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最新編輯時間：2022年11月3日 06:30

如果要跑到600km/h：? ??

? ? ? ?首先是減重。周老先生希望繼續(xù)做軸箱內置式轉向架，構架采用碳纖維或鈦合金，這樣可以大幅減重，碳纖維也可以用于取代一系彈簧的模式。

? ? ? ?對于周老先生的介紹，筆者的理解就是目前先發(fā)展碳纖維彈簧，到遠期，取消一系彈簧。川崎的efWING外支撐轉向架的構架外觀跟下圖所示的接近，但是一系彈簧由碳纖維制成。efWING已經(jīng)應用于JR四國的eco 7200系電動車組和熊本電鐵列車；唐山的“弓系”內支撐轉向架的一系彈簧也用碳纖維，只是與其搭配的新型快軌列車尚未在大興機場至雄安R1線進行商業(yè)運營。面對市場的競爭，長客也在與時俱進，CW500的一系復合材料彈簧就是一個例子。

? ? ? ?下圖是一種內支撐轉向架的結構圖，其來源是：https://www.mobility.siemens.com/global/en/portfolio/rail/rolling-stock/components-and-systems/bogie-technology.html

? ? ? ?其次，周老先生的設想是：轉向架想跑到600km/h，需要三個“動”，分別是轉動、驅動和制動。

? ? ? ?首先是轉動，轉動是輪對的轉動，轉動的核心是軸承。

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? ? ??動車組的軸箱、牽引電機和齒輪箱都需要軸承。

? ? ? 對于比較重要的軸箱軸承，筆者在這里嘗試拋磚引玉：

? ? ? 法國人沖擊574.8km/h的世界紀錄時，V150動車組的軸箱軸承都是雙列圓錐軸承，型號是FC-12790 S06。該軸承的外形尺寸為d（軸承內徑）x D（軸承外徑） x B（軸承內圈寬度） = 150mmx250mmx180mm，重量大約為40kg。在列車沖高時，F(xiàn)C-12790 S06的轉速達到了3000rpm，但軸承溫度只升高了大約10℃，所以性能非常好。

? ? ? 3000rpm是什么概念呢？CRH3C型動車組以300km/h運行時，軸承的轉速約為1730rpm。（參考文獻：高速鐵路軸承概述，楊曉蔚，《軸承》2011年第10期）

? ? ? ? ?上述例子也反映，對于250km/h以上的速度等級，圓錐軸承相比圓柱軸承確實有優(yōu)勢。圓錐軸承具有低摩擦力矩和低摩擦溫度，而且圓錐軸承在列車高速運行期間能同時承擔軸向和徑向的載荷。由于圓錐軸承的滾子和車軸間成一個小角度，因此軸承受到的軸向力是滾動體和滾道之間的壓力的軸向分力。而圓柱軸承受到的軸向力完全由滾子端面引起，由滾子和軸承之間的滑動摩擦力來平衡，這會產(chǎn)生較大的滑動摩擦力，影響軸承的使用壽命。所以面對同樣的垂向載荷，圓錐滾子軸承的軸向承載能力強于圓柱軸承。 高速列車普遍用圓錐軸承，簡單來說就是分擔載荷，只要滾動，減少滑動。

? ? ? ?使用圓錐軸承的高速動車組有：

? ? ? ?500系、700系、N700系(含N700系、N700系3000番臺、N700系7000番臺)、CRH2A、CRH2C、CRH3C（用FAG02軸承）、CRH380A、CRH380B（部分車底也用圓柱軸承）、CR400AF、CR400BF、V150、AGV等。

? ? ? ?使用圓柱軸承的高速動車組有：

? ? ? ?300系、ICE 3、E2系1000番臺、Zefiro 380、Zefiro 360等。

? ? ? ?從龐巴迪的角度來說，高速鐵路曲線半徑大，軸箱軸承主要是承擔徑向的載荷，橫向的載荷很小。圓柱軸承承擔徑向載荷的能力強，同樣是低摩擦滾動、低摩擦溫度和長油脂使用周期，用在高速動車組也沒有問題。

