变频牵引技术在铝液抬包轨道运输车中的应用①

涂建军

(中车兰州机车有限公司, 甘肃 兰州　730050)



变频牵引技术在铝液抬包轨道运输车中的应用①

涂建军

(中车兰州机车有限公司, 甘肃 兰州730050)

介绍了LY30型交流变频调速铝液抬包轨道运输车的工作环境、主要技术参数，变频技术及电器系统等关键技术和创新点在强磁场环境中的应用。LY30型交流变频调速铝液抬包轨道运输车通过了试验和现场运用考核，其性能满足用户的要求。

变频调速； 铝液抬包； 轨道运输

1　铝液轨道运输车结构综述

1.1机车结构简介

LY30型机车由车架总成、走行部、蓄电池箱、电气系统、牵引传动系统、空气制动系统、基础制动装置和CH200型自动车钩等组成，机车总体布置如图1所示。

电机车由主电路采用免维护蓄电池供应直流电，经牵引变频器转换成电压与频率可调的三相交流电，供2台交流鼠笼式感应牵引电动机，每台电动机转子通过万向联轴节与车轴齿轮减速箱连接，动力经过二级齿轮减速后传递到车轴上，从而驱动电机车行走。

车架采用框架式钢板、型钢焊接结构，车架上面从前至后安装司机室、电气间、蓄电池箱和空压机室。司机室内设有电控柜与操纵台，操纵台上安装司机控制器、空气制动单独操纵阀、操纵按钮开关、仪表和信号显示等装置。司机室前方和两侧均设有玻璃窗(贴膜处理),视野开阔，便于瞭望。

电机车走行部采用无转向架的二轴型式，轴箱定位采用人字形橡胶弹簧。

电机车设电制动、空气制动和手制动三种制动形式。电制动为轻载运行时的常规制动；空气制动为给风制动，作为重载运行时的常规制动使用；手制动为停车制动，防止溜车。基础制动装置采取双侧闸瓦制动，配两套空压机组。整备时双机充风，缩短打压时间，运行时单套空压机组工作。

电机车两端装有CH200型车钩，用于电机车和抬包平车的连接，同时传递机车牵引力以及来自车辆的制动冲击力。 同时安装安全链，防止车钩意外脱钩或车钩断裂而造成的安全事故，提高运输车的运行安全性。

1.2抬包平车布置简介

抬包平车由车架、走行轮对、基础制动装置和CH200型自动车钩组成。车架上有抬包装载座，限制抬包在运行中的移动；装载座内有隔热垫，隔断抬包与车架之间的热传递。抬包平车轮对、基础制动闸瓦杆系悬挂点和钩缓连接处采取绝缘处理，保证抬包平车车轴间、车与车之间的绝缘。平车制动为给风制动，与电机车同步，基础制动装置采取双侧闸瓦制动。

