.33s,加速距离为942.3m,在110km/h～120km/h速度范围内加速时间为40.41s,加速距离为1291m。可见其高速区域的加速时间和距离在我国现有客运机车中也是最短的,可充分保证旅客列车的旅行时间。

60～7023434.83199.20.153328.1108818.17105.3

70～80220.538.61181.90.14414.61502.619.90125.23

80～90199.842.791570.121544.4204723.05148.28

90～100100～110110～120178.347.38130.90.1729.22776.227.64175.92

164.452.36112.040.09942.33718.532.33208.25

147.357.7589.550.06912915009.540.41248.66

12014060.5979.410.061

表3　列车加速时间及距离计算结果

0～1030540.082650.219.01

10～20301.521.88279.60.21553.9272.93

13.67

12.9426.41

20～3028823.73264.30.20395.0716813.6940.3

30～40274.525.84248.70.191141.5309.514.5554.85

40～5026128.44232.60.179194.550415.5670.41

50～60247.531.45216.10.166255.9759.916.7587.16

加速距离/m累计距离/m加速时间/s累计时间/s

　　b.制动工况。与牵引工况相对应,在电制动工况,客运机车的考核指标主要是减速度(这一指标可用空气制动弥补,但会造成闸瓦磨耗过快)和长大下坡道维

速度/km・h-1

坡道8‰坡道12‰

035.8684.06

2073.66121.86

4069.29117.49

持速度的能力。

SS7C型机车牵引20辆客车(1100t)在不同坡道,不同速度下的下滑力见表4。

kN

10046.5894.78

12035.8184.01

6063.32111.52

8055.75103.95

表4　SS7C机车在不同坡道和速度下的下滑力

　　综合图2及表4可看出,SS7C型机车在12‰及其以下坡道上,只采用电制动即可维持列车在120km/h速度范围内的任一速度运行。

(2)在电制动时,可维持列车在120km/h速度范围内任一点运行,可节省闸瓦的消耗。

(3)由于它是在SS7型机车的基础上,充分考虑客运机车的特点而研制出来的,因而具有高可靠性和经济性的优点。

SS7C型客运电力机车完全能够满足120km/h速度等级客运牵引的要求,必将成为我国铁路客运的又一主型机车。

5　结束语

(1)SS7C型机车在启动加速能力、对线路坡道适应能力、高速区域调速能力等客运机车性能指标上具有一定的优势。

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