有軌運輸裝備分散動力的適應性分析

左建樂，牛敏，王耀，朱家鑫，廖家偉，楚曉衛

（中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南 新鄉 453000）

1 前言

隨著盾構機和TBM 在隧道施工領域的應用，其高效、安全、環保、非開挖的優點使得地鐵隧洞、山嶺隧洞、輸水隧洞等建設得以快速發展。為了適應軌道交通建設，規劃設計的大直徑城際地鐵隧道等項目越來越多，大直徑隧道直徑一般9m 以上，其區間距離長、坡度大、開挖產生的渣土量多且運輸難度較大。盾構機/TBM 施工過程中所需的各種各樣的材料或備件，一般由機車編組從洞外運輸至后配套臺車區域，再由吊機卸載到指定工位。對于大直徑TBM，后配套臺車通常為多層設備布置，還需要把物料從下層吊運到上層。因此，有軌運輸裝備需要在滿足大運量和高效率的同時保證安全可靠。

目前，有軌運輸裝備主要采用動力集中的方式，由一臺牽引機車和若干非動力的渣車、砂漿車和管片車組成。集中動力有軌運輸裝備由一臺牽引機車提供動力，隨著隧道開挖直徑變大，運輸的渣土等物料也增多，需要大功率和黏重的牽引機車以滿足施工需求；牽引機車粘重增大造成動力集中有軌運輸裝備存在一些不足：（1）機車黏重大，輪壓大，對軌道的沖擊大；（2）機車粘重大，克服機車配重消耗能量多；（3）僅機車輪對為主動輪，粘著牽引力不穩定；（4）僅機車輪對為主動輪，具備電制動、基礎制動，其他車輛只有基礎制動，整體制動性能差。針對以上不足，本文通過探究有軌運輸裝備分散動力的優勢，為盾構機/TBM 進行隧道掘進施工提供一種更加安全可靠的有軌運輸技術參考，使得隧道施工物料有軌運輸效率提高，成本節約。

2 有軌運輸裝備分散動力的發展概況

目前，全球范圍內，多數高速鐵路列車和城市軌道列車都采用分散動力系統，早期歐洲多數國家采用的集中動力動車組，自從日本新干線開始大規模采用分散動力動車組，日本已發展了三代高速電動車組。第一代為0 系全動車16 輛編組；第二代為1982 年東北新干線用200 系；第三代為300 系，采用GTO 元件VVVF 三相異步傳動，以上日本高速動車組均采用分散動力方式。近30年來，德國研制成功ET-400 型電動車組，每3 輛車為1組，均為動力車，由3 組組成1 列共9 輛車。經過數十年的發展，分散動力動車組表現出了更優秀的性能，隨著電機性能提升、電力電子技術的發展、電氣設備可靠性的提升，分散動力動車組的優勢越發明顯。

雖然分散動力動車組已有長足的發展，技術也趨于成熟，但將分散動力技術應用于隧道施工物料有軌運輸卻剛剛起步。2023 年7 月7 日，我國首臺分散動力式新能源電機車在重慶發布，將應用于重慶軌道交通15 號線06 標項目。通過跨界技術創新，借鑒分散動力動車組技術路線而研發的分散動力式新能源電機車及后配套設備極大提高了盾構渣土及管片等物料運輸效率，為盾構機/TBM 進行隧道掘進施工有軌運輸提供了新思路、新技術，使得隧道施工物料有軌運輸效率提高，成本節約。進行有軌運輸裝備分散動力的特點和性能深入研究，對隧道掘進施工有軌運輸的優化、發展和推廣具有重大的作用。

3 有軌運輸裝備分散動力的特點

與隧道施工常規有軌運輸裝備不同，分散動力有軌運輸裝備最主要的特點是除牽引機車具有動力外，渣土車也具有動力。即常規有軌運輸裝備將動力系統和電氣控制系統集中安裝在牽引機車上，由牽引機車提供驅動力而拖動渣土車、砂漿車和管片車；分散動力有軌運輸裝備將動力系統和電氣控制系統分別安裝在牽引機車和部分渣土車上，由牽引機車和動力渣土車共同提供驅動輪而拖動非動力渣土車、砂漿車和管片車。兩種裝備形式示意圖如圖1 所示。

圖1 常規動力與分散動力形式

分散動力有軌運輸裝備與常規有軌運輸裝備主要區別在動軸質量分配的差異，但卻在穩定性和黏著性等方面存在較大差異，現把兩種形式的特點比較情況列于表1。

表1 常規動力與分散動力特點比較

從表1 中分析，分散動力有軌運輸裝備各項性能都優于常規有軌運輸裝備。因為黏著系數和動軸的質量決定了牽引力的大小，所以，采用常規動力集中方式必然導致軸重增加，才能得到較高的黏著系數。動力分散方式的黏著較為穩定。一是因動軸數量多，每軸的牽引力可以比較低，即使黏著系數較低也不受影響；二是因中間車可有效利用穩定的黏著特性。

