有轨运输装备分散动力的适应性分析

左建乐，牛敏，王耀，朱家鑫，廖家伟，楚晓卫

（中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南 新乡 453000）

1 前言

随着盾构机和TBM 在隧道施工领域的应用，其高效、安全、环保、非开挖的优点使得地铁隧洞、山岭隧洞、输水隧洞等建设得以快速发展。为了适应轨道交通建设，规划设计的大直径城际地铁隧道等项目越来越多，大直径隧道直径一般9m 以上，其区间距离长、坡度大、开挖产生的渣土量多且运输难度较大。盾构机/TBM 施工过程中所需的各种各样的材料或备件，一般由机车编组从洞外运输至后配套台车区域，再由吊机卸载到指定工位。对于大直径TBM，后配套台车通常为多层设备布置，还需要把物料从下层吊运到上层。因此，有轨运输装备需要在满足大运量和高效率的同时保证安全可靠。

目前，有轨运输装备主要采用动力集中的方式，由一台牵引机车和若干非动力的渣车、砂浆车和管片车组成。集中动力有轨运输装备由一台牵引机车提供动力，随着隧道开挖直径变大，运输的渣土等物料也增多，需要大功率和黏重的牵引机车以满足施工需求；牵引机车粘重增大造成动力集中有轨运输装备存在一些不足：（1）机车黏重大，轮压大，对轨道的冲击大；（2）机车粘重大，克服机车配重消耗能量多；（3）仅机车轮对为主动轮，粘着牵引力不稳定；（4）仅机车轮对为主动轮，具备电制动、基础制动，其他车辆只有基础制动，整体制动性能差。针对以上不足，本文通过探究有轨运输装备分散动力的优势，为盾构机/TBM 进行隧道掘进施工提供一种更加安全可靠的有轨运输技术参考，使得隧道施工物料有轨运输效率提高，成本节约。

2 有轨运输装备分散动力的发展概况

目前，全球范围内，多数高速铁路列车和城市轨道列车都采用分散动力系统，早期欧洲多数国家采用的集中动力动车组，自从日本新干线开始大规模采用分散动力动车组，日本已发展了三代高速电动车组。第一代为0 系全动车16 辆编组；第二代为1982 年东北新干线用200 系；第三代为300 系，采用GTO 元件VVVF 三相异步传动，以上日本高速动车组均采用分散动力方式。近30年来，德国研制成功ET-400 型电动车组，每3 辆车为1组，均为动力车，由3 组组成1 列共9 辆车。经过数十年的发展，分散动力动车组表现出了更优秀的性能，随着电机性能提升、电力电子技术的发展、电气设备可靠性的提升，分散动力动车组的优势越发明显。

虽然分散动力动车组已有长足的发展，技术也趋于成熟，但将分散动力技术应用于隧道施工物料有轨运输却刚刚起步。2023 年7 月7 日，我国首台分散动力式新能源电机车在重庆发布，将应用于重庆轨道交通15 号线06 标项目。通过跨界技术创新，借鉴分散动力动车组技术路线而研发的分散动力式新能源电机车及后配套设备极大提高了盾构渣土及管片等物料运输效率，为盾构机/TBM 进行隧道掘进施工有轨运输提供了新思路、新技术，使得隧道施工物料有轨运输效率提高，成本节约。进行有轨运输装备分散动力的特点和性能深入研究，对隧道掘进施工有轨运输的优化、发展和推广具有重大的作用。

3 有轨运输装备分散动力的特点

与隧道施工常规有轨运输装备不同，分散动力有轨运输装备最主要的特点是除牵引机车具有动力外，渣土车也具有动力。即常规有轨运输装备将动力系统和电气控制系统集中安装在牵引机车上，由牵引机车提供驱动力而拖动渣土车、砂浆车和管片车；分散动力有轨运输装备将动力系统和电气控制系统分别安装在牵引机车和部分渣土车上，由牵引机车和动力渣土车共同提供驱动轮而拖动非动力渣土车、砂浆车和管片车。两种装备形式示意图如图1 所示。

图1 常规动力与分散动力形式

分散动力有轨运输装备与常规有轨运输装备主要区别在动轴质量分配的差异，但却在稳定性和黏着性等方面存在较大差异，现把两种形式的特点比较情况列于表1。

表1 常规动力与分散动力特点比较

从表1 中分析，分散动力有轨运输装备各项性能都优于常规有轨运输装备。因为黏着系数和动轴的质量决定了牵引力的大小，所以，采用常规动力集中方式必然导致轴重增加，才能得到较高的黏着系数。动力分散方式的黏着较为稳定。一是因动轴数量多，每轴的牵引力可以比较低，即使黏着系数较低也不受影响；二是因中间车可有效利用稳定的黏着特性。

