HXN6型混合动力调车机车调车作业适应性、经济性及环保性研究*

孟玉发, 何国福, 刘顺国, 刘 耕

(中车资阳机车有限公司 研发部， 四川资阳 641301)

HXN6型混合动力调车机车是中车资阳机车有限公司于2013年承担中国铁路总公司科技研究开发项目《机车车辆前瞻性技术研究—2 000～2 500 kW混合动力机车研制及双燃料机车技术方案研究》而研制的2 200 kW 混合动力交流传动调车机车，是功率大且技术处于领先水平的交流传动混合动力机车。机车采用外走廊、底架承载式车体，C0-C0轴式，柴油机装车功率1 250 kW，动力电池装车容量1 100 kW·h，中间直流环节小时功率为2 200 kW，机车最大运行速度为100 km/h的交流传动混合动力调车机车。HXN6 0001机车于2016年完成型式试验和研究性试验，并于2017年1月在哈尔滨铁路局开始运用考核试验。HXN6型混合动力调车机车型式试验和运用考核试验不仅验证机车是否满足其技术条件要求和运用的可靠性，而且更重要地是验证该型机车调车作业适应性、经济性及环保性，因此本文根据试验数据对该型机车的调车作业适应性、经济性及环保性进行研究。

1 HXN6型混合动力调车机车主要技术参数

HXN6型混合动力调车机车主要技术参数如表1所示。

2 HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业续航能力、经济性及环保性研究

2.1 HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业续航能力研究

HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业续航能力分别通过高海拔、高温和低温试验和运用考核试验，具体试验如下：

表1 机车主要性能参数

(1) HXN6型混合动力调车机车高海拔条件下小运转牵引作业续航能力试验

2016年某天在兰州局的武威南-打柴沟，进行高海拔的HXN6 0001机车小运转牵引作业续航能力试验，同时验证该机车在长大隧道内是否降功运行。武威南-打柴沟区段，海拔从1 500 m持续升至2 500 m，坡道10‰至13‰之间，还有20 km长的长大隧道。HXN6 0001机车于当天8:05从武威南出发时机车动力电池容量SOC为95%，牵引1 000 t，机车全程输出额定轮周牵引功率1 850 kW。于当天9:26机车运行到海拔2 250 m的柳家台站，此时动力电池容量SOC还剩余24%，HXN6 0001机车在此站让车并等待发车指令时，利用这个机会用车载柴油发电机组给动力电池补充电能，直到当天9：53分机车发车指令时，动力电池容量SOC达到50%，机车再次满功率牵引，并顺利且不降功通过20 km的长大隧道，于当天10：35机车顺利到达试验终点海拔2 500 m 的打柴沟，此时动力电池容量SOC还剩余20%。此项试验表明HXN6型混合动力调车机车的续航能力完全能满足高海拔地理环境小运转牵引作业要求。

(2) HXN6型混合动力调车机车高温条件下小运转牵引作业续航能力试验

2016年夏季环境温度约32℃，HXN6 0001机车在兰新线玛纳斯—奎屯区间进行了高温条件下的小运转牵引作业运行试验。机车牵引质量1 940 t，运行距离约108 km，机车出发时动力电池容量SOC为90%，机车到达试验终点奎屯站时动力电池容量SOC还剩余74%。此项试验表明HXN6型混合动力调车机车的续航能力完全能满足高温地理环境小运转牵引作业。

(3) HXN6型混合动力调车机车低温条件下小运转牵引作业续航能力试验

HXN6 0001机车于1月6日23:00到达塔河站，并于1月7日2:30至8:30完成由塔河到加格达奇小运转牵引作业，牵引吨位2 154 t，燃油消耗量970 dm3，走行里程260 km，整个运行区间的环境温度为-27～-38℃，机车动力电池容量SOC在塔河出发时为92%，到达加格达奇时为86%。此项试验表明HXN6型混合动力调车机车的续航能力完全能满足低温地理环境小运转牵引作业要求。