4 有軌運輸裝備分散動力的應用

某軌道交通地鐵項目采用盾構機進行隧道掘進施工，掘進施工物料的運輸采用有軌運輸方式，編組配置機車、渣車、砂漿車和管片車。其項目信息如表2。

表2 某軌道交通地鐵項目信息數據

根據項目信息，盾構機掘進一環所開挖的渣土方量和重量為：

盾構機掘進一環所需填充的砂漿方量和重量為：

由以上計算，運輸物料需要7 臺25m3渣土車、1 臺13m3砂漿車和2 臺25t 管片車。則在掘進一環時，進洞和出洞所機車牽引的重量見表3。

表3 掘進一環機車牽引重量表

由表3 可知，盾構機掘進施工物料出洞時是運輸重載工況。由此，上述項目機車黏重和動力選型時，以出洞牽引重量G1=392.86t 為依據進行計算。

方案1：常規有軌運輸裝備，僅機車提供動力；

方案2：分散動力有軌運輸裝備，將部分渣土車配置動力，利用渣土黏重，與機車共同提供動力。根據以下公式：

式中，F持續為機車驅動持續牽引力，kN；g 為重力加速度，9.8m/s2；為坡道阻力系數，28‰=0.028；為運行阻力綜合系數，包括滾動阻力系數、軸承摩擦阻力系數、同軸車輪直徑差引起的滑動摩擦阻力系數、車輪輪緣在直道或彎道時與鋼軌摩擦的阻力系數、車輛振動或搖晃引起的能耗及空氣阻力、軸對安裝平行度誤差引起的差滑阻力系數、曲線離心力引起的側滑阻力系數等等（一般取0.006 ～0.012），這里取0.008；G2為機車、動力渣車黏著重量，t；P 為裝備電機額定總功率，kW；i 為減速機速比；η為機械傳動效率，這里取0.96；n 為電機額定輸出轉速，r/min；R 為驅動輪半徑，m；F黏著為機車、動力渣車粘著牽引力，kN；為黏著系數，根據鐵道研究結果，軌道干燥時，黏著系數在0.2～0.4，考慮隧道施工軌道情況，這里取0.26；v 為裝備額定運行速度，km/h。

表4 出洞工況總重量

由表4 看出，分散動力有軌運輸裝備將部分渣車配置動力，將部分渣土黏重負載轉化為黏著牽引力，使機車黏重有較大的減輕，對于車輛輕量化設計，節能增效也有重要意義。表5 列出常規有軌運輸裝備與分散動力有軌運輸裝備性能參數對比，可作為項目選擇參考。

表5 常規動力與分散動力有軌運輸裝備性能參數對比表

綜合表4、表5 數據，在28‰坡度出洞工況時，由1 臺70t 機車的常規有軌運輸裝備，其總重量479t＞462.86t，富余量小，受黏著性能影響，易發生牽引力不足而造成打滑；由1 臺45t 機車和2 臺25 動力渣車組成的分散動力有軌運輸裝備，其總重量511t ＞441.86t，富余量大，且車輛黏重小，尺寸小，運行速度快。因此，分散動力有軌運輸裝備在實現車輛輕量化的同時可滿足隧道物料有軌運輸安全、高效，經濟。

5 有軌運輸裝備分散動力的發展趨勢

隨著電力電子技術的快速發展，MOSFET、IGBT 等高速功率半導體器件的發明，利用PWM 電壓調制技術可以實現交流電壓幅值和相位的精確控制，這就意味著可以通過精確控制交流電機中定轉子磁場的幅值和相位實現轉矩的精確控制，也就是矢量控制和直接轉矩控制。作為動力輸出核心的電機及控制技術，其輕量化與控制的高效性以及節能環保將成為發展趨勢。不同類型電機優缺點的比較一直是電機應用領域關注的一個焦點，這里給出一組對車用驅動電機的評估結果見表6。

表6 車用驅動電機評估表

永磁同步電動機以永磁體提供勵磁，使電動機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環和電刷，提高了電動機運行的可靠性；又因無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度。永磁同步電機尺寸相較于三相異步電機更小，更有利于車輛輕量化設計；車用級別永磁同步電機矢量控制和直接轉矩控制成熟穩定，且防護等級IP67，更加適應惡劣的工作環境。永磁同步電機的應用將更加促進分散動力有軌運輸裝備高效節能，輕量靈活以及穩定可靠。

6 結語

以上通過對分散動力技術的初步探究，論述了分散動力有軌運輸裝備在隧道施工物料有軌運輸的優越性，希望分散動力有軌運輸裝備在隧道施工有軌運輸領域有更好的發展和應用。