大型養(yǎng)路機(jī)械加裝輔助電源研究

董 鴻 上海鐵路局上海大機(jī)運(yùn)用檢修段

大型養(yǎng)路機(jī)械加裝輔助電源研究

董 鴻 上海鐵路局上海大機(jī)運(yùn)用檢修段

對大型養(yǎng)路機(jī)械加裝輔助電源，在其電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)提供應(yīng)急啟動、輔助供電和輔助充電，可以保證其電源系統(tǒng)正常供電，確保大機(jī)設(shè)備正常、安全運(yùn)用。

大型養(yǎng)路機(jī)械；電源系統(tǒng)；輔助電源；充電機(jī)

大型養(yǎng)路機(jī)械（以下簡稱“大機(jī)”）是鐵路工務(wù)線路大維修施工的主要生產(chǎn)工具。電源系統(tǒng)是大機(jī)的重要組成部分，由兩組串聯(lián)的12 V200 Ah鉛酸蓄電池和三臺并聯(lián)的直流發(fā)電機(jī)組成，其中發(fā)電機(jī)為主電源，向全車用電設(shè)備供電，同時(shí)給蓄電池充電。蓄電池的主要作用是發(fā)動機(jī)啟動時(shí)向啟動機(jī)供電，同時(shí)輔助發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供電。

1 大機(jī)電源系統(tǒng)存在的缺陷和安全風(fēng)險(xiǎn)

現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，大機(jī)電源供電系統(tǒng)存在以下幾個方面缺陷和安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

1.1 蓄電池饋電嚴(yán)重，發(fā)動機(jī)無法啟動

大機(jī)蓄電池因車載電氣設(shè)備放電時(shí)間較長，或蓄電池本身性能下降，蓄電池饋電嚴(yán)重，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)啟動困難，在冬季寒冷天氣條件下，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)動機(jī)無法啟動。

1.2 應(yīng)急泵工作耗電嚴(yán)重，影響應(yīng)急起復(fù)

部分大機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)急泵采用的是直流電機(jī)泵，由蓄電池直接供電。在日常應(yīng)急演練中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)急泵工作時(shí)，蓄電池電量損耗快，導(dǎo)致應(yīng)急泵工作后期動力明顯不足，作業(yè)裝置無法全部收復(fù)到位，而且還影響發(fā)動機(jī)的下次啟動。

1.3 發(fā)電機(jī)故障，系統(tǒng)供電不足。

發(fā)電機(jī)故障時(shí)，蓄電池?zé)o法正常充電，耗電嚴(yán)重，尤其是主發(fā)電機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)供電不足，嚴(yán)重影響現(xiàn)場大機(jī)施工質(zhì)量和安全。

以上缺陷，直接威脅大機(jī)的正常運(yùn)用和生產(chǎn)安全。對此，本文提出加裝輔助電源的設(shè)計(jì)方案，以解決上述問題。

2 加裝輔助電源的設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

利用大機(jī)隨機(jī)交流發(fā)電機(jī)組提供電源，選裝充電設(shè)備，將380/220 V交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電，作為輔助電源對蓄電池組進(jìn)行輔助充電和系統(tǒng)應(yīng)急供電。

2.2 輔助電源要實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)和性能要求

大機(jī)電源系統(tǒng)通過加裝輔助電源預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)以下功能目標(biāo)和要求：

（1）應(yīng)急啟動發(fā)動機(jī)；

（2）應(yīng)急泵輔助供電；

（3）電源系統(tǒng)應(yīng)急輔助供電；

（4）蓄電池輔助充電；

（5）不影響電源系統(tǒng)原有性能。

2.3 輔助電源充電設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 滿足應(yīng)急啟動發(fā)動機(jī)的要求

大機(jī)動力系統(tǒng)采用的是道依茨BF12L513風(fēng)冷發(fā)動機(jī)，配備0117 6177啟動電機(jī)，功率：6 kW，額定電流：250 A，啟動電流為額定電流的4～7倍，即：1 000 A～1750 A，因此，輔助電源應(yīng)具備瞬間電流達(dá)到1 750 A左右。