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? ? ? ?周老先生認為，如果圓錐軸承太難（做）了，可以嘗試用球軸承。（球軸承的軸向承載能力低于圓錐軸承，高于圓柱軸承。）球軸承還可以做成三列球軸承來提高承載能力。在內支撐轉向架里，如果軸承不易卸下來檢修，可以把它放進車輪里，這就成了獨立輪對。獨立輪對若要再轉成傳統(tǒng)的整體輪對，車軸可以做成兩根軸，一根是靜止承載軸，和軸承作用；另一根軸是旋轉軸，和車輪作用。雙空心軸配以球軸承，不但可以應對軸承難以檢修的麻煩，還能應對軸承轉速過快的問題。

? ? ? ?第二是驅動。周老先生提出：我們可以嘗試永磁直驅技術或直線電機技術。筆者認為永磁直驅技術（Permanent Magnet?Gearless Traction Drive/ Direct Drive）是目前轉向架要推進的一項關鍵技術。

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? ? ? ?筆者在這里對于永磁直驅技術作以下論述，如您發(fā)現(xiàn)不準確之處，敬請斧正：

? ? ? ?永磁同步電機的定子繞組和異步電機相同，轉子目前常以釹鐵硼為永磁體，永磁體會產(chǎn)生固定的磁場，且轉子旋轉的時候非常安靜。轉子的銅繞組不產(chǎn)生損耗，定子的銅繞組和鐵質部件在工作時有少量渦流損耗，總的損耗不多。相較于更早的釤鈷永磁體，釹鐵硼磁體的好處是高磁能積，成本更低。永磁同步電機無勵磁損耗，不僅是效率處在95%-97%的高水平，而且其損耗（losses）只有相同額定功率的感應電機（IM）的一半，其額定輸出功率也能達到相同質量的感應電機的大約兩倍。由于效率高，損耗低，輸出轉矩大，永磁電機可以只裝配小型冷卻風扇，甚至省略冷卻風扇。這樣一來，永磁電機的體積可以做得很小，使其重量減少的同時大幅降噪，減小風阻。為了避免磁性粉塵和鐵屑進入機器，永磁電機一般是全密封的，不需要人工清潔風道，避免粉塵堵塞冷卻風道造成機器快速溫升，這樣又可以減少維護成本。永磁同步電機既適合用于高速動車組，也適用于低地板輕軌列車（LRV）和可變軌距列車，并擴展用于汽車、家電和其它工業(yè)設備。

? ? ? ?傳統(tǒng)的異步電機間接驅動，是通過減速齒輪、聯(lián)軸節(jié)/三爪萬向軸等部件，將電機轉矩傳遞到輪對，形成驅動列車運動的力。這種傳動技術已經(jīng)很成熟，但是結構比較復雜，效率低、成本高、噪音大，故障多。永磁直驅則是：取消齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)/三爪萬向軸，永磁電機的轉矩直接傳遞到輪對上。如果永磁電機采用抱軸式懸掛，軸盤制動裝置就很難安裝在車軸上，所以永磁直驅轉向架一般采用輪盤制動、踏面制動、電阻制動和再生制動。而永磁直驅轉向架的一系定位，目前主要是轉臂式定位和橡膠堆式定位。二系懸掛仍然有空氣彈簧，但是能不能取消抗側滾扭桿和抗蛇行減振器，這就需要進行驗證。

? ? ? ?相較于異步電機間接驅動，永磁直驅的好處在于：發(fā)揮了永磁同步電機能在低轉速下實現(xiàn)大轉矩牽引、低損耗、重量低和體積小的優(yōu)勢，取消齒輪箱后的驅動裝置的效率更高，減小了驅動裝置的重量和體積，消除了齒輪箱工作發(fā)出的聲音，消除了維護齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)/三爪萬向軸的工作，消除了齒輪箱油泄露或廢棄造成的環(huán)境污染，而且永磁直驅使整車的重量下降了，列車運行的磨耗和成本也都降低了。