1.3铝液轨道运输车编组方式

铝液抬包轨道运输车由一辆机车和四辆抬包平车组成，最后一辆抬包平车设有调车员站位台。图2为机车与抬包平车编组图。

2　轨道运输车的特性

2.1机车工作环境

2.1.1环境空气

环境空气中含有氧化铝粉尘、氟化铝粉尘、电解质粉尘、炭粒粉尘、氟化氢气体、沥青烟等有害物质。

1.司机室；2.电气间；3.蓄电池箱；4.牵引电机及走形部；5.轮对；6.空压机室图1　机车总体布置

2.1.2环境温度

电解车间通道空气温度通常不超过50 ℃，极端情况不大于65 ℃。电解车间室外历史记录最低温度为-31.6 ℃。

2.1.3电磁场

电流强度 ：500 kA；

最大磁场：500 Gs。

2.1.4介质温度

电解质或铝液温度 ：940～970℃；

通常抬包表面本体温度：≈150℃(最高温度不超过250℃)。

2.1.5线路条件

坡度：平坡；

轨距：标准轨距1435 mm(曲线地段加宽10 mm)；

道床形式：整体道床和碎石道床；

钢轨型号：50 kg/m；

道岔型号：7#单开道岔。

2.2主要技术参数

2.2.1机车

整备质量：≤30 t；

牵引电机功率：75 kW×2；

传动形式：DC-AC；

控制方式：微机控制；

持续速度：12 km/h；

最高速度：25 km/h；

起动牵引力：67 kN；

持续牵引力：39.4 kN；

车轮:Φ840 mm辗钢整体车轮；

轨距:1435 mm；

轴距:2600 mm；

轴重：≤15 t；

钩缓装置:CH200型自动车钩；

制动方式：电制动、空气制动和手制动；

最小通过曲线半径：30 m(通过速度6 km/h)；

车钩中心高(距轨面):600±10 mm；

外形尺寸(长×宽×高)：

6230 mm×2500 mm×2800 mm。

2.2.2抬包平车

轮径:840 mm；

轨距: 1435 mm；

轴距:2400 mm；

轴重：不大于21 t；

车钩中心高(距轨面):600 mm；

钩缓:CH200型车钩；

平车外形尺寸(长×宽×高)：

5270 mm×3050 mm×1000 mm(不包括装载座高度，铝液抬包装载座高度为200 mm)。

2.3机车电气系统

2.3.1电气系统

电机车的电气系统由主回路、控制回路及辅助回路三部分组成。

(1)主回路由蓄电池组、直流断路器、牵引变频器、制动单元、三相交流异步牵引电动机等组成。

电机车整备状态时，蓄电池电流经开关电源系统给变频器滤波电容充电。在一定的控制方式下，变频器将直流电逆变成三相交流电。电机车牵引采用两台三相交流异步牵引电动机，当电机车处于牵引状态时，牵引电动机作为电动机将电能转化为机械能；当电机车处于制动状态时，牵引电动机作为发电机将机械能转化为电能。

(2)控制回路由司控器、变频器控制器等组成。主令电器由司控器、按钮开关、断路器等组成，由司机给出方向指令和控制指令，通过变频器和驱动器的通断进行调压、调频，控制牵引电动机使其输出满足电机车牵引性能的转矩和转速。

电机车控制系统主要功能有：主电路的通断、牵引(前进、后退)控制、紧急制动及保护功能、制动能量反馈及耗散功能等。

(3)辅助回路包括空压机组控制电路、照明电路、车载空调和监视器电源等。

空压机组控制电路，采用压力继电器控制空压机变频器在规定压力范围内启动或停止，同时设置空压机组手动开关。在电机车整备时，空压机组双机工作，缩短总风缸充风时间；当电机车运行时，空压机组单机工作。总风缸压力始终保持在450～800 kPa的范围内，当压力低于450 kPa时空压机组电机启动，达到800 kPa定压时空压机组停止工作。

电机车司机室安装顶置式车载冷暖型空调，满足500 Gs磁场环境、+50 ℃环境温度及空气中含有腐蚀性气体-氟化氢和粉尘等有害物质的特殊使用要求。

铝液轨道运输车顶部安装监控摄像头，电机车司机室安装监视器，实现司乘人员在推送作业时(倒行)的辅助瞭望。同时配备声光报警装置对现场工作人员进行安全警示。

随机配备无线对讲装置及车载台，用于司乘人员、作业人员、股道自动化控制中心之间的相互联系。

2.3.2变频调速器

变频器选用丹佛斯变频器，该变频器结构采用功率器件与主板控制器件分离结构，IGBT功率器件与主板安装于两个防护箱中，IGBT功率器件与主板驱动回路间采用光电隔离控制，IGBT功率器件与主板间完全物理隔离；整车仪表全部采用数字仪表。

选用DC/DC隔离电源变换器，IGBT功率器件电源与控制主板电源分别由不同的DC/DC隔离电源变换器供电，这样就使得功率器件与控制主板间完全物理隔离，相互没有影响。

变频器外部做防磁处理，采用镍合金材料做磁屏蔽防护层，二层防护，二层之间采用空气隔离方式。磁屏蔽防护层为椭圆形环形结构，对接处采用连续焊接，避免出现漏磁。在磁屏蔽设计中，应保证提供低磁阻路径的屏蔽体形，本设计采用椭圆桶状的“最低磁阻路径”设计，避免磁力线旋转90°。

