摘要：通過對(duì)梅鋼物流部現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車機(jī)型的狀況、運(yùn)用分析進(jìn)行研究，結(jié)合機(jī)車牽引、制動(dòng)能力及排放等因素，從能耗、性價(jià)比等角度比較，確定了機(jī)車純電動(dòng)改進(jìn)方向，介紹了機(jī)車動(dòng)力電池的選擇、運(yùn)用管理及安全防護(hù)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;純電動(dòng)力;鈦酸鋰電池;機(jī)車

中圖分類號(hào)：U267.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）19-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.014

0 引言

梅鋼物流部普鐵區(qū)域機(jī)車共有8臺(tái)，其中3臺(tái)電傳機(jī)車用于梅山礦及古雄站大噸位牽引，軸距長(zhǎng)，不適宜廠內(nèi)小曲線半徑作業(yè);5臺(tái)GK1型液傳機(jī)車用于廠內(nèi)過磅、焦化、翻車機(jī)作業(yè)區(qū)域，液傳機(jī)車于1993年從資陽(yáng)機(jī)車廠引進(jìn)，最早一臺(tái)GK1型022內(nèi)燃液傳機(jī)車已運(yùn)用近30年，配備Z12V190BJ4發(fā)動(dòng)機(jī)及ZY1011GY液力傳動(dòng)箱。該機(jī)型早些年已經(jīng)淘汰，目前機(jī)車傳動(dòng)箱、柴油機(jī)及走行等部件由于運(yùn)用年限長(zhǎng)，處于加速劣化階段，維修成本高。根據(jù)機(jī)車現(xiàn)狀和運(yùn)用狀況分析，目前普鐵區(qū)域GK1型機(jī)車運(yùn)用年限長(zhǎng)、機(jī)械部件磨耗嚴(yán)重、狀態(tài)差、燃油消耗及排放高，需進(jìn)行新能源化改進(jìn)。

1 生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題

1.1 國(guó)家層面相關(guān)政策要求

近年來，隨著高質(zhì)量發(fā)展和碳達(dá)峰、碳中和總體發(fā)展戰(zhàn)略的提出，各地方政府環(huán)保政策相繼出臺(tái)，對(duì)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、尾氣排放等提出了明確要求。近期，國(guó)家鐵路局組織編制了《老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車淘汰更新監(jiān)督管理辦法》[1]，對(duì)老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車實(shí)行分類管理，對(duì)達(dá)到報(bào)廢運(yùn)用年限30年的老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車實(shí)施報(bào)廢管理，已達(dá)到報(bào)廢運(yùn)用年限或者使用已達(dá)到報(bào)廢運(yùn)用年限機(jī)車零部件拼裝的老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車不得參與鐵路運(yùn)輸。另外，國(guó)家鐵路局貫徹落實(shí)“雙碳”國(guó)家戰(zhàn)略，推動(dòng)鐵路裝備技術(shù)創(chuàng)新和綠色發(fā)展，支持新能源鐵路機(jī)車替代運(yùn)用。

1.2 公司層面內(nèi)在需求

分析公司鐵運(yùn)現(xiàn)狀，GK1型內(nèi)燃機(jī)車從節(jié)能減排、降本增效、機(jī)車運(yùn)用率、可靠性指標(biāo)等方面均無(wú)法適應(yīng)國(guó)家政策要求和公司發(fā)展趨勢(shì)，面臨淘汰升級(jí)。當(dāng)前公司GK1型內(nèi)燃機(jī)車主要存在以下不足：

1）內(nèi)燃機(jī)車尾氣排放造成的環(huán)保問題。為完善我國(guó)移動(dòng)源排放標(biāo)準(zhǔn)體系，落實(shí)國(guó)務(wù)院“十四五”節(jié)能減排方案中推動(dòng)實(shí)施鐵路內(nèi)燃機(jī)車國(guó)一排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，推動(dòng)鐵路內(nèi)燃機(jī)車行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，生態(tài)環(huán)境部組織編制了國(guó)家生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《鐵路內(nèi)燃機(jī)車及其發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）（征求意見稿）》[2]。GK1型內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)為濟(jì)南柴油機(jī)廠生產(chǎn)，根據(jù)該廠《190柴油機(jī)系列排放特性的研究》[3]，在怠速工況至滿負(fù)荷工況間柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：氮氧化物16.4～19.28 g/（kW·h），一氧化碳3.47～14.77 g/（kW·h），碳?xì)浠衔?.169～2.99 g/（kW·h）。該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)未達(dá)到當(dāng)前國(guó)家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）運(yùn)用成本高。為保證工作臺(tái)班內(nèi)任何情況下機(jī)車都能夠隨時(shí)投入，現(xiàn)有內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車采取怠速不熄火的運(yùn)用方式，造成燃料成本高;同時(shí)內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)及輔助系統(tǒng)的日常維保工作量大，當(dāng)前國(guó)內(nèi)各主要冶金企業(yè)內(nèi)燃機(jī)車普遍采用小、輔修加輪換大、中修的模式，機(jī)車的年維保成本居高不下，年運(yùn)用成本達(dá)115萬(wàn)元。

