一种隧道用新能源牵引机车的研究与应用

王 华/WANG Hua

（中铁隧道局集团国际工程有限公司，广州 南沙 511400）

牵引机车是城市地铁隧道盾构法施工中一种必不可缺的后配套设备，其性能将会直接影响到工程的施工安全和施工进度，为践行“绿色施工、节能减排”的环保理念，而研发新能源施工设备，对减少环境污染具有重要意义[1～2]。针对盾构法牵引机车施工装备和施工技术，国内外学者[3～5]已有较多研究。目前，施工项目牵引机车动力系统普遍使用的铅酸蓄电池存在，电池寿命短、维护成本高、充电时间长、电池环境污染大、充电效率低、养护人员投入多等缺点，虽对机车动力系统经过一定理论研究，实际应用较少[6]。为解决机车常见的问题，张杏园[7]研究了新能源蓄电池式电机车常见故障及分析，但仍未有效解决机车牵引安全系统和防溜车制动系统等控制技术。本文将以锂电池绿色动力环保技术设计为出发点，同时采用双气路制动技术、防瞌睡技术等，研发新能源牵引机车，重点解决使用成本高、充电速度慢、安全性能差、环境污染、智能化水平低等技术难题。

1 新能源变频牵引机车设计

1.1 结构设计

机车主要结构分为机车系统、新能源动力系统、操纵控制系统、配重系统等部分。机车系统采用直流电，通过牵引变频器转换成频率可调的三相交流电供2 台或多台普通三相异步牵引电动机，每台电动机转子通过万向联轴节驱动齿轮减速传动箱，经过二级齿轮减速传动到车轴上，从而实现牵引机车的平稳、有效运转。

1.2 新能源动力系统设计

新能源牵引机车采用磷酸铁锂电池作为新能源动力系统。与传统铅酸电池相比，其具有大电流充放电能力、长寿命、超低温性能、高可靠性、绿色环保等特点，在高效储能应用中具有独特的优势，如图1。新能源动力系统安全可靠性能高，便于操作、维修保养，设备一般完好率可达到95%以上且使用寿命高达到8 年。新能源锂电池动力系统与传统铅酸电池性能对比见表1。

图1 新能源动力箱结构示意图

2 新能源变频牵引机车系统设计

2.1 双气路制动系统

如图2，双气路制动系统解决了机车供气量不足的问题，同时对后配套车辆闸瓦磨损的减少起到了良好的作用。保证制动时，机车、后配套车辆同步制动，对防止机车溜车事故的发生起到了很好的保障作用。在机车起动过程中，机车与后配套同步解除制动，对于机车变频器等电器系统及机车起动效果均有明显改善。

表1 锂电池与传统铅酸电池性能对比表

图2 双气路制动系统原理图

2.2 闸瓦制动力检测系统

如图3，闸瓦制动力检测系统增加制动系统传感器，实时检测制动力的确切大小，具有输出终端显示功能，通过仪表盘时刻观察气缸制动力大小。当机车闸瓦磨损到一定程度后，气缸制动时制动力将逐渐减小，机车制动力不足，当减小到设定的值以后，驾驶室内仪表盘指示灯将报警，提示调整刹车螺母以保证足够的制动力。

图3 闸瓦制动力检测系统结构图

2.3 反充电装置

机车配备的反充电装置，能够在大坡度连续下坡时有效避免机车对蓄电池进行的反充电，降低变频器发生保护性断电概率，实现变频器对电机的有效控制，减少溜车事故。

2.4 防溜车制动系统

如图4，系统通过车身自带防溜车挂钩在发生紧急情况下操作紧急制动手柄，在气压的作用下通过气缸将防溜车挂钩推下使得挂钩与运输轨线轨枕相连接，实施紧急制动，降低机车溜车事故的发生。

图4 紧急防溜车制动系统图片

2.5 机车的智能控制系统

1）防瞌睡安全保障系统 机车的新型防瞌睡系统主要从硬件和软件两个方面进行的研发，主要功能是避免机车在高档位运行时，操作人员因疲劳而引起施工风险，在一定时间内对机车进行自动减挡到1 挡，直至机车自动制动停车。

2）PLC 计算机智能控制系统 PLC、变频器和触摸屏等各系统重要参数和状态信息都被列入报警条目，对司机的操作起到了提示作用，而且使得维修人员对设备故障的判断更加方便。

3）反常规操作保护系统 司机在违反操作规程，或快速任意频繁变换挡位时，变频器仍能按照设定程序有序发出指令，使得机车的行驶速度不会发生突变，系统功能正常运行。

4）重载爬坡自适应控制系统 机车在重载爬坡时由于载荷过大，导致机车电机的负荷加大、电流增大，机车运行速度自动匹配合适速度，降低运输编组发生溜车风险。

3 工程应用

目前，新能源锂电机车已经在合肥、广州、深圳、杭州等高铁项目进行了推广应用，新能源牵引机车与传统牵引机车施工成本对比见表2。新能源锂电机车，充电效率高、电池免维护、施工效率高、智能化水平高，减低了人工劳动强度和施工成本。具体分析如下。

1）采用磷酸铁锂电池技术降低了电池充电时间，由传统的24h 降低为2.5h，并实现了机车动力系统免维护。

2）采用洁净能源动力系统，降低环境污染，改善了作业人员的劳动环境，实现了绿色施工。

3）双气路制动系统将制动力提高了2 倍，使得正常行驶的刹车距离降低为最大13m，提高了作业的安全性。

4）配备的防瞌睡系统、制动力监测系统、反常规操作保护系统等，提高设备运行的安全性，降低了施工风险。

表2 新能源牵引机车与传统牵引机车施工成本对比（单位：万元）

4 结语

绿色施工的标准要求日益提高，建设速度逐步加快，面对高污染、高能耗、低性能等设备的逐步淘汰局面，急需研制新型绿色智能化施工设备，以适应当今城市轨道交通建设的需求。采用新技术、新原理，研制新型智能化施工装备，可有效解决当前盾构法隧道施工技术中遇到的诸多技术难题，为提高施工质量找到突破口。牵引机车的网络自动化、无人驾驶、永磁牵引技术等高科技、高效率等技术的深度融合，将是今后研究的重点内容和方向。