2.3.3牵引电动机

牵引电机为75kW交流鼠笼式感应牵引电动机，具有调速平滑、无级、范围宽广和输出特性硬、精度高、应用效率高、调速过程中没有附加损耗等特点。牵引电动机还具有自然防空转性能，瞬时耐电压和过电流特性强，在起动过程中可较长时间输出很大的转矩，使电机车具有良好的加速性能。

牵引电动机考虑到电解车间空气中含有腐蚀性气体-氟化氢和粉尘等有害物质的特殊使用要求，采用全封闭结构、自然冷却方式，防护等级IP55。

为提高牵引电动机工作可靠性和使用寿命，绝缘等级提高至F级，电磁线及绝缘材料的选择等级高，电磁线的耐电压冲击能力强，允许的最高工作温度可达155 ℃，牵引电动机的允许温升及散热形式等可满足电解车间特殊环境温度的使用要求。

2.3.4视频监控系统

摄像头安装在司机室顶部和站位台顶部，摄像头材料采用能防磁场、氟化氢气体的玻璃，监视器采用液晶显示方式，壳体具有磁场防护能力。摄像头与液晶监视器之间传输采用同轴屏蔽电缆，外部钢管防护。铝液运输车之间采用电磁屏蔽航空插头、插座连接。

监视器系统采用国产产品，镜头涂PVC膜，耐酸性气体的腐蚀。通过前进/倒退手柄及操作面板上开关切换可实现运输车头尾视频转换，方便司机观察周围环境，保证行车安全。视频监控系统上电后，录像盒即开始记录视频信息，并保存到存储卡中，需要观看录像内容时取出录像盒中存储卡即可，存储卡可记录不少于3天的视频内容，存满后会自动覆盖最早的视频内容，始终保存最近几天的视频信息。

2.4关键技术及创新点

2.4.1电气系统的磁场防护

电机车能够在电解车间500 Gs磁场环境中正常使用，其设备可靠性、安全性符合运输作业的要求。

电气系统设计：控制主板设计中提高主板电磁兼容的等级，增加相关的滤波电路内置直流电抗器、高频滤波器、无线电滤波器，消除各通道的干扰杂波，提高控制主板的抗干扰能力；同时在输出回路中加装无源滤波器。

所有控制、信号电缆选用屏蔽电缆并充分考虑电解车间工作条件，通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平，避免由于干扰造成变频器的误动作。线路具有抗高温、耐腐蚀的性能。其他电气线路避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。

图2　机车与抬包平车编组图

磁场屏蔽：牵引变频器柜体采用安全可靠材料二层1.2 mm厚Amumetal合金制作磁屏蔽防护层。磁屏蔽防护层为环形结构，对接处采用连续焊接，避免出现漏磁。

控制柜中的空压机变频器、DC24V电源也进行磁场防护，采用安全可靠材料制作磁屏蔽防护层。

磁屏蔽防护部位以外的电气系统中不使用电磁继电器。

2.4.2绝缘措施

铝液轨道运输车在编组状态时的全轴距(电机车的第一根轴到第四节抬包平车的最后一根轴)为23.9 m、小于2根钢轨的连接长度24 m，电机车与抬包平车之间连挂绝缘、抬包平车相互之间连挂绝缘，抬包平车两根车轴之间绝缘，满足铝液轨道运输车不得跨接三根钢轨的要求。绝缘方式：连接处加设绝缘垫板、螺栓绝缘套管和绝缘垫圈。

2.4.3具体工艺措施

电机车和抬包平车：钩缓装置与车架组成端板连接螺栓杆部加绝缘护套、结合端面加绝缘垫板，绝缘材料采用环氧酚醛层压玻璃布板、管或棒，材料强度及韧性应能够承受列车牵引和制动的冲击；电机车与抬包平车之间、抬包平车相互之间的空气制动管路连接采用液压胶管，由此可保证电机车与抬包平车之间连挂绝缘、抬包平车相互之间连挂绝缘。图3为钩缓装置和机车之间的绝缘示意图。

