貝紅斌 中國鐵路上海局集團有限公司上海工務大修段

1 概述

由于重型軌道車受柴油機裝機功率不超過1 000 kW 限制，在長編組養(yǎng)路機械轉場、鐵路基地內(nèi)長軌車調(diào)車作業(yè)時需要多輛重型軌道車或機車牽引。多輛重型軌道車編組作業(yè)，對人員配置要求高，且調(diào)車作業(yè)較為繁瑣。長期租借機車作業(yè)，則成本太高，不具經(jīng)濟可行性。2018 年中國鐵路上海局集團有限公司上海工務大修段與寶雞中車時代工程機械有限公司合作開發(fā)長編組養(yǎng)路機械牽引軌道車，它采用“柴油發(fā)電機組+動力蓄電池組”為動力源的混合動力技術，其整車功率可達3 000 馬力，屬于國內(nèi)重型軌道車領域的創(chuàng)新型、節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品。它可有效解決純內(nèi)燃重型軌道車造成的嚴重噪聲污染、廢氣污染等環(huán)境問題，同時具有功率大，持續(xù)牽引力大、制動性能可靠、操縱輕便靈活、使用壽命長、運行穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點。

2 設計思路

2.1 運用工況

新研發(fā)的重型軌道車將主要用來進行基地內(nèi)調(diào)車作業(yè)和牽引長編組養(yǎng)路機械轉場作業(yè)。它應滿足這兩種作業(yè)方式的極限工況下的牽引能力。這兩種作業(yè)方式的極限工況對重型軌道車的牽引能力要求如下：

（1）調(diào)車作業(yè)

基地內(nèi)牽引500 m長軌車（43輛車，約3 000 t），在平直道最大運行速度不超過40 km/h，且能在6‰坡道上以不低于5 km/h速度調(diào)車。

（2）轉場作業(yè)

牽引20輛編組養(yǎng)路機械（約1 630 t），在平直道上最大運行速度不超過80 km/h，且能在15‰坡道起動。

2.2 技術路線

根據(jù)上述車輛運用工況對重型軌道車牽引能力的要求，進行牽引計算。計算結果表明：

① 單機牽引20輛編組養(yǎng)路機械（約1 630 t）進行轉場作業(yè)，在平直道上以80 km/h 速度運行時，所需牽引功率最大。該工況下，重型軌道車的整車功率應至少為P=1467 kW；

② 單機牽引20輛編組養(yǎng)路機械（約16 30 t）進行轉場作業(yè)，在15‰坡道上起步時，所需起動牽引力最大。該工況下，重型軌道車的起動牽引力F=358.41 kN。

根據(jù)牽引計算結果，重型軌道車最大極限工況下的牽引功率為P=1467 kW。然而，GB/T10082《重型軌道車技術條件》要求重型軌道車柴油機裝機功率應不超過1 000 kW，所以不能采用傳統(tǒng)的純內(nèi)燃動力驅動方式，必須采用混合動力驅動方式，即“柴油發(fā)電機組+動力蓄電池組”方式。

根據(jù)牽引計算結果，重型軌道車最大極限工況下的起動牽引力為F=358.41 kN，考慮黏著系數(shù)為0.33 及黏著牽引力應大于起動牽引力，故重型軌道車總重至少為G=358.41/0.33/9.8=110.8 t。

如果軌道車采用兩個二軸轉向架，則軸重為G軸重=27.7 t，將超出軸重不大于23 t 的要求。因此，軌道車必須采用兩個三軸轉向架。

考慮到該軌道車應能代替DF4B型內(nèi)燃機車來進行基地內(nèi)調(diào)車作業(yè)，因此，其整車功率應對標DF4B型內(nèi)燃機車，可定位為3 000馬力，即2 200 kW。

綜上所述，該重型軌道車應為3 000 馬力的油電混合動力六軸車。

3 總體方案

3.1 總體布置

混合動力軌道車主要由車體鋼結構、轉向架、制動系統(tǒng)、電傳動系統(tǒng)、輔助電氣設備、車鉤及緩沖裝置等組成。車內(nèi)分成前司機室、休息室、大設備室、小設備室和后司機室，共五個區(qū)域。車內(nèi)設有中間走廊貫通前、后端司機室。大設備室內(nèi)的一側從前到后依次為牽引通風機、制動柜、壓縮機、風缸組成、干燥器、輔助逆變器、動力蓄電池組，另一側從前到后依次為動力蓄電池組、高壓電氣柜、牽引逆變器、牽引通風機。

