青岛地铁调车机车柴油机功率选择及建议

王成峰， 王继强

(青岛地铁集团有限公司 运营分公司， 山东青岛 266041)

在城轨交通行业，调车机车是其运营保障的重要动力。主要用于车辆段厂内调车、正线施工、物资运输，以及正线事故列车救援。从目前各地铁公司设备运用状况来看，内燃动力的调车机车或重型轨道车仍是调车和救援的主要动力。

国内城市轨道调车机车的额定功率多为300 kW和450 kW两个等级，个别公司也有采用600 kW功率等级的机车。内燃机车的功率主要由柴油机功率决定，一直以来调车机车的柴油机选型都是地铁初期规划设计中的重要环节，但目前尚无地铁配置机车的具体标准。调车机车选用的柴油机功率过大会造成经济浪费，过小会影响作业效率、缩短使用寿命乃至危及行车安全。因此，合理选用柴油机的功率，对于提升运行效率和确保行车安全是十分必要的。结合青岛地铁实际情况，通过计算各种运用条件下的牵引能力，提出了地铁调车机车柴油机选型的具体建议。

1 青岛地铁调车机车运用现状

目前青岛地铁各线均有2-4台内燃调车机车，其中郊区长大线路配备4台，市区线路配备2台，整车功率均在300 kW左右。青岛地铁采购合同中要求调车机车正线满足单机运行最高速度为80 km/h，单机牵引110 t轨道车辆(相当于2辆30 t满载的轨道平板车质量)或双机牵引210 t列车(相当于一列地铁列车空车质量)可在35‰坡道上坡停起动，并能以不低于8 km/h的速度通过该坡道，单机牵引110 t轨道车辆，在平直道上速度可达50 km/h。

经性能测试及实际运用效果来看，机车性能基本满足设计要求，但对于郊区长大线路，如坡道较多，单机闯坡能力较差。以青岛地铁11号线为例，在其正线坡道29.1‰处试验，由于是长大坡道，单机仅以12 km/h的速度通过，此时柴油机处于较长时间的满负荷运转，整机的闯坡、爬坡的性能表现较差。一般情况，各线正线施工作业，由于机车功率较低，导致单机牵引车辆正线坡道运行时速度较低，尤其是在郊区长大线路，无法满足在天窗作业时间内完成任务，即使2台机车连挂轨道检测车或平板车，在4 h的正线天窗时间内，刚好实现折返，作业时间裕度极小，成为制约正线施工作业的瓶颈环节。

2 柴油机型号选择

目前，大多数地铁轨道车都选用美国卡特彼勒的电控燃油喷射柴油机，卡特彼勒柴油机的使用等级分为A、B、C、D、E 5级，如表1所示。同一型号柴油机在不同使用等级条件下的额定功率是不同的，相关几个型号的柴油机在不同使用等级条件下的额定功率如表2所示。

表1 卡特彼勒发动机的使用等级

表2 不同型号的发动机在各等级下的额定功率 kW

柴油机功率选择时，一般考虑两个因素。一是机车连续工作的时长，二是考虑机车的标称功率。鉴于地铁调车机车连续工作的工况并不多，另外考虑牵引列车在长大坡道上运行的需要，一般情况柴油机的使用等级宜按不低于D级进行选择[1]，具体选择时，机车制造厂家会根据功率裕度、成本等因素来选择是D等级还是E等级功率。机车标称功率也是重要的参考因素，一般而言柴油机装车功率的94%～96%为机车的标称功率[2]，因为柴油机装车使用时，从其装车功率中扣除由于使用环境条件和标准大气状况不同，考虑柴油机可靠性及受传动装置物理性能限制而降低功率之后，所确定的用于机车的功率就是标称功率。为安全起见，柴油机装车功率传动效率取94%。据此，对300 kW调车机车，柴油机额定功率不应低于320 kW。由表2可以看出，可配置CAT C13柴油机，CAT C11柴油机在E使用等级下也符合功率要求；对450 kW调车机车，柴油机额定功率不应低于479 kW，宜配置CAT C18柴油机。

3 牵引力计算

调车机车的功率根据其功用来配置，一般而言主要承担车辆段内牵引地铁列车进行调车作业，或牵引轨道平板(吊)车以及其他无动力轨道车辆进行线路清洁、施工、检测作业及设备物资运输吊装作业等；也用于事故列车的救援牵引，但使用几率极小。

3.1 车辆条件

(1)调车机车整备质量：P=50 t

(2)重力加速度：g=9.8 m/s2

(3)地铁列车质量：G=210 t

(4)2辆30 t满载的轨道平板车质量：G1=110 t

3.2 车辆段内单机牵引地铁列车调车作业所需柴油机功率计算

牵引力计算公式为：

调车机车的单位运行阻力，N/kN；(车辆型式试验数据)见式(1)

(1)

式中：v为运行速度，km/h。

被牵引地铁车辆的单位运行阻力，N/kN；(按照TB/T 1407中25G型客车取值)见式(2)

(2)

(1)计算所需的牵引力

根据地铁设计规范，地铁车辆段内近似水平轨道，最大坡度只有3‰。计算车辆段内单机牵引地铁列车在不同速度下所需的柴油机功率，在平直道上单机牵引210 t地铁列车，以段内调车最高允许速度v=20 km/h运行为例，计算所需的牵引力：

