移動式鋼軌閃光焊機系統中柴油發電機組的選擇

王志偉，戴 虹，易 瓊

(1.湖南鐵道職業技術學院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031；3.南車集團株洲電力機車有限公司 技術中心，湖南 株洲412001)

移動式鋼軌閃光焊機系統中柴油發電機組的選擇

王志偉1，戴 虹2，易 瓊3

(1.湖南鐵道職業技術學院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031；3.南車集團株洲電力機車有限公司 技術中心，湖南 株洲412001)

在目前移動式鋼軌閃光焊機系統中，均采用柴油發電機組作為焊機系統的供電電源。列舉了現有移動式交流鋼軌閃光焊機系統中柴油發電機組的功率選配現狀，分析了移動式鋼軌閃光焊機實際用電功率需求，指出現有柴油發電機組選配功率不足的普遍問題，提出初步改進意見。

移動式；閃光焊機；柴油發電機組；選擇

0 前言

目前，移動式鋼軌閃光焊系統的在線焊接供電電源為柴油發電機組(以下簡稱柴電機組)，這種供電電源具有使用靈活廣泛、環境適應性好、供電連續等優點。但在現場使用中，發現原配柴電機組普遍存在輸出功率不足的問題，只能適應連續閃光焊工藝焊接50軌和60軌的要求，不能很好適應脈動閃光焊工藝焊接60軌的要求，更不能適應焊接75軌的工況。在焊接鋼軌時，原配柴電機組長期處于短時超負荷的工作狀態，柴油機壽命較短、油耗偏大，磨損嚴重，柴電機組在焊接鋼軌時排放黑煙、積碳現象嚴重，污染加劇，噪聲增加，年度維護工作量繁重；另外，由于供電功率不足，使移動式鋼軌閃光焊野外在線焊接質量不易提高，延誤施工工期，增加施工開天窗時間，增加施工成本。目前暫無專門文獻對移動式鋼軌閃光焊機如何合理選配柴電機組這一問題進行研究，給合理選用柴電機組帶來困難，使得生產廠家和用戶選擇柴電機組具有盲目性。為改變這一滯后局面，在此對該問題進行研究。

1 現有移動式鋼軌閃光焊機系統中柴電機組的功率原配方案

柴油機的輸出功率通常標為常用功率和備用功率，一般用kW標識，在選擇柴電機組時，應該按照柴油機常用功率選擇，發電機輸出功率一般采用kVA標識，交流三相無刷同步發電機COSφ均為0.8。表1為常見的移動式鋼軌閃光焊機和廠家原配的柴電機組情況一覽表，其數據來源于各廠家網站對所生產的移動式鋼軌閃光焊機系統的介紹和焊機實際銘牌標識。

柴電機組除了給閃光焊機供電外，還需要給液壓系統和輔助系統供電，液壓系統和輔助系統供電總功率在沒使用變頻伺服泵或者永磁伺服泵時不小于35 kW，最好能到50 kW，在使用變頻伺服泵或者永磁無刷伺服泵時不小于30 kW。為降低柴電機組系統輸出阻抗，增大系統短路容量，通常取發電機輸出功率大于柴油機輸出功率。但具體到柴油機與發電機如何適當配合，從表1可以發現各個廠家選配方案五花八門，沒有太多規律可循。要解決這個普遍存在的問題，應對移動式鋼軌閃光焊機在連續閃光焊和脈動閃光焊工況下所需功率進行仔細分析，并結合移動式鋼軌閃光焊機系統設備配置來分析，才能找到對策。

表1 移動式鋼軌閃光焊機的柴電機組選配情況

2 移動式鋼軌閃光焊機系統實際所需功率分析

(1)三相交流不對稱系統。

(2)三相交流對稱系統。

式中 P為柴油機實際所需功率(單位：kW)；P1為發電機輸出功率(單位：kVA)；P2為焊機短時間平均功率(單位：kW)；P3為焊機輔助系統功率(單位：kW)；η 為焊機系統總效率；COSφ1為焊機系統全功率因數；系數0.577為三相交流電源僅帶單相交流負荷時的三相電源功率利用率；K1為柴油機功率余量，根據現場使用經驗，K1可取0.86，此時柴油機能耗最低，排放污染最少，且熱效率最高[1]；K2為發電機功率余量，根據現場使用經驗，K2可取1。

