地鐵中內燃機車的配置及運用檢修分析

吳 敏

（西安市地下鐵道有限責任公司，710015，西安∥工程師）

目前，地鐵救援、維修作業施工中，絕大部分為內燃機車。其主要用于地鐵車輛段的調車作業，工務維修中的牽引作業，以及檢測、清洗等無動力車輛的牽引作業、事故車輛的牽引救援等。

1 國內地鐵的線路條件及內燃機車運用工況

城市地鐵線路參數參考GB 50157－2003《地鐵設計規范》，根據國內多個地方城市地鐵線路的統計和對比，一般都符合如表1所示條件。

表1 城市地鐵線路參數

由于各個地方采用地鐵電客車的車型不同，受電模式不同，其參數各異。地鐵電客車的典型運用如下：

1）編組形式一般為8節編組、6節編組、4節編組等3種。

2）以南京地鐵1號線為例，6節編組車，空車重為225t，超載重為372.6t；此為目前最廣泛運用的編組形式。采用8節車編組的目前比較少，最大超載重量為480t左右。

3）電客車最高運行速度為80km／h。

內燃機車主要承擔地鐵電客車的救援、段內調車、牽引平板車、牽引網軌檢測車作業等工況。各種工況下的情況如下：

第一工況，線路維護作業。為正線運輸維護人員和設備物質，以及牽引軌道平車、攜吊平車等其他無動力軌道車輛，或者進行正線巡檢搶修作業。通常作業采用一輛工程車輛牽引2～3輛軌道平車或一組攜帶平車的模式，牽引總噸位最大約100t（一輛軌道平車滿載按40t計算）；最大速度應達到70～80km／h左右。

第二工況，車輛段段內或車站內調車。牽引空載電客車在車輛段內進行調車作業（一列空載電客車按230t計算），速度不低于40km／h。

第三工況，救援牽引為雙機重聯牽引一輛事故電客車（超載狀態）回到車輛段內（一列超載電客車按380t計算），平均速度約30km／h。

2 內燃機車的參數與配置分析

為更好地利用內燃機車，其需要的參數和配置選擇均要從地鐵運用的實際工況出發，選擇最適合地鐵運用的參數配置。下面從內燃機車功率、發電機的配置、基礎制動裝置及制動距離、車鉤的配置、輪緣潤滑器、充電發電機和蓄電池的大小、不落輪鏇床的接口、車載電臺接口等方面進行說明。

2.1 內燃機車功率的選擇

地鐵中使用的內燃機車一般采用液力傳動方式，所配置的柴油機一方面需驅動液力變速箱，另一方面還要直接或間接驅動許多的輔助裝置，如輔助發電機、空壓機、空調壓縮機、液壓泵、冷卻風扇等。輔助裝置需要消耗柴油機功率的10%左右。液力傳動的平均效率按0.82。

定義輪周牽引力F 在單位時間內所做的功為機車的輪周功率Nk，則：

式中：

F——機車輪周牽引力（亦稱機車牽引力），N；

v——機車速度，km／h；

Nk——機車輪周功率（機車功率），kW。

設柴油機輸出的功率為Ne則有：

式中：

η1——驅動 輔 助 裝 置 消 耗 功 率的 系 數，η1≈0.9；

η2——液力機械傳動裝置效率，η2≈0.82。

車輛阻力的計算公式，根據TB／T 1407－1998《牽引計算規程》，客車的阻力按如下公式計算。客車基本阻力

機車基本阻力

坡道阻力

曲線段附加阻力

式中：

v——列車速度，km／h；

i——線路坡度；

R——線路曲線半徑，m。

根據以上公式計算地鐵中內燃機車的3種運用工況所需功率分別如下：①第一工況線路維護作業所需要功率為224kW；②第二工況車輛段段內或車站內調車所需要功率為298kW；③第三工況救援牽引所需要功率為373kW。為此，考慮發動機散熱所需輔助消耗功率，應選擇功率為447kW（600 hp）的內燃機車。

根據內燃機車的運用工況粘著力情況，計算單臺447kW 內燃機車牽引噸位如表2。

表2 單臺447kW 內燃機車在不同坡道上的牽引噸位表

從牽引噸位表可以看出：對于6節編組車，采用單臺447kW 內燃機車可以在車輛段內調車，牽引230t的空載電客車時速度可到達40km／h左右（小于5‰坡道）。采用雙機救援時，在35‰坡道達到約12km／h的速度（單機牽引260t時速度約7km／h；雙機牽引的效率按0.9計算，故其速度為12.6km／h）。若正線救援牽引的平均坡道按10‰計算，救援的平均速度可以達到40km／h。單機牽引100t作業時，在5‰坡道上速度可達50km／h以上，平直線路上速度可達70km／h以上。