2.2 HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业经济性研究

(1) HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业经济性对比作业区段情况介绍

HXN6 0001机车执行哈尔滨南站经哈东站到绥化区段的小运转牵引作业运用考核试验，哈尔滨南站至绥化区段共117 km，当机车从哈尔滨南站向绥化执行牵引时，最大上行坡道为11.38‰，大部分坡道集中在3‰至6‰之间，累计总长约为29 km；最大下行坡道为7.55‰，大部分坡道集中在3‰至7‰之间，累计总长约为28 km。本区段的正常牵引机车以HXN5、DF4C型机车为主，DF4C型机车牵引定数不超过4 000 t，超过4 000 t 的编组只能用HXN5型机车牵引。HXN6 0001机车的牵引定数比照DF4C机车执行。

(2) HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业经济性对比作业区段动能提供方式

HXN6 0001机车在哈尔滨南站至绥化区段进行小运转作业时，由于不具备地面电源充电条件，故由纯燃油为机车提供能源，机车待命时柴油发电机组为动力电池补充电能，机车牵引时柴油机优先提供动力，当柴油机功率不能满足要求时，由动力电池补充。

(3) HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业经济性分析

HXN6 0001机车于2月23日到3月3日，9天共执行17次哈尔滨南站到绥化的小运转牵引作业，累计走行里程2 430 km，累计牵引吨位59 834 t，累计燃油消耗约11 850 dm3，平均每万吨公里油耗为13.86 dm3。对比机车为HXN5 0200机车，在2月23日到2月28日共牵引8次，累计走行里程1 080 km，累计牵引吨位29 555 t，累计燃油消耗约9 400 dm3，平均每万吨公里油耗为23.56 dm3；对比机车DF4C5135，在3月1日到3月3日共牵引3次，累计走行里程405 km，累计牵引吨位9 153 t，累计燃油消耗约3 250 dm3，平均每万吨公里油耗为26.3 dm3。

因此，HXN6型混合动力调车机车在执行哈尔滨南站经哈东站到绥化区段的小运转牵引作业运用考核期间，HXN6型机车比对比机车HXN5型机车节油41.17%，比对比机车DF4C型机车节油47.3%。

2.3 HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业环保性研究

根据国家环保总局《关于排污费征收核定有关工作的通知》(环发[2003]64号)中有关排放污染物物料衡算的规定的计算方法，计算公式如下：

减少SO2的排放量：

GSO2=2×B×S

式中GSO2为SO2排放量，t；B为燃油降低量，t；S为燃油全硫分含量，%。

减少CO排放量：

GCO=2.33×B×C

式中GCO为CO排放量，t；B为燃油降低量，t；C为燃油中碳含量，%；Q为燃油燃烧不完全值，%。

减少NOX排放量：

GNOX=1.63×B×(N×β+0.000938)

式中GNOX为NOX排放量，t；B为燃油降低量，t；N为燃油中氮含量，%；β为燃油中氮的转化率，%。

通过以上分析，同一型号机车，同一种燃油，GSO2、GCO、GNOX均与燃油消耗量成正比例，因此HXN6型混合动力调车机车小运转牵引作业时，在同等作业条件下，HXN6型机车比对比机车HXN5型机车排放量降低41.17%，比对比机车DF4C型机车排放量降低47.3%。

3 HXN6型混合动力调车机车编组及推峰作业适应性、经济性及环保性研究

3.1 HXN6型混合动力调车机车编组及推峰作业对比作业区域情况介绍

HXN6 0001机车在哈尔滨南站进行编组和推峰作业运用考核，并与HXN5B和HXN3B进行对比运用。哈尔滨南站为一等站，按技术作业性质划分为编组站、按业务性质划分为货运站，担负着黑龙江省、内蒙古部分地区货物列车的中转工作。连接滨洲、滨北、滨绥、京哈、拉滨5条干线，担负着这5个方向的重、空车改编及直通、直达列车的无调中转任务，是哈尔滨铁路局管辖内唯一的路网性编组站。