(2.004+0.018 48×v+0.000 243×v2)

×50×9.8+(1.82+0.01×v+0.000 145×v2)

×210×9.8=5.5 (kN)

(2)计算所需的柴油机功率

柴油机功率计算见式

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)

(3)

式中：Ne为柴油机有效功率；η为机械效率。

计算柴油机功率时效率η取值：液力传动箱效率低速时取0.5，高速时取0.75， 车轴齿轮箱传动效率取0.92，辅助功率及传动箱油泵消耗0.13，则总效率低速时：

η=0.5×0.92×(1-0.13)=0.4

高速时：

η=0.75×0.92×(1-0.13)=0.6

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)=

5.5×1 000×20(3.6×0.4×1 000)=

76 (kW)

式中，v取段内调车最高速度20 km/h。

同理，计算单机牵引210 t地铁列车在各速度下所需的柴油机功率如表3所示，与CAT C11、CAT C13柴油机功率对比如图1所示。

表3 单机牵引210 t地铁列车在各速度下所需的柴油机功率

通过以上计算分析和图1可以看出，青岛地铁车辆段内调车最高行驶速度为20 km/h，CAT C11、C13柴油机均能够满足车辆段内正常的调车作业需求。

3.3 正线单机牵引110 t轨道车辆(2辆30 t满载的轨道平板车质量)作业牵引能力计算

按照地铁设计规范“正线的最大坡度不宜大于30‰，困难地段可采用35‰，出入线、联络线和特殊地形地区段的最大坡度不宜大于40‰”的要求，拟定调车机车单机沿35‰坡道牵引110 t时能起步以不小于8 km/h行驶速度运行。

图1 单机牵引列车在各速度下所需的柴油机功率与CAT C11、C13柴油机功率对比图

(1)坡道阻力

35×(50+110)×9.8=

54.8 (kN)

(2)机车和车辆运行阻力

5×P×g+3.5×G1×g=

6.2 (kN)

(3)总阻力

6.2+54.8=

61 (kN)

(4)计算所需的柴油机功率

1.6 他汀类药物停药指征 当出现以下指征时，考虑停药或更换剂量：（1）年龄≥80岁，AST、ALT超过正常上限2倍。（2）年龄＜80岁，AST、ALT超过正常上限3倍。（3）CK超过正常上限5倍且（或）伴有肌痛、乏力、酸困等他汀类药物相关不良反应。（4）表皮生长因子受体（eGFR）下降≥50%。

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)=

61×1 000×8/3.6×0.4×1 000=

338 (kW)

调车机车单机沿35‰坡道牵引110 t时能起步以不小于8 km/h行驶速度运行时所需柴油机功率为338 kW，CAT C11柴油机在E使用等级下才能基本满足此工况下牵引性能的需要，CAT C13柴油机在D使用等级下还留有一定的功率裕度。

3.4 正线双机牵引210 t列车救援时牵引功率计算

按照设计要求，正线双机牵引210 t列车(相当于一列地铁列车空车质量)可在35‰坡道上坡停起动，并能以不低于8 km/h的速度通过该坡道。

(1)坡道阻力

35×(50+50+210)×9.8=

106.3 (kN)

(2)机车和车辆运行阻力

5×50×9.8+5×50×9.8+5×210×9.8=

15.2 (kN)

(3)坡道上双机牵引一列质量G=210 t地铁列车的总阻力

106.3+15.2=

121.5 (kN)

(4)计算所需的柴油机功率

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)=

121.5×1 000×8/3.6×0.4×1 000=

675 (kW)

双机重联沿35‰坡道牵引210 t地铁列车时能起步以不小于8 km/h行驶速度运行，所需要的柴油机功率约675 kW。双机重联牵引，补机牵引力按100%取值，故1台调车机车的柴油机功率应为337.5 kW，CAT C11柴油机只有在E使用等级下才能基本满足此工况下牵引性能的需要，CAT C13柴油机在D使用等级下还留有一定大功率裕度。

4 选型分析及结论

目前，青岛地铁各线路调车机车配置的是CAT C11柴油机，选用的E等级功率。在E等级功率下，柴油机100%满负载持续工作时间不超过5%，所以在实际运用中，对于线路为长大坡道需要柴油机处于较长时间满负荷运转的工况下，调车机车的通过能力表现较差，较低的行驶速度势必影响作业效率，受制于施工作业天窗时间的影响，个别作业内容甚至无法完成就必须返回。但如若青岛地铁选择450 kW调车机车，单机作业工况功率富余较多，造成了一定浪费，地铁列车救援作业时必须要求双机牵引，这样造成的浪费就更加明显。

通过上述分析，建议青岛地铁选用300 kW功率等级机车时，选取CAT C13柴油机，以提升调车机车牵引车辆通过长大坡道的能力，按各工况最大功率需求338 kW计算，选择CAT C13柴油机在D使用等级下，柴油机保有4.7%的功率裕度，正线作业整体运行速度将有效提升，有力保障施工作业安全顺利的完成，同时也避免了柴油机的过载运行，对柴油机起到相应的保护作用。因此，城轨300 kW功率等级的调车机车，在柴油机选型时，选用CAT C13柴油机，是一项对经济、可靠的解决方案。