3）工作環(huán)境差。內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的柴油機(jī)噪聲大、振動(dòng)大，司機(jī)室內(nèi)環(huán)境差，司乘人員長(zhǎng)期受噪聲、振動(dòng)等困擾。

4）冷機(jī)狀態(tài)起機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，尤其是在冬季時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間階段性起機(jī)打溫，浪費(fèi)燃油，并易受到周邊居民噪聲投訴。

5）機(jī)車部件磨損嚴(yán)重、故障率高，影響機(jī)車運(yùn)用效率。

6）GK1型內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)、液力傳動(dòng)效率低，機(jī)車燃油消耗達(dá)33 L/h，與機(jī)車牽引能效嚴(yán)重不成正比。

7）自動(dòng)化程度不高。設(shè)備狀態(tài)的檢查以人工為主，質(zhì)量難以把控，需進(jìn)一步提高設(shè)備智能化水平，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車各主要部件，全面掌握機(jī)車及主要部件狀態(tài)信息，為設(shè)備運(yùn)維一體的管控模式提供有利條件。

2 機(jī)車新能源改進(jìn)方案市場(chǎng)調(diào)研情況及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2.1 機(jī)車牽引動(dòng)力改進(jìn)的兩種方式

2.1.1 混合動(dòng)力

混合動(dòng)力機(jī)車主要?jiǎng)恿δＪ椒譃閯?dòng)力電池模式、柴油機(jī)動(dòng)力模式和柴油機(jī)+動(dòng)力電池的雙動(dòng)力模式。動(dòng)力電池模式下，機(jī)車牽引采用動(dòng)力電池供電，柴油機(jī)根據(jù)機(jī)車功率需求、動(dòng)力電池容量狀態(tài)等參數(shù)自動(dòng)啟動(dòng)或停止為動(dòng)力電池充電，同時(shí)機(jī)車微機(jī)控制動(dòng)力電池的充放電邏輯;柴油機(jī)動(dòng)力模式下以柴油機(jī)為機(jī)車運(yùn)行提供動(dòng)力，車載微機(jī)根據(jù)機(jī)車需求控制柴油機(jī)功率;雙動(dòng)力模式下由動(dòng)力電池+柴油機(jī)同時(shí)為機(jī)車運(yùn)行提供動(dòng)力，該模式主要應(yīng)用在特殊、困難、重載、機(jī)車需要大功率輸出工況條件下，雙動(dòng)力模式保證了機(jī)車功率和牽引力的穩(wěn)定輸出。

1）混合動(dòng)力機(jī)車優(yōu)點(diǎn)：機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)為雙動(dòng)力源，動(dòng)力電池可采用地面充電和柴油機(jī)充電兩種。充電方式靈活，作業(yè)過程不受動(dòng)力電池電量限制;作業(yè)等待時(shí)間柴油機(jī)不啟動(dòng)，降低了油耗。

2）混合動(dòng)力機(jī)車缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，改進(jìn)成本高，機(jī)車動(dòng)力電池充電、柴油機(jī)模式牽引運(yùn)行仍以燃料為主提供電源和動(dòng)力，機(jī)車尾氣排放、振動(dòng)、噪聲等仍存在;相比既有內(nèi)燃機(jī)車，混合動(dòng)力機(jī)車的柴發(fā)機(jī)組檢修維護(hù)人員并不減少;混合動(dòng)力機(jī)車仍存在燃油、機(jī)油等消耗，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義的節(jié)能減排。

2.1.2 純電動(dòng)力

純電動(dòng)力機(jī)車采用純動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)，為機(jī)車牽引運(yùn)行提供動(dòng)力;輔助設(shè)備（牽引通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)等）均由動(dòng)力電池提供電源;風(fēng)扇、雨刮器、微機(jī)、變流裝置等DC110 V電源由動(dòng)力電池供電;同時(shí)動(dòng)力電池也對(duì)機(jī)車控制用的鉛酸電池進(jìn)行充電。純電動(dòng)力機(jī)車具有操作維護(hù)簡(jiǎn)便、綠色環(huán)保、噪聲低、運(yùn)維費(fèi)用低、便于智能運(yùn)維等特點(diǎn)，但機(jī)車運(yùn)用、調(diào)度受動(dòng)力電池電量及地面充電樁位置限制。