雙機重聯救援時，在35‰坡道上，可牽引520t（單機260t），速度達到7km／h，滿足牽引8節超載客車的要求。

綜上所述，選擇447kW 功率的內燃機車完全滿足地鐵中內燃機車的各種作業工況要求。

2.2 內燃機車輔助發電機的配置

針對目前地鐵中內燃機車使用要求及作業情況，需要通過內燃機車為本車及外部交流設備提供電源，如空調、取暖器及外部隨車起重設備等。為此在供電設備上的選型上則需要充分考慮城市地鐵線路限界等綜合條件，以及用電設備的要求功率。通過調研發現，447kW 內燃機車配置40kW 發電機和1臺4.3kW 小發電機組，是能充分滿足地鐵線路使用及作業要求的。40kW 發電機應由主發動機直接驅動而不是單獨的配置40kW 發電機組。

下面從五方面來闡述配置40kW 發電機和1臺4.3kW 小發電機組配置的優越性。

1）使用工況：行車的過程中，只需開4.3kW的小發電機組，即可給車內電器設備供電。若使用大功率的40kW 發電機組給車內電器設備供電，顯然是一種浪費。停車時，起動發動機，既可以使用空調，也可以驅動發電機為其它作業設備（如電焊機、電動工具、吊機等）提供電源；若發電機不采用主發動機驅動，單獨安裝40kW 發電機組的話，在行車過程中如果要使用空調，不但要起動主發動機，又要起動40kW 發電機組，不但造成了大的浪費，而且增大了整車噪聲。

2）安裝維修：內燃機車下雖能夠安裝下單獨的40kW 發電機組，但是對于車底懸掛、傳動、動力單元的維護維修造成了很大的影響。因為發電機組占據了預留的檢修通道以及下部大部分空間，對維護檢修人員來說是極大的不方便：第一，即使是在車庫有地坑的條件下，維護檢修人員雖能在地坑里檢修，但其作業空間已經相當狹窄；而且在狹窄的空間里作業，很容易造成受傷等安全事故。第二，車輛在正線作業時，一旦突發出現拋錨停機，作業人員想要爬入車下進行故障排查幾乎是不可能的，因為根本就沒有空間讓維護檢修人員爬進車底，除非將發電機組拆下。但在正線上這是不現實的。因此，空間的局限對于任何機械的檢修維護來說，都是費時費力的。檢修的不便、時間的延長都是一種極大的資源浪費。第三、對于40kW 發電機組自身的檢修也同樣存在極大的不便，其發動機的冷卻、潤滑系統加水加油極不方便。而由主發動機驅動的發電機可以直接安裝在車上，維修方便。

3）維護成本：單獨的40kW 發電機組的安裝增加了車輛的使用維護成本，增加了燃油的消耗，縮短主機的運行時間，增加了故障點；同時，發動機柴油濾芯、機油濾芯、空氣濾芯、皮帶等需經常更換，并且在有限空間內更換作業也極不方便。

4）排放標準：單獨的40kW 發電機組增大了噪聲。當車輛在隧道作業且空調運轉時，發動機與40kW 發電機組需要同時開啟，噪聲將大大提高；另一方面，40kW 發電機組目前只能滿足歐Ⅱ排放標準。對于地鐵來說，排放是否達標也是重要的考核指標之一。

5）目前國內地鐵車輛使用情況：基本上都是采用40kW 發電機和4.3kW 小發電機組的成熟技術。雖然也有安裝40kW 發電機組的車輛，但卻嚴重影響到車輛的檢修。此外，使用國產發電機組故障率較高，維護成本大幅增加；而采用國外進口的發動機組結構尺寸更大，車輛剩余空間安裝不了，同樣也使維護成本大幅增加。

綜上所述，447kW 內燃機車配置40kW 發電機和一臺4.3kW 小發電機組是成熟、可靠、低故障率、低維護成本、低碳環保的配置方案。

2.3 內燃機車的基礎制動裝置及制動距離

內燃機車的基礎制動建議采用單元制動器的形式，每個車輪均設獨立作用式單元制動器。單元制動器分帶彈簧和不帶彈簧兩種。其中帶彈簧的單元制動器可供停車時使用，起到停車制動的作用。

不帶彈簧的單元制動器主要包括制動缸、制動力放大機構及單向間隙自動調整器，它可以自動補償閘瓦和車輪踏面磨耗產生的間隙。

帶彈簧的單元制動器在不帶彈簧單元制動器的基礎上增加了彈簧停車制動器以及手動緩解裝置。它具有失壓自動制動功能，一旦充氣壓力下降到一定值時，帶彈簧的單元踏面制動器就能自動工作，隨著充氣壓力的減少，加在閘瓦上的壓力越來越大，起到自動制動的作用。該單元制動器可供停車制動使用，通過操縱臺上的開關控制緩解；在無空氣壓力供給時，可通過拉動快速機械式手動緩解裝置拉環，快速緩解。

單元制動器輪瓦間隙調整器動作準確，性能可靠，可始終保持閘瓦與踏面之間的間隙為4～8mm。更換閘瓦時通過旋轉制動器后端的六角螺母使制動桿回縮，即可進行閘瓦更換；施行一次制動后即可使閘瓦與踏面之間的間隙自動恢復為4～8mm。該單元踏面制動器為全密封式結構，可以防塵、防雨，且使用壽命長。