? ? ? ?對于市域電動車組，永磁間接驅動的能耗比異步電機間接驅動的能耗低11%，對于永磁直驅，這一百分比會變成15%（參考文獻：永磁同步電機的發(fā)展趨勢 松岡光一（Koichi Matuoka）2006.11）。

? ? ? ?21世紀以來，對于永磁直驅技術，中車株洲所、中車青島四方、中車時代電氣、中車南京浦鎮(zhèn)、中車唐山和中車大同等也做了大量的工作，比如中車大同在2018年成功將一臺HXD2D型電力機車進行了永磁直驅技術改造。這臺機車采用撓性疊片聯(lián)軸器和獨立軸控變流器進行直驅。

? ? ? ?現(xiàn)在國內外已經(jīng)商用的永磁直驅技術產(chǎn)品有（括號內為負責牽引系統(tǒng)的公司）：JR東日本103系動車組（東芝）、Syntegra轉向架（西門子）、15T型有軌電車（斯柯達）、青島城陽有軌電車、佛山南海有軌電車和佛山高明有軌電車（四方車輛）、徐州地鐵1號線列車（0103號車）（時代電氣）、蘇州地鐵3號線列車（0312號車）（江蘇經(jīng)緯）等。順便說一句：斯柯達和西門子、阿爾斯通一樣，也是工業(yè)領域的歐洲巨頭，除了經(jīng)營汽車（后來被大眾公司收購）、也經(jīng)營電氣、軌道交通設備、自行車，機床等。

? ? ? ?但是用在機車、城際列車和高速列車的永磁直驅技術還處在試驗階段。尤其在高速列車方面，截至本專欄投稿日期，只有德國根據(jù)ICE3（BR403）的轉向架和牽引電機的技術規(guī)格，進行過永磁同步直驅電機的試驗，相關的成果由達姆施塔特理工大學的兩名研究人員發(fā)表。第一作者的姓名是Andreas Binder，他供職于該大學的電能轉換研究所（鏈接：https://www.doc88.com/p-6187672440014.html）。第二作者是T.Koch，他的姓名不好查。筆者查閱了ACM數(shù)字圖書館，發(fā)現(xiàn)達姆施塔特理工大學里姓名符合T.Koch的作者只有Thomas Koch。如果您能確認第二作者的姓名，可以在評論區(qū)告知筆者。

? ? ? ?ICE 3安裝有16臺額定功率為500kW的鼠籠式異步電機（squirrel cage asychronous motors，和鼠籠式電機相對的是結構復雜、造價更高，已經(jīng)在交流傳動技術發(fā)展過程中被淘汰的繞線式電機），冷卻方式為風冷，由齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)傳遞轉矩，每4臺異步電機由一個GTO（可關斷晶閘管）逆變器控制。在這種牽引方式下，牽引電機制造成本低，弱磁性能好。1997年到1998年，作者設計了兩種符合ICE3的技術規(guī)格的永磁同步電機，分為A電機和B電機。A電機為永磁體表面式（surface mounted）轉子電機，長定子槽；B電機為永磁體內置式（buried）轉子電機，短定子槽。兩種同步電機的冷卻方式都是水冷，而且都采用更先進的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）逆變器進行控制。

? ? ? ?兩種參與試驗的永磁同步電機都采用撓性聯(lián)軸器直驅，一臺同步電機由一個IGBT逆變器進行控制。兩種同步電機的額定功率都是500kW，額定轉速都是617rpm，最大轉速都是2110rpm，額定轉矩都是7700N·m，最大轉矩都是8600N·m，外徑最大值都是590mm，軸向最大長度都是900mm，極對數(shù)取12（2p = 24）。作者采用有限元法進行仿真研究，認定A電機有效質量（active weight）為466千克，更輕，正弦供電下的總損耗更小，于是選擇生產(chǎn)A電機的樣機來進行線路試驗。