1）純電動(dòng)機(jī)車優(yōu)點(diǎn)：采用動(dòng)力電池供電，機(jī)車噪聲、振動(dòng)等顯著降低，改善了乘務(wù)人員作業(yè)環(huán)境;機(jī)車運(yùn)行采用動(dòng)力電池，無(wú)柴油機(jī)機(jī)械傳動(dòng)功率損耗，無(wú)燃料消耗，無(wú)尾氣排放，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足碳達(dá)峰、碳中和要求;機(jī)車無(wú)柴發(fā)機(jī)組，無(wú)須配置柴油機(jī)檢修維護(hù)人員，降低了機(jī)車檢修維護(hù)成本;動(dòng)力系統(tǒng)采用動(dòng)力電池，機(jī)車傳動(dòng)為直交電傳動(dòng)，效率顯著提升，機(jī)車運(yùn)用成本降低，實(shí)現(xiàn)了降本增效。

2）純電動(dòng)機(jī)車缺點(diǎn)：根據(jù)機(jī)車運(yùn)用環(huán)境、運(yùn)用要求和牽引作業(yè)工藝等對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行合理匹配，機(jī)車運(yùn)行需充分考慮動(dòng)力電池電量，無(wú)法做到隨時(shí)隨地投入運(yùn)用;動(dòng)力電池充電采用地面充電樁模式，且充電時(shí)間一般為0.5～1.5 h，對(duì)牽引作業(yè)產(chǎn)生影響;動(dòng)力電池作為新型儲(chǔ)能裝置，其應(yīng)用需對(duì)現(xiàn)有部分檢修維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)。

2.2 確定機(jī)車新能源改進(jìn)方案及應(yīng)用范圍

結(jié)合物流部鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)實(shí)際，權(quán)衡兩種改進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及成本考慮，確定機(jī)車新能源改進(jìn)方案為純電動(dòng)改進(jìn)，理由如下：

1）機(jī)車采用純動(dòng)力電池供電，操作簡(jiǎn)便，機(jī)車噪聲、振動(dòng)等顯著降低，改善了乘務(wù)人員作業(yè)環(huán)境。

2）機(jī)車運(yùn)行采用動(dòng)力電池，無(wú)柴油機(jī)機(jī)械傳動(dòng)功率損耗，無(wú)燃料消耗，無(wú)尾氣排放，機(jī)車傳動(dòng)為直交電傳動(dòng)，效率顯著提升，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足碳達(dá)峰、碳中和要求。

3）機(jī)車無(wú)柴發(fā)機(jī)組，無(wú)須配置柴油機(jī)檢修維護(hù)人員，降低了機(jī)車檢修維護(hù)成本。

4）機(jī)車采用遙控操作，操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源，確保了現(xiàn)場(chǎng)人員安全。

3 機(jī)車改進(jìn)內(nèi)容

3.1 鐵水運(yùn)輸機(jī)車運(yùn)行線路條件及運(yùn)用要求

重車牽引重量：1 200 t;

空車牽引重量：560 t;

最大坡道：3‰;

最小曲線半徑：150 m;

運(yùn)行速度：5～12 km/h。

運(yùn)行負(fù)荷：

1）常用負(fù)荷：重車總距離1.7～1.9 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)周期為30～34 min。

2）最大負(fù)荷：重車坡道加彎道（450 m），總距離3.7 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)周期約為80 min。

3.2 牽引特性估算

牽引能力以煉鋼走行線校核，動(dòng)力電池電量以4#、5#高爐運(yùn)輸能力估算。鐵水運(yùn)輸中往返一次動(dòng)力電池耗電量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

3.3 電池選擇

1）機(jī)車8 h耗電量約為268.65 kW·h（53.73×5），充分考慮動(dòng)力電池特性（20%電量不能放完，充電至90%時(shí)無(wú)法充滿），配置動(dòng)力蓄電池電量按330 kW·h核算，綜合作業(yè)時(shí)間約8 h。

2）機(jī)車輪周最大牽引功率300 kW，加上輔助功率及必要保留功率，整車功率按500 kW計(jì)。

3）當(dāng)前機(jī)車動(dòng)力電池以磷酸鐵鋰及鈦酸鋰為主。磷酸鐵鋰電池價(jià)格低;鈦酸鋰電池價(jià)格高，但快速充放電能力強(qiáng)，充電倍率高、安全。