機車停車制動是利用彈簧作用力，并經過放大后對輪對施加壓力，能保證機車停在35‰直坡道上而不致下滑。

對于內燃機車，其制動距離不要要求太嚴格，建議按GB 10082－2010《重型軌道車技術條件》中的要求：在平直道上，初速度80km／h 進行緊急制動時，制動距離小于400 m 。若制動距離要求太高，則在軌面潮濕等狀態下實施緊急制動，容易擦傷車輪。

2.4 車鉤的配置

車鉤是內燃機車牽引用的主要部件，主要有2種方式：一種是安裝與地鐵車輛一樣的密接式車鉤，一種是安裝國鐵的13號緩沖車鉤。根據內燃機車的使用情況，為減少投資，建議安裝13號緩沖車鉤；每條線配標2個過渡車鉤，以方便與電客車之間的連接。

2.5 輪緣潤滑器

內燃機車在曲線區段運行時，輪緣磨耗快。為了減輕輪緣磨耗，一般建議在內燃機車轉向架構架上加裝輪緣潤滑器給輪緣進行潤滑，可使輪緣磨耗顯著減少。但是，由于輪緣潤滑器種類繁多，結構繁簡不一，采用的材料有潤滑油、潤滑脂、固體潤滑劑等，常因輪緣潤滑器保養或使用不當使潤滑劑流到與軌面接觸的踏面上，使粘著條件惡化而引起車輪空轉，影響內燃機車牽引力的發揮。因此，建議地鐵及輕軌車輛選擇簡單實用、安全可靠、成本低、無污染、不產生輪緣剝離等特點的干式潤滑輪緣裝置。

2.6 充電發電機和蓄電池的大小

為保證蓄電池放電倍率高、免維護周期長，應采用免維護堿性蓄電池。為保證在使用過程中不出現蓄電池虧電現象，蓄電池和充電發電機的容量選擇至關重要。蓄電池容量和充電發電機功率計算如下。

直流部分負載清單：室內照明負荷加上前照燈、尾燈、上照燈等的功率約200 W；前后司機室雨刮器（2副50 W）100 W；發動機控制系統用電384W；變速箱控制系統用電144 W；換擋控制器輸出用電144 W；PLC用電144 W；儀表及儀表燈用電（2A）48 W；電控閥、電磁閥等用電200 W；電臺用電約300 W；空調用控制電量約720 W。

以上在考慮了最大使用負載情況下的用電總功率為2 528 W，發電機容量為99.3A。可選擇發電機容量為DC 24V，150A。

當車輛不起動發動機且不使用發電機組時，直流用電量按以上進行計算，用電功率為800 W，電流為33.3A。選擇蓄電池4只（12V，200Ah，兩并兩串）的閥控密封式鉛酸蓄電池可放電6h。

2.7 不落輪鏇床的接口

為方便鏇輪，內燃機車的軸箱結構應符合不落輪鏇床的接口要求，適合安裝鏇輪卡具。應能在不需要任何拆卸的情況下，對內燃機車的輪對進行鏇削外廓操縱，并可對單個轉向架或單個輪對進行鏇削外廓的操作。

2.8 車載電臺接口

為方便司機間的溝通，以及司機與調度直接溝通，內燃機車應安裝車載電臺。內燃機車在設計時應為車載電臺的安裝預留接口，并設置必要的電源和安裝條件。

3 主要部件的檢修周期

內燃機車的主要部件關系到整車的運行安全。合理的檢修周期，有利于維護內燃機車的性能，保持在下次相應修程之前各部狀態性能良好，延長車輛及零部件的使用壽命，減少臨修，提高車輛使用效率。

根據地鐵中內燃機車和國鐵工務用軌道車的現場運用情況比較，檢修周期分為小修、項修、大修3個檢修周期。

內燃機車的小修周期為6個月。小修是指對發動機、走行部及制動系統部件進行維護性維修工作。

項修是根據內燃機車的實際技術狀態，有針對性地對某些總成進行修理和更換工作。

內燃機車的大修周期為6～7年。大修是對內燃機車全部總成徹底修理。局部改造和更換必要部件的修理工作可結合大修一并進行。

初步確定內燃機車主要部件的檢修周期如表3。

表3 主要部件的檢修周期

綜上所述，為更好地利用和運用地鐵中的內燃機車，應在充分考慮其各種參數與地鐵實際條件，以及運用工況的條件下，選擇合適的功率、參數和基本配置，以及與其它設備的接口條件，并定期的對其進行保養檢修。

［1］GB／T 10082－2010 重型軌道車技術條件［S］.

［2］TB／T 1407－1998 列車牽引計算規程［S］.

［3］唐明輝，王健全，徐國梁.城市軌道交通列車編組形式與牽引電機的選擇［J］.機車電傳動，2005（5）：51.