一種隧道用新能源牽引機車的研究與應(yīng)用

王 華/WANG Hua

（中鐵隧道局集團國際工程有限公司，廣州 南沙 511400）

牽引機車是城市地鐵隧道盾構(gòu)法施工中一種必不可缺的后配套設(shè)備，其性能將會直接影響到工程的施工安全和施工進度，為踐行“綠色施工、節(jié)能減排”的環(huán)保理念，而研發(fā)新能源施工設(shè)備，對減少環(huán)境污染具有重要意義[1～2]。針對盾構(gòu)法牽引機車施工裝備和施工技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者[3～5]已有較多研究。目前，施工項目牽引機車動力系統(tǒng)普遍使用的鉛酸蓄電池存在，電池壽命短、維護成本高、充電時間長、電池環(huán)境污染大、充電效率低、養(yǎng)護人員投入多等缺點，雖對機車動力系統(tǒng)經(jīng)過一定理論研究，實際應(yīng)用較少[6]。為解決機車常見的問題，張杏園[7]研究了新能源蓄電池式電機車常見故障及分析，但仍未有效解決機車牽引安全系統(tǒng)和防溜車制動系統(tǒng)等控制技術(shù)。本文將以鋰電池綠色動力環(huán)保技術(shù)設(shè)計為出發(fā)點，同時采用雙氣路制動技術(shù)、防瞌睡技術(shù)等，研發(fā)新能源牽引機車，重點解決使用成本高、充電速度慢、安全性能差、環(huán)境污染、智能化水平低等技術(shù)難題。

1 新能源變頻牽引機車設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

機車主要結(jié)構(gòu)分為機車系統(tǒng)、新能源動力系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、配重系統(tǒng)等部分。機車系統(tǒng)采用直流電，通過牽引變頻器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的三相交流電供2 臺或多臺普通三相異步牽引電動機，每臺電動機轉(zhuǎn)子通過萬向聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動齒輪減速傳動箱，經(jīng)過二級齒輪減速傳動到車軸上，從而實現(xiàn)牽引機車的平穩(wěn)、有效運轉(zhuǎn)。

1.2 新能源動力系統(tǒng)設(shè)計

新能源牽引機車采用磷酸鐵鋰電池作為新能源動力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，其具有大電流充放電能力、長壽命、超低溫性能、高可靠性、綠色環(huán)保等特點，在高效儲能應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，如圖1。新能源動力系統(tǒng)安全可靠性能高，便于操作、維修保養(yǎng)，設(shè)備一般完好率可達到95%以上且使用壽命高達到8 年。新能源鋰電池動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)鉛酸電池性能對比見表1。

圖1 新能源動力箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 新能源變頻牽引機車系統(tǒng)設(shè)計

2.1 雙氣路制動系統(tǒng)

如圖2，雙氣路制動系統(tǒng)解決了機車供氣量不足的問題，同時對后配套車輛閘瓦磨損的減少起到了良好的作用。保證制動時，機車、后配套車輛同步制動，對防止機車溜車事故的發(fā)生起到了很好的保障作用。在機車起動過程中，機車與后配套同步解除制動，對于機車變頻器等電器系統(tǒng)及機車起動效果均有明顯改善。

表1 鋰電池與傳統(tǒng)鉛酸電池性能對比表

圖2 雙氣路制動系統(tǒng)原理圖

2.2 閘瓦制動力檢測系統(tǒng)

如圖3，閘瓦制動力檢測系統(tǒng)增加制動系統(tǒng)傳感器，實時檢測制動力的確切大小，具有輸出終端顯示功能，通過儀表盤時刻觀察氣缸制動力大小。當(dāng)機車閘瓦磨損到一定程度后，氣缸制動時制動力將逐漸減小，機車制動力不足，當(dāng)減小到設(shè)定的值以后，駕駛室內(nèi)儀表盤指示燈將報警，提示調(diào)整剎車螺母以保證足夠的制動力。