2.3.2 滿足應(yīng)急輔助供電的要求

從電源系統(tǒng)原理圖分析可知：大機(jī)電氣系統(tǒng)負(fù)載總共有6路：加熱器激光系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)作業(yè)照明系統(tǒng)、ALC記錄儀系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和應(yīng)急泵系統(tǒng)。電源供電系統(tǒng)為三臺直流發(fā)電機(jī)和蓄電池輔助供電，三臺直流發(fā)電機(jī)分別是：1m8輸出電流120 A，1m9輸出電流55 A和1m21輸出電流55 A，正常作業(yè)狀態(tài)下，三臺直流發(fā)電機(jī)完全可以滿足全車的供電需求。考慮最不利情況，假定1m8故障，輔助電源需提供120 A電流。

啟動應(yīng)急泵通常是在發(fā)動機(jī)故障情況下直流發(fā)電機(jī)不工作，由蓄電池供電。應(yīng)急泵功率：2.5 kW,額定電流：104 A，因此，輔助電源提供120 A左右電流輔助蓄電池對應(yīng)急泵供電，可以保證應(yīng)急泵供電充足，且大大減少對蓄電池電量的損耗，不影響蓄電池的啟動性能。

智能樓宇應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)功能的不同可以分為安全防護(hù)、綠色節(jié)能和高效便捷三大類[6]：①安全防護(hù)包括視頻監(jiān)控、入侵監(jiān)測、火災(zāi)探測及報(bào)警、（車輛及人員）出入口控制以及應(yīng)急響應(yīng)等；②綠色節(jié)能包括制冷制熱、電器照明控制、環(huán)境監(jiān)測和能耗統(tǒng)計(jì)分析等；③高效便捷包括公共廣播、智能會議、訪客管理、信息引導(dǎo)及發(fā)布、資產(chǎn)管理等。

2.3.3 滿足輔助充電的要求。

一般按照10 h充電率選擇充電電流，即充電電流＝蓄電池額定容量/10，所以大機(jī)電源蓄電池組充電電流為：400 Ah/ 10 h＝40 A。

大機(jī)蓄電池組的容量為400 Ah,合理的充電電流為蓄電池容量的1/10，即40 A，因此，輔助電源只要可以提供40 A電流就可以滿足輔助充電的要求。

2.3.4 不影響電源系統(tǒng)原有性能的要求

總電源供電導(dǎo)線采用的是95mm2的銅質(zhì)導(dǎo)線，最大通過電流（安全載流）為302 A，因此，輔助電源電流不能過大，不能超過30 2A。

強(qiáng)電不得影響弱電系統(tǒng)，不得干擾作業(yè)系統(tǒng)。大機(jī)作業(yè)系統(tǒng)屬于精度系統(tǒng)，輔助電源交流部分布線應(yīng)遠(yuǎn)離弱電系統(tǒng)，必須做好屏蔽。交流與直流需做好隔離設(shè)計(jì)。

綜上分析可知,輔助電源充電設(shè)備應(yīng)具備瞬間電流達(dá)到：1 750 A左右，最大充電電流：120 A左右為宜，最大充電電流不能超過302 A，電流可調(diào)。

2.4 輔助電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖1 輔助電源供電原理圖

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 充電設(shè)備的選配

根據(jù)上述參數(shù)分析，經(jīng)研究，選用萬邦WB1800型快速啟動充電機(jī)（見圖2和圖3）作為輔助電源的充電設(shè)備。

3.1.1 技術(shù)參數(shù)

輸入電源：220/380 V，輸出電壓：（9～30）V，最大充電電流：120 A，瞬間電流：1 800 A，輸出檔位：（12～24）V，外形尺寸（mm)：450×370×720，適用電瓶：（30～800）Ah。