抬包平车：走行部轴箱定位采用橡胶弹簧；制动缸及制动各杆件吊座与车架组成连接螺栓杆部加绝缘护套、结合端面加绝缘垫板，绝缘材料采用环氧酚醛层压玻璃布板、管或棒，由此可保证抬包平车两根车轴之间绝缘。

1.CH200车钩；2.螺栓；3.弹簧垫圈；4.车钩座绝缘垫；5.螺栓绝缘套管；6.绝缘垫片；7.垫圈；8.螺母；9.车架图3　钩缓装置和机车之间的绝缘示意图

2.5机车性能

2.5.1牵引性能

铝液轨道运输车运输作业分为空载运行和满载运行两种工况。自铸铝车间至电解车间运行为空载工况，牵引吨位为100 t(4个抬包平车10 t×4+4个抬包15 t×4)；自电解车间至铸铝车间运行为满载工况，牵引吨位为160 t(4个抬包平车10t×4+4个抬包15 t×4+铝液15 t×4)。根据用户牵引吨位需求和线路条件情况，按照TB/T1407-1998《列车牵引计算规程》中有关电牵引机车方面的公式计算，并得出XK30型机车的牵引性能表和牵引吨位表，由下表中数据可以看出，机车牵引性能可以满足用户的使用要求。

表1　牵引性能表

表2　牵引吨位

2.5.2制动性能

XK30型电机车设电制动、空气制动和手制动三种制动形式。电制动为空载运行时的常规制动；空气制动为给风制动。

依据TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》中相关制动距离的公式进行计算。

设计计算结果如下：

满载运输状态以12 km/h初始速度实施制动时的制动距离为：12.59 m；

空载运输状态以15 km/h初始速度实施制动时的制动距离为：13.37 m；

空车运输状态以15 km/h初始速度实施制动时的制动距离为：25.55 m(电制动)；

加挂运输状态以12 km/h初始速度实施制动时的制动距离为：12.63 m。

(1)电阻制动

机车在高速运行过程中，牵引电机的转子实际转速高于定子旋转磁场的转速，此时转子导体中的感应电势反向、电流反向、电动转矩反向，电动转矩(与阻力矩同向)起制动作用，使电动机减速。此时的异步电动机相当于一台异步发电机。旋转系统存储的惯性动能转换成电能。泵升电压首先在直流母线电压上上升，在一定电压范围对蓄电池进行充电。当电压继续升高，高于限定的值时，通过与直流回路滤波电容并联的放电电阻，将这部分电能消耗掉，因此也称再生能耗制动。电阻制动可以避免轮对抱死及减少闸瓦磨耗。

(2)空气制动

通过操纵台上的JZ-7型单独制动阀可完成运行过程中的列车制动与列车缓解。经过实际运用考核表明，该制动系统的性能可靠稳定，可以与其配套的平车正常连挂运用，额定速度单机制动距离不超过10 m。

此外，试验表明，该机车手制动装置可以满足在15‰坡道上停放机车的要求。

2.5.3现场测试数据

2013年9月22日,第一列铝液轨道运输车制造完毕,并送达电解铝生产现场,按照提前制定的铝液轨道运输车验收方案,进行了严格的静态和动态验收,表3是实际作业环境中实测的牵引和制动性能的主要验收数据。

表3　实测的牵引和制动性能的主要验收数据

3　结束语

LY30型机车于2013年7月18日开始交付用户使用，该机车在全世界电解铝行业的铝液运输中第一次应用，通过近一年多的运用考核，运用情况良好，达到了设计要求和预期目标。在运用实践中证明，该机车不仅提升和改善了电解铝液运输行业中的运输方式，而且可以预见该机车将会受到电解铝行业用户的广泛欢迎和认可。

[1]朱喜峰.机车总体结构及设计[M]. 成都：西南交通大学出版社，2009.

[2]绕忠.列车牵引计算[M].北京:中国铁道出版社,1996.

[3]张林成.电解铝铝液轨道运输车的研发和运用[J]. 甘肃科技,2014,30(2):10—12.

2015-09-25

涂建军(1971—)，男，高级工程师。E-mail:tjj2004@163.com

TM921.51； TF821