注意：程控高低壓連續閃光焊所需的短時平均功率與脈動閃光焊有所不同，相比之下，脈動閃光焊的短時平均功率要大一些，焊機功率應以不穩定閃光平均電流進行計算[2]。并且焊機在工作時，短時輸入功率比焊機變壓器額定功率要大得多，當閃光焊機在加速燒化和帶電頂鍛階段，如果柴電機組供給焊接變壓器的功率不足，而此時由于液壓驅動焊鉗系統快速脈動或快速進給更需要一定功率，會造成液壓系統外特性變軟而導致液壓焊鉗拉力不足，從而使得焊接過程難以控制，影響焊接質量，因此，希望柴油機能有較大的短時輸出功率。另外，由于閃光焊負載具有短時需求功率大、功率因數偏低的特點，要求發電機具有一定的抗過載能力，并且內阻較低，能在短時間內輸出很大功率而不會使發電機輸出端電壓瞬時波動過大。表2列出常見的移動式鋼軌閃光焊系統焊接75軌時短時實際焊接平均功率和對柴電機組的輸出功率需求；表3列出常見的移動式鋼軌閃光焊系統焊接60軌時短時實際焊接平均功率和對柴電機組的輸出功率需求。

表2 常見的移動式鋼軌閃光焊系統焊接75軌時短時實際焊接平均功率和對柴電機組的輸出功率需求

表3 常見的移動式鋼軌閃光焊系統焊接60軌時短時實際焊接平均功率和對柴電機組的輸出功率需求

由表1～表3可知，目前的移動式鋼軌閃光焊系統除美國Caterpillar-Chemetron公司的直流逆變焊機外，其余均采用單相交流調壓方式進行焊接功率調節，并且沒有功率因數動態補償裝置或者三相變單相逆變裝置，故存在柴電機組三相輸出偏相和焊機系統全功率因數較低的問題，從而使得目前移動式鋼軌閃光焊機對柴電機組功率需求很大，特別是采用脈動閃光焊工藝后，對柴電機組功率需求更大，推薦移動式焊軌列車的柴電機組功率不宜小于800 kVA[3]，但事實上現有機型均未做到這一點。在脈動閃光焊工藝工況下，原配柴電機組普遍存在功率偏小，不能適應這種焊接工藝對供電功率的要求，而且還造成液壓系統短時輸出功率下降而導致頂鍛力下降。除產生上述問題外，由于柴油機瞬時輸出功率小，使得在野外鋼軌施工線上焊接時閃光焊接質量下降，灰斑生成幾率大幅度增加，焊縫質量變差，焊接廢頭率上升，從而嚴重影響施工質量和施工進度，并且大大增加了材料的損耗和能源的消耗。因此，有必要根據表2、表3列出的選配方案和現場焊接設備的狀況及附加設備，選擇適當功率的柴電機組，以提高鋼軌閃光焊接質量，提高施工后鐵道線路的安全性，并達到節能的效果。同時，系統三相供電平衡后，液壓泵站電機可采用恒轉矩變頻調速甚至直流永磁無刷電機調速變量泵增強液壓泵站的輸出能力，使液壓系統更好地適應脈動閃光焊工藝要求。

3 柴油發電機組和輔助設備的選擇

3.1 柴油發電機組和輔助設備的選用原則

移動式鋼軌閃光焊機工作環境惡劣，野外工作配件供應困難，維修難度大，故要求柴電機組中柴油機除了能滿足焊接功率需求外，還應具有可靠性高、日常維護簡單、配件供應方便、配件價格合理等特點；對于柴電機組的發電機，要求結構簡單堅固、穩壓精度高、動態特性好、配件價格合理且易于采購、發電機自身阻抗低、且能可靠自行起勵、體積小，最好能采用銅線繞組單軸承三相自勵恒壓無刷同步發電機，且采用永磁副勵磁機勵磁方式起勵(即PMG發電機)[4]。根據表2、表3可知，當移動式交流鋼軌閃光焊機系統三相負荷均衡時，柴電機組需要的功率可以大大降低，可有效提高焊接質量，并有效節能、降低污染排放。在現有施工條件和技術水平下，輔助設備可選用全數字化方波逆變電源，即方波三相變單相系統。

