基于電力接觸網和蓄電池組的雙動力鋼軌銑磨車

岳紅強，安 杰，劉 博，劉青松

（北京拓博爾軌道維護技術有限公司，北京 100085）

0 引言

鋼軌銑磨車是鋼軌維護的重大智能裝備。鋼軌投入使用后，表面會逐漸產生形變和微裂紋等病害，惡化后形成肥邊、剝落等缺陷，新開通的線路在使用3～9個月之后，即產生波浪磨耗、魚鱗紋等損傷。這會加劇列車和軌道震動，造成部件損壞，給軌道運營的安全性、舒適性帶來重大不利影響。

對鋼軌進行科學維護會有效保障鐵路安全經濟地運行，重載鐵路經過定期鋼軌維護，可將鋼軌壽命從通過重量4億噸提高到22億噸，大大降低了鋼軌更換造成的材料、人力及運力損失。鋼軌銑磨車是專門用于軌道維護保養的重大智能裝備，能有效修復鋼軌波浪磨耗、魚鱗紋等損傷，延長鋼軌使用壽命。

目前市場上主流鋼軌銑磨車依然采用內燃機作為驅動動力。其有兩個優點：第一，內燃機技術非常成熟，生產設計成本和使用成本都較低，維修方便；第二，燃機在電氣化區段和非電氣化區段都可以運行，非常靈活。

但是，它具有較為突出的缺點：第一，在地鐵等封閉環境中運行，需要低噪聲和低排污量，而采用內燃機作為驅動動力則會產生大量噪聲和煙塵；第二，鋼軌銑磨車在作業過程中，需要低震動甚至無震動，而采用內燃機作為驅動動力則會產生震動，影響鋼軌銑磨的效果。因此，以內燃機作為驅動動力的鋼軌銑磨車，就無法滿足上述的要求了。

目前越來越多的地鐵和高鐵都采用電力接觸網供電，因此采用電力為動力的鋼軌銑磨車更具有優勢了。針對現有技術中存在的上述問題，本文提出了一種基于電力接觸網和蓄電池組雙動力鋼軌銑磨車。既能適用于地鐵等封閉環境中運行，低震動甚至無震動的。

1 雙動力鋼軌銑磨車整車結構形式

本文提出的雙動力鋼軌銑磨車如圖1所示，該鋼軌銑磨車由動力車和作業車組成。每節車各設一個司機室，配備一銑一磨兩個作業單元，雙動力鋼軌銑磨車分為牽引車和動力車兩節，動力車在圖1左側，作業車在圖1右側。每節車輛采用框架式整體承載式的車體結構，由底架、車體、側墻、活動車頂、司機室等組成。

圖1 車輛總體結構Fig.1 The overall structure of the rail milling train

雙動力鋼軌銑磨車從電力接觸網或蓄電池兩種直流電源接入，經變換后實現整車電牽引系統的控制，并為銑磨作業裝置及車上輔助設備供電，采用交流電傳動，滿足自牽引運行行駛及銑磨作業的動力需要。每節車采用兩臺兩軸轉向架，動力車轉向架軸列式 B0-B0，作業車轉向架軸列式 B-B。

銑磨裝置和打磨裝置分別安裝在作業車和動力車的車下，鋼軌銑磨車具有0.3~3km/h范圍內的低恒速作業功能，作業過程中產生的銑削鐵屑可被高效率回收。

該鋼軌銑磨車銑磨作業一次成型，恢復鋼軌橫斷面輪廓形狀、提高鋼軌的縱向平順性、消除軌面部分側磨、波磨、碾壓層、表面細小裂紋、剝離等缺陷，從而提高列車運行的平穩性和舒適度、降低運行噪音和振動、延長鋼軌的使用壽命。

2 雙動力鋼軌銑磨車電氣系統

雙動力鋼軌銑磨車驅動方式為電力驅動，鋼軌銑磨車電力主取電方式為接觸網受電弓取電，鋼軌銑磨車電力副取電方式為鉛酸蓄電池取電。當受電弓供電時，蓄電池處于充電狀態；當受電弓斷開時，蓄電池處于放電狀態，自動切換到蓄電池供電。外供電調試時可以邊調試邊進行蓄電池充電。

2.1 雙動力鋼軌銑磨車總體電氣方案

雙動力鋼軌銑磨車主取電方式是電力接觸網供電，電力接觸網供電是指通過沿軌道線路上架設的特殊電線向行走在線路上的電動列車不間斷地供應電能。電動列車利用頂部的受電弓與接觸網滑動摩擦接觸而獲得電能，受電弓是城市軌道交通車輛的受流裝置，安裝在與車體頂部，當受電弓升起時，弓和網接觸滑行，從接觸網受取電流，通過車頂母線傳送到車輛內部，供車輛設備使用，電流經過車輛輪對、鋼軌（或回流裝置）回到變電所，形成閉合回路。