磷酸鐵鋰電池與鈦酸鋰電池主要性能對(duì)比如表2所示。

綜上，根據(jù)機(jī)車運(yùn)用要求、動(dòng)力電池充放電性能、動(dòng)力電池安全、機(jī)車維護(hù)保養(yǎng)、動(dòng)力電池壽命周期成本等因素，如采用磷酸鐵鋰電池充電時(shí)間近2 h，機(jī)車的運(yùn)用效率較低，而采用鈦酸鋰電池，充電時(shí)間在1 h以內(nèi)，機(jī)車等待時(shí)間即可完成，因此新能源機(jī)車改進(jìn)宜采用鈦酸鋰電池，電池電量330 kW·h。

3.4 機(jī)車新能源化方式

3.4.1 新能源機(jī)車總體布置

新能源機(jī)車總體布局如圖1所示，采用單司機(jī)室雙操縱端、外走廊、底架承載結(jié)構(gòu)，機(jī)車自左向右設(shè)備布置如下：

1）Ⅱ端操縱端：添乘座椅、機(jī)車風(fēng)壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等;

2）輔助室：螺桿式空壓機(jī)、干燥器、牽引通風(fēng)機(jī)等;

3）動(dòng)力電池室：動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池高壓系統(tǒng)、空調(diào)水冷裝置、自動(dòng)滅火裝置等;

4）變流裝置：主輔一體式牽引變流裝置;

5）電氣室：微機(jī)系統(tǒng)、電器柜、整車級(jí)自動(dòng)滅火裝置、遠(yuǎn)程傳輸裝置、遙控裝置等;

6）司機(jī)室：操縱臺(tái)（含司機(jī)控制器、制動(dòng)控制器、微機(jī)顯示屏、扳鍵/開關(guān)、空調(diào)控制面板）、空調(diào)、風(fēng)扇、司機(jī)座椅、添乘座椅、雨刮器、照明燈具、電笛、遙控器（不固定安裝）、平面調(diào)車等;

7）Ⅰ端操縱端：添乘座椅、機(jī)車風(fēng)壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等。

3.4.2 地面充電站

固定地面點(diǎn)（鋼07線）布置一體式直流充電站，充電設(shè)備采用高壓充電箱變模式，將高壓配電、變壓器、充電機(jī)集成在一臺(tái)箱式變電站內(nèi)。充電樁主動(dòng)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池BMS運(yùn)行狀態(tài)、電池特性參數(shù)及充電機(jī)自身的運(yùn)行狀態(tài)，診斷故障和異常，設(shè)備具備過欠壓檢測(cè)、過流檢測(cè)、短路檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、傾倒檢測(cè)以及開門斷電等功能，當(dāng)動(dòng)力電池剩余電量低于20%時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，通知司機(jī)進(jìn)站充電。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車純電動(dòng)改進(jìn)滿足國(guó)家關(guān)于老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車淘汰管理要求，能夠減少燃油消耗，符合碳排放、碳中和的趨勢(shì)，達(dá)到清潔運(yùn)輸效果，更好地滿足環(huán)保達(dá)A的要求，無(wú)廢氣排放，降低噪聲，改善了乘務(wù)員操作環(huán)境。機(jī)車搭載目前主流的微機(jī)控制系統(tǒng)、變流裝置，實(shí)施對(duì)機(jī)車動(dòng)力電池、牽引電機(jī)、開關(guān)類部件等的監(jiān)測(cè)控制，并存儲(chǔ)機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)、部件狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，對(duì)機(jī)車故障分析和處理等有積極的幫助作用，可實(shí)現(xiàn)健康診斷功能，為鐵水運(yùn)輸遠(yuǎn)程運(yùn)維及無(wú)人化做支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車淘汰更新監(jiān)督管理辦法：國(guó)鐵綜設(shè)備監(jiān)函〔2024〕106號(hào)[A].

[2] 鐵路內(nèi)燃機(jī)車及其發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）（征求意見稿）：環(huán)辦標(biāo)征函〔2023〕30號(hào)[A].

[3] 萬(wàn)德玉，吳曉軍.190系列柴油機(jī)排放特性的研究[C]//中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，1999：541-546.

收稿日期：2024-08-05

作者簡(jiǎn)介：宋建波（1974—），男，江蘇人，高級(jí)工程師，研究方向：鐵路機(jī)車車輛設(shè)備。