圖3 閘瓦制動力檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 反充電裝置

機車配備的反充電裝置，能夠在大坡度連續(xù)下坡時有效避免機車對蓄電池進行的反充電，降低變頻器發(fā)生保護性斷電概率，實現(xiàn)變頻器對電機的有效控制，減少溜車事故。

2.4 防溜車制動系統(tǒng)

如圖4，系統(tǒng)通過車身自帶防溜車掛鉤在發(fā)生緊急情況下操作緊急制動手柄，在氣壓的作用下通過氣缸將防溜車掛鉤推下使得掛鉤與運輸軌線軌枕相連接，實施緊急制動，降低機車溜車事故的發(fā)生。

圖4 緊急防溜車制動系統(tǒng)圖片

2.5 機車的智能控制系統(tǒng)

1）防瞌睡安全保障系統(tǒng) 機車的新型防瞌睡系統(tǒng)主要從硬件和軟件兩個方面進行的研發(fā)，主要功能是避免機車在高檔位運行時，操作人員因疲勞而引起施工風(fēng)險，在一定時間內(nèi)對機車進行自動減擋到1 擋，直至機車自動制動停車。

2）PLC 計算機智能控制系統(tǒng) PLC、變頻器和觸摸屏等各系統(tǒng)重要參數(shù)和狀態(tài)信息都被列入報警條目，對司機的操作起到了提示作用，而且使得維修人員對設(shè)備故障的判斷更加方便。

3）反常規(guī)操作保護系統(tǒng) 司機在違反操作規(guī)程，或快速任意頻繁變換擋位時，變頻器仍能按照設(shè)定程序有序發(fā)出指令，使得機車的行駛速度不會發(fā)生突變，系統(tǒng)功能正常運行。

4）重載爬坡自適應(yīng)控制系統(tǒng) 機車在重載爬坡時由于載荷過大，導(dǎo)致機車電機的負荷加大、電流增大，機車運行速度自動匹配合適速度，降低運輸編組發(fā)生溜車風(fēng)險。

3 工程應(yīng)用

目前，新能源鋰電機車已經(jīng)在合肥、廣州、深圳、杭州等高鐵項目進行了推廣應(yīng)用，新能源牽引機車與傳統(tǒng)牽引機車施工成本對比見表2。新能源鋰電機車，充電效率高、電池免維護、施工效率高、智能化水平高，減低了人工勞動強度和施工成本。具體分析如下。

1）采用磷酸鐵鋰電池技術(shù)降低了電池充電時間，由傳統(tǒng)的24h 降低為2.5h，并實現(xiàn)了機車動力系統(tǒng)免維護。

2）采用潔凈能源動力系統(tǒng)，降低環(huán)境污染，改善了作業(yè)人員的勞動環(huán)境，實現(xiàn)了綠色施工。

3）雙氣路制動系統(tǒng)將制動力提高了2 倍，使得正常行駛的剎車距離降低為最大13m，提高了作業(yè)的安全性。

4）配備的防瞌睡系統(tǒng)、制動力監(jiān)測系統(tǒng)、反常規(guī)操作保護系統(tǒng)等，提高設(shè)備運行的安全性，降低了施工風(fēng)險。

表2 新能源牽引機車與傳統(tǒng)牽引機車施工成本對比（單位：萬元）

4 結(jié)語

綠色施工的標(biāo)準(zhǔn)要求日益提高，建設(shè)速度逐步加快，面對高污染、高能耗、低性能等設(shè)備的逐步淘汰局面，急需研制新型綠色智能化施工設(shè)備，以適應(yīng)當(dāng)今城市軌道交通建設(shè)的需求。采用新技術(shù)、新原理，研制新型智能化施工裝備，可有效解決當(dāng)前盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)中遇到的諸多技術(shù)難題，為提高施工質(zhì)量找到突破口。牽引機車的網(wǎng)絡(luò)自動化、無人駕駛、永磁牽引技術(shù)等高科技、高效率等技術(shù)的深度融合，將是今后研究的重點內(nèi)容和方向。