站场布局为双向、纵列式3级6场，其中4场为上行编组场、2场为上行到达场。干线机车将货物拉到2场之后，由2场的调车机车推至驼峰，经过50‰的坡道将车辆溜放到4场。4场的主要任务是将上行到达场的解体货物进行编组，摘挂由2场解体之后溜放下的车辆使其组成一整列后，交到上行出发场由干线列车牵引出站。其中在峰头作业的主要车型为HXN5B，而在峰尾作业的车型主要是HXN3B。

3.2 HXN6型混合动力调车机车编组及推峰作业动能提供方式

HXN6 0001机车在哈尔滨南站编组及推峰作业时不具备地面电源充电条件，故由纯燃油为机车提供能源，机车待命时柴油机停机，机车牵引时由纯电池提供动力，当动力电池容量SOC低于40%时，机车自动起动柴油机，柴油机工作在720 r/min的经济区域为动力电池补电，当SOC达到70%时，柴油机自动停机。

3.3 HXN6型混合动力调车机车调车编组作业适应性、经济性及环保性研究

(1) HXN6型混合动力调车机车调车编组作业适应性研究

HXN6 0001机车于2月20日至6月17日，在哈尔滨哈南站4场—6场，进行了编组作业工况考核，共计换算走行17 853 km，累计编组作业690 h，累计牵引吨位4 727 336 t，顺利完成在哈尔滨铁路局的编组作业运用考核试验。

为了进一步验证HXN6 0001机车编组作业适应性要求，2017年6月27日中国铁路总公司运输局机务部在哈尔滨机务段组织了机车半年运用考核情况座谈会。小运转、推峰和调车编组作业全部均达到满意的效果，因担心2 200 kW 的HXN6 0001机车相比3 300 kW (4 400 HP)的HXN3B和HXN5B型机车，其功率偏小，只有一项最困难的作业工况，即哈南站2场牵引6 000 t从峰下上行到达驼峰的极限工况没有组织试验。为全面验证HXN6 0001机车编组作业适应性，哈尔滨机务段于2017年6月29日在哈南站2场安排了HXN6 0001机车牵引6 025 t 上行到达驼峰的牵引试验，试验结果完全满足作业要求。具体试验情况如下：

哈尔滨铁路局哈南站2场的上行到达驼峰牵引为逆向驼峰牵引，二场的驼峰也是哈南站坡度最大的驼峰。其驼峰纵断面图如图1。

图1 驼峰纵断面图

6月29日上午12：00，HXN6 0001号机车在哈南站二场进行调车牵引作业，车次42002，该车次牵引6 025 t 从4场02道经由3.2‰的道岔区，进入16.7‰的中间坡和50‰的加速坡逆向上到达坡顶，再进入驼峰2场08道。该次作业用时8 min，机车通过坡顶用时约2 min，坡顶通过速度为15 km/h。HXN6 0001号机车牵引试验的速度曲线和柴油机转速曲线分别如图2和图3所示。

图2 HXN6型机车速度曲线

图3 HXN6型机车柴油机转速曲线

此次作业司机控制器手柄到达2档位时机车启动，司机控制器手柄逐步提升，1′30″后司机控制器手柄到达8档位，此时柴油机转速1 000 r/min，机车速度为11 km/h，此时进入道岔区。20 s之后，机车速度14 km/h进入50‰的坡道，20 s之后机车以15 km/h速度驶出50‰坡道。

HXN6 0001机车此次作业为哈南站调车作业最严酷的工况，牵引吨位为哈南站二场驼峰调车的极限吨位，2场驼峰调车HXN5B在此处牵引过5 000 t多，一般情况下司机控制器手柄6档位通过峰顶，通过速度同样为15 km/h左右，此区间限速20 km/h， HXN6机车牵引6 025 t，与HXN5B机车相同的速度和相同的时间完成调车牵引作业。