3.2 柴油機的選擇

可選用沃爾沃、勞斯萊斯、BMW、卡特彼勒、康明斯、三菱重機、底特律、MTU等公司的柴油機，柴油機的常用輸出功率可根據閃光焊機機型及附加裝置按照表2選擇功率相等或功率大一級的柴油機，并且優選四沖程渦輪增壓高壓共軌電噴柴油機型號。

3.3 發電機的選擇

可選用無錫新時代、無錫斯坦福、上海馬拉松革新、福州利萊森瑪等廠家生產的單軸承PMG永磁輔勵三相無刷同步發電機，發電機可根據閃光焊機機型和附加裝置按照表2選擇輸出功率相同或者輸出功率等級大一級的發電機。

3.4 輔助設備的選擇

在現有施工條件下，采用晶閘管或者IGBT方波逆變電源可滿足上述要求，特別是全數字化晶閘管方波逆變電源，耐受過電流能力強、維護簡單、系統價格較低、配件價格低廉。

依照上述三個原則，以鐵路鋪設施工現場常見的К 922機頭焊接75軌和60軌為例，選擇柴油發電機組和輔助設備方案如下：

(1)為滿足К 922機頭方波脈動閃光焊工藝焊接75軌的要求，柴油機選康明斯700kW，柴油發動機為康明斯KTA38-G2，發電機為無錫斯坦福HCM634J，全數字晶閘管方波逆變電源功率為800 kW。

(2)為滿足К 922機頭方波脈動閃光焊工藝焊接60軌的要求，柴油機選康明斯400 kW，柴油發動機為康明斯KTAA19-G3，發電機為無錫斯坦福HCM634G，全數字晶閘管方波逆變電源功率為500 kW。

采用3 kW三相調壓器(模擬柴油發電機組功率輸出)、全數字化晶閘管方波逆變電源1 kW模擬樣機和單相交流碳棒電弧光發生器(模擬閃光焊負載)對上述公式與選擇結論進行模擬測試，得到的結論證實了柴油發電機組功率選擇計算公式的正確性，并證實了三相變單相方波逆變器在閃光焊接中的節能作用，為其進一步實際應用打下了堅實基礎。

4 結論

從上述分析及現場模擬實際工況發現，現有移動式交流鋼軌閃光焊機由于三相負荷不平衡而普遍存在柴電機組輸出功率不足的問題。根據鋼軌交流閃光焊機類型和主要焊接鋼軌類型，選擇功率合適的柴電機組及三相變單相輔助裝置，可有效提高焊接質量，降低能耗。

[1]船用柴油發電機組功率匹配比的選擇[J].艦船科學技術，1980(12)：51-56.

[2]楊來順.鋼軌焊接工[M].北京：中國鐵道出版社，2000：218.

[3]楊來順.鋼軌焊接工[M].北京：中國鐵道出版社，2000：247.

[4]蘇石川.現代柴油發電機組的應用與管理[M].北京：化學工業出版社，2005：7-90.

How to choose diesel power unit in mobile railway flash-butt-welding system

WANG Zhi-wei1，DAI Hong2，YI Qiong3
(1.Electrical Engineering Faculty，Hu'nan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China；2.Material Science and Engineering College，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；3.Technical Center，CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China)

In current mobile railway flash-butt-welding system，all welding machine supply power is diesel power unit.Enumerate current diesel power unit selections in mobile railway flash-butt-welding system and analyze power consumption in mobile railway flash-butt-welding machine，figure out under-power in current diesel power unit，propose preliminary improvement suggestion.

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TM314+.2

A

1001-2303(2012)07-0031-04

2011-09-28；

2012-03-04

湖南省教育廳科學研究資助項目(09C1228)

王志偉(1973—)，男，湖南湘潭人，講師，碩士，主要從事鋼軌閃光焊系統供電電源及特種電力電子裝置的研制和教學工作。