? ? ? ?在線路試驗中，異步電機還是用齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)進行間接驅動，A電機通過柔性聯(lián)軸器抱在車軸上進行直接驅動。試驗線是當時尚未開通的法蘭克?！坡「咚俪请H鐵路——德國第一條速度等級是300km/h的鐵路，而且是客運專線。當然，這條線路當時只有靠近法蘭克福的部分區(qū)段竣工，只能是德國鐵路公司提供線路數(shù)據(jù)來幫助模擬ICE3在這條新線的牽引和制動。A電機通過IGBT逆變器來控制，電機在達到額定功率之后，在額定轉速下，逆變器采取PWM控制（了解相關理論可閱讀https://www.bilibili.com/read/cv19092225?spm_id_from=333.999.0.0），在最大轉速下，逆變器采取六步(six-step)控制。在總運行時間內，異步電機模擬的能耗是19.5kW·h/km，A電機模擬的能耗是16.4kW·h/km，按列車運行一年的能耗來看，A電機的節(jié)能效果是很優(yōu)異的。

? ? ? ?另外，德國鐵路公司還以技術研究為目的，在1997~1998年委托過相關的公司研發(fā)符合ICE3（BR403）的永磁牽引電機。它們分別是Starnbeng磁性電機公司研發(fā)的有源轉子式永磁同步牽引電機，和布倫瑞克科技大學（也就是布倫瑞克工業(yè)大學，舊文獻譯作“科技大學”）研發(fā)的永磁橫向磁通無源轉子式電機。兩種電機的額定功率都是500kW，最大轉速都是2300rpm，效率都達到94.5%，都可以安裝在ICE3的動力轉向架上。臺架試驗驗證了兩種永磁電機的額定功率和效率（參考文獻：永久磁鐵勵磁的牽引電動機，T.Klockow）。

? ? ? ?筆者至今沒有見過ICE3型動車組實裝抱軸式永磁牽引電機?？傊?，德方當時的結論是永磁牽引電機和永磁直驅技術值得繼續(xù)研究。

? ? ? ?筆者認為文獻《Permanent Magnet Gearless Traction Drive for German High Speed Train ICE 3》和《永久磁鐵勵磁的牽引電動機》描述的永磁牽引電機不同，因為兩篇文章描述的永磁電機的重量不同。

? ? ? ?將永磁直驅和軸箱內置結合起來的轉向架，目前除了Syntegra被運用在慕尼黑的地鐵列車，還有中車唐山的新型快軌列車所用的“弓系”轉向架（正在石家莊地鐵1號線列車裝車運用）。

? ? ? ?筆者今年在國內有關永磁直驅技術的推送底下見過這樣的評論：

? ? ? ?認為永磁直驅不應該往前發(fā)展，就像筆者曾以為德國發(fā)展速度等級只有250km/h的ICE4在技術上是開歷史的倒車，絕對是錯誤的，但這些聲音也引出了減重問題。對于地鐵列車這種速度較低的軌道車輛，采用結構簡潔的剛性抱軸式直驅就可以了。

? ? ? ?以Syntegra為例，它采用剛性抱軸式直驅，軸距是1.6米，輪徑是690mm/630mm，軸重是14噸，永磁電機的冷卻方式為水冷。它采用小直徑車輪，柔性構架采用均衡梁結構，側梁與橫梁采用鉸接結構，軸箱內置并和電機軸承相融合，這種輕量化設計是非常不錯的?！肮怠鞭D向架也是抱軸式直驅。

? ? ? ?彈性抱軸式直驅也可以有，相比剛性抱軸式直驅，簧下質量稍有下降，但是結構更復雜，而且電機的轉子存在偏心，運行過程中產(chǎn)生動載荷，會限制車輛提速。