車下中間位置設有燃油箱，其兩側設有斜對稱布置的兩套柴油發(fā)電機組，包括主發(fā)電機、柴油發(fā)動機、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等。兩套柴油發(fā)電機組互為冗余設計，可保障任一機組故障時仍然可以行車至維修區(qū)域。車下走行部采用兩臺三軸轉向架。

混合動力軌道車總體布置見圖1。

圖1 混合動力軌道車總體布置

3.2 主要技術參數(shù)

混合動力軌道車主要技術參數(shù)見表1。

表1 混合動力軌道車主要技術參數(shù)

4 關鍵技術研究

4.1 整車集成技術

混合動力軌道車整車集成采用機車設計理念和技術，整車布局采用斜對稱布置，提升整車受力狀態(tài)；車體采用整體承載結構，提升承載能力的同時又實現(xiàn)輕量化；采用油電混合動力和控制系統(tǒng)等先進成熟技術，減少燃料消耗，更加節(jié)能環(huán)保；采用三軸動力轉向架，提供足夠大的起動牽引力，提升爬坡牽引能力；采用電-空制動系統(tǒng)，滿足長大坡道列車制動，減少沖擊；車體綱結構和整車使用壽命可達30年。

混合動力軌道車在設計上從整車到重要零部件、電路布線、管路裝配等全過程采用Creo軟件參數(shù)化三維協(xié)同設計,實現(xiàn)了三維實體造型、裝配模擬等，有效提高設計質(zhì)量。同時應用ANSYS仿真分析軟件進行結構的應力和變形仿真分析；并應用SIMPACK 進行整車動力學仿真分析，確保整車性能等。

4.2 混合動力配置

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術高速發(fā)展，能源和環(huán)境對人類生活和社會發(fā)展的影響越來越大，節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟已經(jīng)越來越受到各行業(yè)的重視。

蓄電池技術以及應用技術的進步，成本的不斷降低，能量密度比、體積比、重量比的持續(xù)提升，使得動力電池在軌道交通機車車輛裝車使用成為可能。動力電池在軌道交通機車上的裝車，尤其是在內(nèi)燃機車上的應用，具備明顯優(yōu)勢，一方面可以補充內(nèi)燃柴油發(fā)電機組動力的不足，大幅降低柴油機裝車功率要求，牽引車設計可以選擇小型柴油機，降低排放；另一方面，可以回收牽引電機制動反饋能量，更好地滿足重型軌道車短周期作業(yè)要求，減少柴油機怠速等待時間，整車應用經(jīng)濟性得到增強。

（1）混合動力的匹配

①功率匹配原則

根據(jù)上述分析，為滿足GB/T10082《重型軌道車技術條件》規(guī)定的柴油機裝機功率不超過1 000 kW，又能夠滿足長編組養(yǎng)路機械牽引軌道車整車功率約2 200 kW 的要求，研究方案為：柴油機功率設定為允許的最大值1 000 kW，其余不足的功率將由牽引動力蓄電池組來補充。按照動力蓄電池組能以1 200 kW 功率持續(xù)放電1 小時來計算，動力蓄電池組的容量設定為1 200 kW·h ，從而使重型軌道車在以混合動力驅動的模式下，達到整機功率約2 200 kW。

②動力匹配原則

混合動力軌道車整機采用交流電傳動方式，兩臺3 軸轉向架共6 個驅動軸，分別由6 臺牽引電機驅動，提供整機牽引力。因此，柴油機動力系統(tǒng)為柴油發(fā)電機組，以電能的形式提供驅動力。

根據(jù)作業(yè)工況不同，重型軌道車的驅動力分別來自柴油發(fā)電機組和牽引動力蓄電池組，共有3中不同的供電方式：

A、內(nèi)燃-電傳動方式，由柴油發(fā)電機組供電；

B、電力-電傳動方式，由牽引動力蓄電池組供電；

C、油電混合-電傳動方式，由柴油發(fā)電機組和牽引動力蓄電池組聯(lián)合為供電。

混合動力系統(tǒng)采用主輔共中間直流環(huán)節(jié)的交流電傳動方式，在作業(yè)時，根據(jù)負載和工況的不同具體牽引功率需求及最佳節(jié)油模式的控制，可自動或手動選擇牽引動力蓄電池組單獨驅動、柴油發(fā)電機組單獨驅動或二者共同驅動。