4 有轨运输装备分散动力的应用

某轨道交通地铁项目采用盾构机进行隧道掘进施工，掘进施工物料的运输采用有轨运输方式，编组配置机车、渣车、砂浆车和管片车。其项目信息如表2。

表2 某轨道交通地铁项目信息数据

根据项目信息，盾构机掘进一环所开挖的渣土方量和重量为：

盾构机掘进一环所需填充的砂浆方量和重量为：

由以上计算，运输物料需要7 台25m3渣土车、1 台13m3砂浆车和2 台25t 管片车。则在掘进一环时，进洞和出洞所机车牵引的重量见表3。

表3 掘进一环机车牵引重量表

由表3 可知，盾构机掘进施工物料出洞时是运输重载工况。由此，上述项目机车黏重和动力选型时，以出洞牵引重量G1=392.86t 为依据进行计算。

方案1：常规有轨运输装备，仅机车提供动力；

方案2：分散动力有轨运输装备，将部分渣土车配置动力，利用渣土黏重，与机车共同提供动力。根据以下公式：

式中，F持续为机车驱动持续牵引力，kN；g 为重力加速度，9.8m/s2；为坡道阻力系数，28‰=0.028；为运行阻力综合系数，包括滚动阻力系数、轴承摩擦阻力系数、同轴车轮直径差引起的滑动摩擦阻力系数、车轮轮缘在直道或弯道时与钢轨摩擦的阻力系数、车辆振动或摇晃引起的能耗及空气阻力、轴对安装平行度误差引起的差滑阻力系数、曲线离心力引起的侧滑阻力系数等等（一般取0.006 ～0.012），这里取0.008；G2为机车、动力渣车黏着重量，t；P 为装备电机额定总功率，kW；i 为减速机速比；η为机械传动效率，这里取0.96；n 为电机额定输出转速，r/min；R 为驱动轮半径，m；F黏着为机车、动力渣车粘着牵引力，kN；为黏着系数，根据铁道研究结果，轨道干燥时，黏着系数在0.2～0.4，考虑隧道施工轨道情况，这里取0.26；v 为装备额定运行速度，km/h。

表4 出洞工况总重量

由表4 看出，分散动力有轨运输装备将部分渣车配置动力，将部分渣土黏重负载转化为黏着牵引力，使机车黏重有较大的减轻，对于车辆轻量化设计，节能增效也有重要意义。表5 列出常规有轨运输装备与分散动力有轨运输装备性能参数对比，可作为项目选择参考。

表5 常规动力与分散动力有轨运输装备性能参数对比表

综合表4、表5 数据，在28‰坡度出洞工况时，由1 台70t 机车的常规有轨运输装备，其总重量479t＞462.86t，富余量小，受黏着性能影响，易发生牵引力不足而造成打滑；由1 台45t 机车和2 台25 动力渣车组成的分散动力有轨运输装备，其总重量511t ＞441.86t，富余量大，且车辆黏重小，尺寸小，运行速度快。因此，分散动力有轨运输装备在实现车辆轻量化的同时可满足隧道物料有轨运输安全、高效，经济。

5 有轨运输装备分散动力的发展趋势

随着电力电子技术的快速发展，MOSFET、IGBT 等高速功率半导体器件的发明，利用PWM 电压调制技术可以实现交流电压幅值和相位的精确控制，这就意味着可以通过精确控制交流电机中定转子磁场的幅值和相位实现转矩的精确控制，也就是矢量控制和直接转矩控制。作为动力输出核心的电机及控制技术，其轻量化与控制的高效性以及节能环保将成为发展趋势。不同类型电机优缺点的比较一直是电机应用领域关注的一个焦点，这里给出一组对车用驱动电机的评估结果见表6。

表6 车用驱动电机评估表

永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。永磁同步电机尺寸相较于三相异步电机更小，更有利于车辆轻量化设计；车用级别永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制成熟稳定，且防护等级IP67，更加适应恶劣的工作环境。永磁同步电机的应用将更加促进分散动力有轨运输装备高效节能，轻量灵活以及稳定可靠。

6 结语

以上通过对分散动力技术的初步探究，论述了分散动力有轨运输装备在隧道施工物料有轨运输的优越性，希望分散动力有轨运输装备在隧道施工有轨运输领域有更好的发展和应用。