3.1.2 功能特點(diǎn)

（1）輸出電壓12 V，24 V可調(diào)；

（2）電流6檔可調(diào)；

（3）輸入電壓220 V，380 V自動可調(diào)；

3.2 應(yīng)用要求

根據(jù)大機(jī)各種應(yīng)急情況的不同工況特點(diǎn)，經(jīng)應(yīng)用實(shí)踐和探討研究，制定相應(yīng)的操作步驟程序和關(guān)鍵點(diǎn)（見表1），以滿足相應(yīng)工況需求。

表1 輔助電源操作程序和關(guān)鍵點(diǎn)

4 效益分析

4.1 安全效益

加裝輔助電源，可以提高大機(jī)運(yùn)用的可靠性和安全性。輔助電源可以在大機(jī)發(fā)動機(jī)因電瓶容量不足啟動困難或無法啟動時(shí)，及時(shí)提供足夠電流快速啟動發(fā)動機(jī)；可以在現(xiàn)場施工中出現(xiàn)因直流發(fā)電機(jī)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)供電不足的情況下提供最大電流120 A的直流電源輔助供電，保證大機(jī)電源系統(tǒng)供電正常，順利完成作業(yè)任務(wù)，確保施工安全；在應(yīng)急起復(fù)過程中可以給應(yīng)急泵以最大電流120 A的直流電源輔助供電，保證作業(yè)裝置能夠及時(shí)收復(fù)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益估算 加裝輔助電源，有利于大機(jī)節(jié)能減排，還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效率。大機(jī)在作業(yè)等待和附掛轉(zhuǎn)移過程中，可以利用輔助電源給蓄電池進(jìn)行充電，減少發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，從而降低燃油消耗。以維修三隊(duì)為例，全隊(duì)10臺大機(jī)，據(jù)日常油耗統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)動機(jī)燃油消耗率約為25 l/h，每天作業(yè)等待時(shí)間約2 h，以每月20個封鎖天窗計(jì)算，全年全隊(duì)大機(jī)作業(yè)等待時(shí)發(fā)動機(jī)啟動時(shí)間約為：2 h×20天×12月×10臺大機(jī)=4 800 h，燃油消耗4800 h×25 l/h=120 000 l，以現(xiàn)燃油單價(jià)4.25元/l計(jì)算，費(fèi)用約為51萬；2015年維修三隊(duì)大機(jī)長途附掛轉(zhuǎn)移296臺次，以每次轉(zhuǎn)移時(shí)間48 h計(jì)算，途中發(fā)動機(jī)啟動時(shí)間至少要10 h以上，可以估算出每臺大機(jī)轉(zhuǎn)移一次燃油消耗約250 l，全年維修三隊(duì)大機(jī)長途轉(zhuǎn)移途中發(fā)動機(jī)消耗燃油約74 000 l，費(fèi)用約為31.5萬元，全段100多臺大機(jī)，一年能節(jié)約燃油費(fèi)用約825萬元。

電源系統(tǒng)是大機(jī)電氣控制的核心，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響大機(jī)的安全運(yùn)用，因此，大機(jī)電源系統(tǒng)輔助電源的研究具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)方案充分考慮了大機(jī)電源系統(tǒng)故障各種應(yīng)急工況作業(yè)要求，直接選用成熟的充電機(jī)作為輔助電源，具有簡單、易實(shí)現(xiàn)和成本低的特點(diǎn)，可以很好地解決大機(jī)電源系統(tǒng)存在的安全缺陷，有利于節(jié)能減耗，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，可以全面推廣應(yīng)用。

[1]李良仁.電工與電子技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]桂長清.動力電池.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]方大千,方亞敏.實(shí)用電工電子查算手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[4]韓志青,唐定全.抄平起撥道搗固車.北京：中國鐵道出版社,1996.

責(zé)任編輯：王華 張建強(qiáng)

來稿日期：2016-08-18

5 結(jié)論