因此，通过HXN6 0001机车在哈尔滨铁路局的编组作业试验证明，HXN6型机车完全满足大型编组站调车编组作业要求。

(2) HXN6型混合动力调车机车调车编组作业经济性研究

HXN6 0001机车从2月20日至6月17日在哈尔滨哈南站4场—6场，进行了编组作业工况考核，累计牵引吨位4 727 336 t，累计燃油消耗40 700 dm3，平均油耗为86.095 dm3/(万t·km)。对比车型为HXN3B 0102号机车，在同一考核期间累计牵引4 982 416 t，燃油消耗约61 200 dm3，平均油耗为122.832 dm3/(万t·km)。因此，HXN6 0001机车在4场调车编组作业期间，HXN6相比HXN3B节油率为29.91%。

(3) HXN6型混合动力调车机车调车编组作业环保性研究

① HXN6型混合动力调车机车在哈尔滨哈南站进行调车编组作业时，柴油机工作时间曲线与对比HXN3B 0102机车相比如图4所示， HXN6柴油机工作时间约占机车工作一天的五分之一时间，相比HXN3B全天柴油机不停(回库整备除外)，可减少柴油机噪声的80%的时间。

图4 HXN6 0001与HXN3B 0102曲线对比图

② 由于GSO2、GCO、GNOX均与燃油消耗量成正比例，因此HXN6型混合动力调车机车调车编组作业时，在同等作业条件下，HXN6型机车比对比机车HXN3B型机车排放量降低29.91%。

3.4 HXN6型混合动力调车机车推峰作业适应性、经济性及环保性研究

(1) HXN6型混合动力调车机车推峰作业适应性研究

HXN6 0001机车从3月23日至4月11日在哈尔滨南站2场推峰解体作业19天，推峰解体作业582次，累计牵引1 732 503 t，累计作业时间378 h，累计调车换算走行里程7 738 km，已经满足运用考核大纲要求不小于300 h，完全满足大型编组场推峰作业要求。

(2) HXN6型混合动力调车机车推峰作业经济性研究

HXN6 0001机车从3月23日至4月11日在哈尔滨南站2场推峰解体作业，累计牵引1 732 503 t，累计燃油消耗10 650 dm3，平均油耗为61.47 dm3/(万t·km)。对比车为HXN5B 0092号机车，期间累计牵引2 141 027 t，累计燃油消耗约17 400 dm3，平均油耗为81.27 dm3/(万t·km)。因此，在同等条件下推峰作业，HXN6型机车相比HXN5B型机车节油率约24.36%。

(3) HXN6型混合动力调车机车推峰作业环保性研究

① HXN6型混合动力调车机车在哈尔滨哈南站进行调车推峰作业时，柴油机工作时间曲线与HXN5B 0092 机车相比如图5所示，HXN6柴油机工作时间约占机车工作一天的四分之一时间，相比HXN3B全天柴油机不停(回库整备除外)，可减少柴油机噪声的75%的时间。

图5 HXN6 0001与HXN5B 0092曲线对比图

② 由于GSO2、GCO、GNOX均与燃油消耗量成正比例，因此HXN6型混合动力调车机车调车推峰作业时，在同等作业条件下，HXN6型机车比对比机车HXN5B型机车排放量降低24.36%。

4 结 论

HXN6型混合动力调车机车在型式试验和运用考核试验期间表现出了质量稳定、节能降噪效果突出，机车性能完全满足小运转牵引作业和调车作业要求。后期将进一步优化机车微机控制系统、辅助变流系统控制程序，希望使柴油机工作时间更短，并使HXN6型混合动力调车机车在由纯燃油提供动力的条件下燃油节油率提高到40～50%，以使HXN6型混合动力调车机车的经济性和环保性得到极大提升。

[1] 哈尔滨铁路局哈尔滨机务段，中资阳机车有限公司.HXN6型混合动力调车机运用考核月度简报[Z].2017-03-06.

[2] 哈尔滨铁路局哈尔滨机务段，中资阳机车有限公司.HXN6型混合动力调车机运用考核月度简报[Z].2017-04-06.

[3] 哈尔滨铁路局哈尔滨机务段，中资阳机车有限公司.HXN6型混合动力调车机运用考核月度简报[Z].2017-05-16.

[4] 哈尔滨铁路局哈尔滨机务段，中资阳机车有限公司.HXN6型混合动力调车机运用考核月度简报[Z].2017-06-17.