新能源鋰電池牽引機車在長大隧道施工中的應用

楊君華

（中鐵隧道股份有限公司，河南 新鄉 453000）

我國隧道里程在世界名列前茅，使用TBM法施工的長大鐵路隧道（秦嶺隧道、桃花鋪隧道、磨溝嶺隧道、中天山隧道、引紅濟石、引大濟黃、引洮供水隧洞、引漢濟渭、遼西北供水、引松供水），由于電瓶車的續航能力和高原適應性滿足不了施工要求，均采用了內燃牽引機車作為水平運輸編組的原動機。

近年來，由于空氣環境質量污染越趨嚴重，國家提倡環境保護，綠色減排，誕生了新能源汽車。在隧道施工行業，誕生了隧道施工用鋰電池牽引機車。

針對高黎貢山隧道高地熱、高地應力、高地震烈度的特征，以及川藏鐵路高海拔、寒冷的特點，根據設計提供的地質勘探資料，如何解決空氣稀薄、寒冷條件下的運輸需求和如何保障空氣稀薄的隧道內施工人員的環境質量；以及隧道內使用內燃機車產生尾氣污染，導致施工空氣質量極差，且購置成本高、噪聲污染大。

本文針對高黎貢山隧道TBM掘進段長距離大斷面的運輸施工特點進行研究，有必要研究一種綠色能源動力、充電時間短、高低溫適應性強、制動可靠的新能源鋰電池機車，適應于長大隧道高地熱、高地應力、高地震烈度，以及川藏鐵路高海拔、寒冷的工況，提高施工效率，加快工程進度，保證施工安全。

1 工程概況

新能源鋰電池牽引機車依托中鐵隧道集團承建的大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM掘進段為試驗工程。大瑞鐵路二分部全長13.92km，設計變更后施工范圍：平導工程11518.58m(其中TBM施工10623m)；I線正洞工程13260m(其中TBM施工12546m)。正洞隧道開挖直徑9030mm。

2 新能源鋰電池牽引機車總體方案

根據工地施工組織，考慮到新能源鋰電池牽引機車的使用需求，確定采用45t新能源鋰電池牽引機車進行出渣作業。45t新能源鋰電池牽引機車采用鈦酸鋰電池作為動力源，經逆變后供給兩臺主驅動電機，通過變頻器進行調速控制。

3 45t新能源鋰電池牽引機車主要技術參數

45t新能源鋰電池牽引機車主要技術參數見表1。

表1

圖1 牽引機車組成圖

4 45t新能源鋰電池牽引機車的組成

45t新能源鋰電池牽引機車主要由車體、走行裝置、制動系統、傳動系統、操縱控制系統、鋰電池及其電源管理系統、空壓機等組成，如圖1。

5 牽引性能測試

重載試驗，機車運行速度為14.4km/h（滿足長大隧道機車運行速度要求）。

隧道坡度：雙側壁道岔處和軌排處為20‰，平導TBM斜坡軌處為24‰（最大坡度）。

編組類型:7節16m3側卸車（全部滿渣）+1節15t材料車。

負載重量:255.6t。

根據現場測試表明，在水平運輸軌道24‰的坡度下，機車啟動牽引能力達到255.6t。

6 續航能力測試

（1）輕載續航能力測試。

隧道最大坡度：20‰，隧道持續坡度：9‰。

編組類型：機車牽引3臺16方側卸車+1臺15t材料車或機車牽引3臺16方側卸車+1臺6方罐車, 最大負載重量為117.8t。

根據輕載工況測試數據統計，累計作業1804.4km，45t鋰電池牽引機車充滿電輕載可持續行駛約60～80km。

根據初期復雜工況測試統計，45t鋰電池機車充滿電輕載續航能力為60～80km。

（2）重載續航能力測試。

隧道最大坡度：20‰，隧道持續坡度：9‰。

編組類型一:6節16m3渣車（5.5節滿渣）+一臺8方罐車+一臺管片車。

編組類型二:7節16m3側卸車（全部滿渣）+1節15t材料車。

最大負載重量為255.6t。

根據重載工況測試數據統計，累計啟動963次，累計作業1190.4km。45t鋰電池機車充滿電在綜合工況下，重載續航能力約為55～60km。

圖2 洞內重載作業

7 充電測試數據

在16～30℃的環境溫度下，630Ah的鋰電池總成充電情況如下表2：

表2 充電記錄

從表2可知，在16～30℃的環境溫度下，45t鋰電池機車從SOC20%到充滿電，需要花費約165min，消耗交流電304.3kW·h；從SOC從30%到充滿，需要花費約146min，消耗交流電253.8kW·h。充電過程電池性能穩定。

8 經濟效益、社會效益和環境效益

8.1 購置成本

35t進口小馬機車的購置成本約為368萬/臺； 45t鋰電池機車的購置成本約為135萬/臺，充電樁購置成本約為11萬/臺（按照兩臺45t鋰電池機車配置1套120kW充電樁進行計算，充電樁購置成本為11萬，折合配置每臺機車5.5萬）。因此，45t鋰電池機車一次性固定投入成本約為140.5萬元。

通過以上對比，45t鋰電池機車的購置成本遠遠低于35t小馬機車價格。

8.2 消耗成本

鋰電池機車消耗成本由配件消耗、油料消耗、操作維護人員工資支出組成。電能消耗：機車平均重載續航能力約60km，充電消耗交流電約304.3kW·h，按照云南省一般大型工業用電電價（峰時段0.864元/度，平時段0.587元/度，谷時段0.31元/度）的標準進行計算。油料消耗：鋰基脂消耗、中負荷工業齒輪油消耗、壓縮機油消耗配件消耗：鋰電池牽引機車配件消耗分為常規配件和大修配件。常規配件包含閘瓦、氣源處理三聯件、空濾芯；大修配件包含制動氣缸、傳動軸、變頻器、減速機、主電機、空壓機等。操作維護人員工資支出：1臺機車配置3個操作司機和3個調車員，現場維保人員1個，共需要7人,人均工資約6000元/人，按機車每天運行30km計算。

內燃機車消耗成本主要有配件消耗、油料消耗和操作維護人員工資支出組成。以大瑞鐵路二分部35t進口小馬機車消耗作為對比數據。

根據試驗情況統計，45t鋰電池機車與35t小馬機車進行經濟性對比見表3。

表3 成本對比總表

對比結果顯示，45t鋰電池機車使用成本遠低于35t小馬機車，經濟效益明顯。

9 結語

通過45t鋰電池牽引機車在長大隧道的工業性試驗測試，總結如下：

機車續航能力強。在持續坡度9‰、最大坡度24‰（進洞上坡）的軌線，機車編組重載進洞、重載出洞續航能力達到55～60km（負載255.6t），滿足長大隧道運輸要求。

機車充電速度快，充滿電僅需165min。

機車最高運行速度為15 km/h，滿足長大隧道機車運行速度要求。

機車牽引性能良好。在24‰的坡度下，半坡啟動上坡可牽引255.6t負載。

整車采用PLC控制系統，操作簡單、安全可靠；采用變頻器，機車啟停、加減速平穩；鋰電池熱穩定性好滿足高寒氣候需求；整車制動系統安全可靠，反應靈敏，制動、松閘速度快；機車環保節能，經濟性好，具有極高的推廣價值。