? ? ? ?對于高速列車，可以采用彈性架懸式直驅模型，電機和輪對間的聯(lián)軸器只負責傳遞轉矩，比如采用彈性懸掛空心軸傳動結構，相比抱軸式直驅能顯著降低轉向架的簧下質量。注意：聯(lián)軸器和聯(lián)軸節(jié)的結構完全不同。

? ? ? ?減重只是發(fā)展永磁直驅技術要解決的問題之一。實現(xiàn)永磁直驅技術，宏觀上要做三項工作：直驅驅動結構的優(yōu)化設計、高轉矩永磁電機的優(yōu)化設計、永磁直驅控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

? ? ? ?從高轉矩永磁電機來說：由于速度等級為350km/h及以上的動車組傳動比較低，一般是2.5左右（CRH2C二階段和CRH3C二階段的傳動比都不足2.5），永磁電機就要求有非常大的轉矩。轉矩的提升必然導致電機重量的提升，一方面宜將牽引電機進行彈性架懸，一方面宜通過多極化設計、增加減重孔等方式對電機減重，一方面提高牽引電機的轉矩密度和功率密度。可能有人說，我們能不能學新干線列車，通過在編組中提高動力轉向架的比例，來降低對牽引電機的額定功率的指標要求？當然可以！但是從維護成本來說，4動4拖是比較理想的配置（某個知乎上的“日吹”對小輪徑輪對和動力高分散的迷戀，那是他的自由）。再說冷卻：列車長時間運行后，永磁電機可能會溫升過高，這就會引起牽引電機失磁故障和牽引電機軸承故障，需要通過冷卻來抑制這種溫升。當傳動裝置取消齒輪箱后，傳動比下降到1，永磁直驅電機的轉速只有普通帶齒輪箱的電機的幾分之一，更要有顯著保證電機工作可靠性的冷卻結構，就不宜采用僅有自帶同軸風扇的冷卻結構。強迫水冷是一種可行的冷卻結構，因為ICE3已經(jīng)實踐過。另外，筆者比較感興趣的是復合型冷卻結構，它可以在使永磁電機的體積和重量均與轉向架適配的情況下，顯著改善永磁電機內部結構的冷卻效果。比如JR西日本公司開發(fā)的235kW永磁電機，它采用帶有內部冷卻器的風冷結構，內部的熱量通過同軸內風扇傳導到冷卻器，經(jīng)過冷卻器冷卻后，向外輻射（參考文獻：軌道交通車輛用永磁同步牽引電機結構設計，何思源，劉雄，李偉業(yè)，劉凡夢）。

? ? ? ?筆者在瀏覽器上搜索適用于CR450的TQ800永磁同步電機，搜索結果總是說其“采用新型風冷結構”。但是，筆者搜索到了TQ800的設計團隊——晏才松團隊的開發(fā)一種永磁牽引電機冷卻結構的資料，資料所提及的正是一種復合型冷卻結構。筆者將該型結構標注于下圖。當然，筆者不是相關領域出身，只能“外行看熱鬧”了（參考資料：一種永磁電機及其散熱控制方法，專利號為CN111697745A）。