（2）柴油機動力系統(tǒng)配置

根據(jù)《重型軌道車技術條件》（GB/T10082）規(guī)定，長編組養(yǎng)路機械牽引重型軌道車的柴油機動力系統(tǒng)的裝機功率定義在重型軌道車范疇允許的最大功率，即1 000 kW 等級。因此，選用2 臺互為冗余的500 kW 柴油機，總常用功率不超過1 000 kW。柴油動力系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動機和交流發(fā)電機等組成。

柴油機的啟停由司機指令控制；司機控制器的擋位信號轉換為柴油機的轉速信號，并輸出電流信號用于柴油機調(diào)速。

（3）動力蓄電池系統(tǒng)配置①動力蓄電池組選型

動力蓄電池的選型至關重要。常用于作為車輛牽引動力的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池。目前在動力電池領域應用最廣的是鋰離子電池，其中鉛酸電池和鎳鎘電池已經(jīng)基本淘汰，鎳氫電池僅有小范圍應用。

常見鋰離子電池有鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元（鎳鈷錳混合）鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸錳鐵鋰電池、鈦酸鋰電池?？紤]到電池使用過程中的安全性，應該選用磷酸鐵鋰電池或鈦酸鋰電池，但鈦酸鋰電池能量密度低、單體電壓平臺低、價格高，因此選擇磷酸鐵鋰電池更為合適。

磷酸鐵鋰蓄電池能量密度高，放電特性硬，允許的充放電電流大，比較適合作為動力蓄電池，其在電動汽車領域應用也很廣泛，通過對多種蓄電池的對比，混合動力軌道車采用大容量磷酸鐵鋰蓄電池。

磷酸鐵鋰電池充放電曲線見圖2、圖3、圖4：

圖2 不同倍率放電曲線

圖3 不同倍率充電曲線

圖4 不同溫度放電曲線

②蓄電池管理系統(tǒng)

蓄電池管理系統(tǒng)主要包括1個主模塊和多個子模塊。子模塊負責單體電池電壓測量和電池工作環(huán)境溫度測量，并適時與主模塊之間通訊;主模塊將子模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸給車輛微機，微機根據(jù)這些數(shù)據(jù)結合車輛的運用工況實現(xiàn)蓄電池的充放電控制、過充過放保護等功能。在使用充電機利用地面電源為蓄電池充電時，蓄電池管理系統(tǒng)亦提供數(shù)據(jù)采集及傳輸功能。

蓄電池管理系統(tǒng)功能：狀態(tài)檢測、上/下電邏輯、充電邏輯、加熱策略、故障報警、互鎖/保護。

4.3 混合動力控制技術

采用柴油發(fā)電機組和動力蓄電池聯(lián)合為動力源，可根據(jù)牽引作業(yè)功率需求及最佳節(jié)油模式的控制要求，自動或手動選擇柴油機單獨提供動力、蓄電池單獨提供動力，或者柴油機和蓄電池共同提供動力的混合動力供能模式。

混合動力控制是混合動力軌道車的關鍵技術之一，它依靠軌道車微機系統(tǒng)和蓄電池管理系統(tǒng)協(xié)同配合，靈活安全地控制蓄電池充電、放電和柴油機的發(fā)電特性，根據(jù)實際情況確定最佳的混合動力控制策略，節(jié)能減排。

混合動力軌道車根據(jù)實際工況制定最佳策略，以大幅減少柴油機惰轉時間，讓柴油機始終工作在最佳油耗點，提高能量轉換效率；優(yōu)先使用再生制動，動力蓄電池盡量吸收制動回饋能量，實現(xiàn)能量循環(huán)利用。

5 技術特點

針對轉場作業(yè)及調(diào)車作業(yè)的主要工況，該車設計采取了以下措施：

（1）混合動力軌道車采用交直交電傳動設計，軸控，單臺逆變模塊拖動單臺牽引電機。更好的粘著控制和動力性能。混合動力由牽引變流器的逆變器逆變成頻率及電壓可變的3相交流電，給2個轉向架上6臺異步牽引電機供電。

（2）混合動力軌道車采用柴油發(fā)電機組和動力蓄電池，聯(lián)合為混合動力軌道車提供動力源，具備純柴油機作業(yè)、純動力電池作業(yè)、混合作業(yè)3種應用作業(yè)工況。