如圖2所示，雙動力鋼軌銑磨車主取電采用接觸網供電，滿足不銑磨作業時機車高速牽引用電、銑磨作業時低恒速牽引及銑磨作業用電、機車輔助設備的用電的需求，副取電方式采用蓄電池供電，當線路故障或檢修失電時，采用蓄電池為機車臨時供電，滿足機車牽引用電，可以開回車庫中，同時也可以滿足機車輔助設備的用電，蓄電池供電時不進行低恒速銑磨作業。接觸網供電時，蓄電池放電電路斷開，接觸網可以給蓄電池充電，蓄電池處于充電狀態，同時設計有車間庫電接口，鋼軌銑磨車開回車庫中后，可以插入庫電進行鋼軌銑磨車的調試，維修，同時可以為庫電可以給蓄電池充電，以防止鋼軌銑磨車長期停放未使用時蓄電池缺電，鋼軌銑磨車前期調試時也要用到庫電。

圖2 雙動力能源供總體電氣方案Fig.2 The overall electrical scheme of the dual power energy supply system

2.2 雙動力鋼軌銑磨車電氣系統

圖3 雙動力鋼軌銑磨車電氣系統方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrical system for the double powered rail milling train

如圖3所示，雙動力鋼軌銑磨車電控系統主要功能是從接觸網或蓄電池兩種直流電源接入，經變換后實現整車電牽引系統的控制，并為銑磨作業裝置及車上輔助設備供電。整車電控系統由觸網開關柜、直流變換柜、牽引變頻柜、輔助變流柜、輔助電源柜、蓄電池管理柜、控制柜、充電機、銑磨系統電氣柜等幾部分組成。主要控制柜介紹如下：

（1）直流變換柜。雙動力鋼軌銑磨車的直流變換柜直流的輸入為1500V直流電壓。雙動力鋼軌銑磨車可以接入外部的380V交流電源，例如庫用電。外部380V交流電源接入后，輔助電源柜的輸出側三相380V、單相220V均能正常工作。另外，外部380V交流電源接入后，將自動切斷KM1，從而斷開蓄電池直流供電回路，以有效充電并避免電池電量浪費。

（2）輔助變流柜。輔助變流柜將直流輸入電壓進行DC/AC變換，三相輸出電壓穩定在380V，單相輸出穩定在220V。輔助變流柜的輸出作為輔助電源柜的輸入，由輔助電源柜為銑磨作業裝置及其它輔助電氣設備供電。

（3）輔助電源柜。輔助電源柜內主要設備為3個三相逆變電源。其中：第1個逆變電源輸出三相380V后濾波，供給銑磨作業裝置和蓄電池充電機；第2個逆變電源與第3個逆變電源輸出三相380V后濾波并隔離，為空壓機、液壓站、通風機、空調、照明等其它輔助電氣設備提供三相380V和單相220V電源。為保障系統供電的安全可靠，第2個逆變電源與第3個逆變電源互為備用，當其中一路出現故障時，可將其切除，然后將備用逆變電源切入系統。

輔助電源柜將輔助變流柜輸出的380V三相交流進行濾波，并經變壓器隔離后，輸出三相380V、單相220V兩種規格的輔助電源供給其他電氣設備。其中，一路三相380V專供給銑磨作業單元和蓄電池充電模塊，另一路三相380V供給包括空壓機、通風機、空調及散熱機等輔助設備，單相220V供給整車交流控制電源及空調、儀表。

（4）牽引變頻柜。雙動力鋼軌銑磨車有兩臺牽引變頻柜，每臺牽引變頻柜內安裝兩個牽引變頻器，整個系統共包含4個牽引變頻器，共同負責整車的牽引運行，實現恒牽引力準恒速自運行以及低恒速作業。牽引變頻器主電路采用兩電平電壓型拓撲，兩臺牽引變頻柜實現兩個轉向架四臺電機的分別控制。

（5）控制柜。控制柜是牽引供電系統的集中控制器，主要實現4個牽引變流器的協調控制，同時對直流變換柜、冷卻系統以及輔助電源柜進行狀態監控顯示和操作控制。控制器與車輛控制監視系統之間通過總線實現數據的傳輸，接受控制器的指令，并向車輛控制監視系統（TCMS）反饋相應的運行狀態數據和故障報警信息。控制器還配備有調試通訊接口，用以協助進行深入的調試和測試工作。

（6）蓄電池管理柜。蓄電池管理柜主要用于對牽引蓄電池的保護和充放電控制，并在接觸網斷電時，實現系統750V直流母線的不間斷供電。

3 結論

傳統的鋼軌銑磨車采用柴油內燃機發電，有污染，有震動，有噪音。本文介紹的雙動力鋼軌銑磨車驅動方式能提供足夠大功率的電，負載所用功率都足夠用。目前，城市軌道地鐵大都采用接觸網供電，取電方便。雙動力鋼軌銑磨車具有無污染，環保，體積小，無震動，無噪音的優點。接觸網和蓄電池雙動力供電之間實現無縫銜接，供電系統安全可靠，電能充分利用，節能，環保。