? ? ?? 另外，從永磁電機控制來說，能否在既有的矢量控制和直接轉矩控制的基礎上有所突破呢（直接轉矩控制的專利被ABB買斷了？）？或者從永磁電機變流控制來說，除了抑制永磁電機的反電勢，再看一個更直觀的東西——半導體。對于高電壓大功率變流裝置，GTO電力電子開關已經(jīng)過時了，Si IGBT（硅基絕緣柵雙極晶體管）電力電子開關也面臨性能發(fā)展的極限。通過提高半導體器件工作頻率實現(xiàn)牽引變流器體積重量減小、諧波水平和噪聲改善，一直是牽引變流裝備的重要發(fā)展方向。新的SiC MOSFET電力電子開關具有低損失和高溫動作的特征，功率密度大，轉換效率高。由于SiC MOSFET是電子導電的單極器件，關斷過程沒有少子復合時間，開關速度僅取決于柵極輸入電容的充放電時間，所以開關頻率更高，將這種器件應用在鐵道車輛的主電路系統(tǒng)，可降低牽引變流器和電機損耗，并實現(xiàn)整個主電路系統(tǒng)節(jié)能化、輕量化。SiC器件作為最新一代寬禁帶半導體器件的典型代表，近5年來從材料特性、芯片工藝、封裝技術等多方面取得重大進步，已經(jīng)逐步在工業(yè)、新能源以及軌道交通領域推廣應用。蘇州地鐵3號線永磁直驅試驗車就采用SiC MOSFET。雖然SiC器件在牽引系統(tǒng)輕量化、節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢，但其開關頻率高，在驅動方面針對器件過電壓、過電流等保護，橋臂高頻串擾抑制，死區(qū)效應補償?shù)刃枰攸c關注（參考文獻：我國鐵路機車／動車組牽引技術現(xiàn)狀及展望，錢銘，宋永豐）。長客的董事長在受訪時談及CR450，也表示中車將“研制基于永磁牽引電機和高功率器件（SiC）的牽引系統(tǒng)，提升牽引鏈效率”。日本的SiC MOSFET廠商有三菱、日立，富士等，東芝在搞IGET，美國的SiC MOSFET廠商有Cree，我們的SiC MOSFET研制單位有鐵科院、株洲電機，株洲所等多家單位或企業(yè)。

? ? ? ?從直驅驅動結構來說，如果將永磁直驅和軸箱內置結合起來，轉向架的結構可以更緊湊，軸距就可以縮短。雖然軸距下降了，蛇行運動穩(wěn)定性會減弱，但是構架的質量和轉動慣量減小后，蛇行運動穩(wěn)定性又會增加，因此可通過結構優(yōu)化設計、使轉向架的蛇行運動穩(wěn)定性保持在合理的范圍。而且，內支撐永磁直驅轉向架具有良好的長大坡道和曲線通過性能以及輕量化水平，應該說應用前景非常好。對于高速動車組，筆者還是傾向于一系采用轉臂式定位。

? ? ? ?周老先生的設想是，永磁直驅不算太復雜，因為我們有一定的研發(fā)基礎。如果不把牽引電機的質量作為簧下質量，可以用恒力彈簧，直接把電機掛到構架上。如果我們用直線電機，把線圈鋪在線路上，車輛上只剩感應板，也可以將車輛的重量降下來。

? ? ? ?第三是制動。周老先生指出，“一戰(zhàn)”時的飛機沒有制動，后來發(fā)展出盤片制動，到現(xiàn)在全都是盤盤制動。盤盤制動用碳陶或者碳碳（制動盤），重量低。如果像上面說的，車軸采用雙空心軸，就有希望采用盤盤制動，將整車的重量降低8到10噸。

? ? ? ? 綜上，周老先生總結出新一代高速列車轉向架的一些個人的研發(fā)設想，其中的一系彈簧直接不要了，用側梁來代替，另外，“底部包覆技術是應用感應板”。

? ? ? ?筆者本人對周老先生這次報告的總結是，交通強國，鐵路先行。我們發(fā)展高速鐵路，首先在institution方面是有優(yōu)勢的，其次是技術儲備充足。高速鐵路的發(fā)展為我們創(chuàng)造了很多機遇，今年一些有關CR450的消息也足以使我們振奮。但是從更高的速度等級來說，高速磁懸浮有其獨特的優(yōu)勢，愿高速磁懸浮能和高速鐵路一樣，取得更多的發(fā)展成果！

? ? ? ?高速動車組轉向架技術——周殿買高工主題報告，總結完畢。

周殿買高工主題報告：@高速列車走行部技術微信公眾號https://mp.weixin.qq.com/s?t=pages/video_detail_new&scene=23&vid=wxv_2160561816656019458&__biz=Mzg5MjExMzY4Nw==&mid=2247485343&idx=3&sn=bc0623a645e9a05ca336e119e65ee606&vidsn=#wechat_redirect?