（3）牽引傳動、輔助傳動采用一體化供電電路設計，輔助系統(tǒng)從中間直流環(huán)節(jié)取電，通過逆變器逆變、變壓器隔離、濾波后提供輔助系統(tǒng) 480 V/87.4 Hz 集中供電電源，系統(tǒng)取消了輔助發(fā)電機及輔助發(fā)電機控制單元，軌道車電路設備得到簡化。

（4）混合動力軌道車采用單整流設計，將柴油發(fā)電機組輸出的三相交流電源整流為中間直流。

（5）混合動力軌道車具備電阻制動工況牽引電機反饋能量存儲和再利用功能，牽引電機反饋能量除小部分給輔助系統(tǒng)供電外，大部分由動力電池充電存儲，主發(fā)電機設計為不發(fā)電狀態(tài)。

（6）動力電池分4 路接入中間直流環(huán)節(jié)，通過4 個濾波電感器、4 個逆變模塊IGBT 斬波元件與中間直流環(huán)節(jié)耦合，具備大電流充電和放電能力，能瞬間回收混合動力軌道車全部2 400 kW牽引電機制動反饋能量。

（7）混合動力軌道車設置外接充電電路，通過整流器整流為中間直流，通過逆變模塊IGBT 斬波元件控制動力電池充電電流。

（8）混合動力軌道車具備2路制動斬波、軌道車快速放電以及中間過電壓抑制等功能。

6 技術優(yōu)勢

6.1 提升施工效率

根據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程》第382 條規(guī)定，向同一封鎖區(qū)間開行路用列車，原則上每端只準進入一列。而采用新型混合動力軌道車可以減少編組數(shù)量及作業(yè)人員安排，將多個編組整合為1個編組。

該車在滿足牽引要求的前提下,具有工頻發(fā)電功能和配套的供電系統(tǒng), 能為施工現(xiàn)場和連掛車輛提供至少400 kVA三相交流電源。

6.2 提升經(jīng)濟性

采用混合動力源, 低油耗 、低排放、可靠性高、經(jīng)濟性好,相當于把混合動力內(nèi)燃機車的成熟、先進、可靠、適用的技術應用到重型軌道車上。該車既可用于小運轉作業(yè)工況，也可用于各鐵路基地大噸位車輛日常調(diào)車作業(yè)，有代替租用DF4內(nèi)燃機車在基地調(diào)車趨勢，節(jié)省租借DF4機車運用成本。以租用機車租用費9 000 元/天計算，全年租用費328.5 萬，經(jīng)初步測算全年至少可節(jié)約費用約164 萬（按租用機車費用50%計）。

6.3 提升環(huán)保性

采用混合動力源，根據(jù)作業(yè)工況，在作業(yè)時，根據(jù)具體牽引功率需求及最佳節(jié)油模式的控制，自動或手動選擇柴油機單獨提供動力、蓄電池單獨提供動力或柴油機及蓄電池共同提供動力的混合動力供應模式?；卣{(diào)車時，都可把柴油機單獨提供動力作為備選，環(huán)保性大大加強。

從設計理論分析，該重型軌道車具備蓄電池供電模式且制動工況下可進行能量回收，可比DF4C型節(jié)約燃油40%～45%。如果長期運用，司乘人員將能夠充分利用軌道車制動性能優(yōu)勢，進一步提高節(jié)約燃油比率。

為加強重型軌道車“減排”，車輛設有地面電源充電接口。軌道車牽引能量由高效清潔的地面電源提供，可以實現(xiàn)零排放。

6.4 節(jié)能

混合動力軌道車具備電制動工況牽引電機反饋能量存儲和再利用功能，牽引電機反饋能量除小部分給輔助系統(tǒng)供電外，大部分由動力電池充電存儲。

7 結束語

把混合動力內(nèi)燃機車的技術應用到重型軌道車上,為鐵路施工和養(yǎng)路機械牽引提供了一種大功率混合動力軌道車。其研制符合國家節(jié)能減排政策，順應“綠色環(huán)?！钡臍v史潮流，也是國際一流軌道交通供應商競相研究和發(fā)展的前沿技術。隨著混合動力軌道車技術的完善和發(fā)展，混合動力軌道車一定會走向市場，為節(jié)能減排和現(xiàn)代養(yǎng)路機械一體化施工作出極大貢獻，創(chuàng)出極大經(jīng)濟效益。