青島地鐵調車機車柴油機功率選擇及建議

王成峰， 王繼強

(青島地鐵集團有限公司 運營分公司， 山東青島 266041)

在城軌交通行業(yè)，調車機車是其運營保障的重要動力。主要用于車輛段廠內調車、正線施工、物資運輸，以及正線事故列車救援。從目前各地鐵公司設備運用狀況來看，內燃動力的調車機車或重型軌道車仍是調車和救援的主要動力。

國內城市軌道調車機車的額定功率多為300 kW和450 kW兩個等級，個別公司也有采用600 kW功率等級的機車。內燃機車的功率主要由柴油機功率決定，一直以來調車機車的柴油機選型都是地鐵初期規(guī)劃設計中的重要環(huán)節(jié)，但目前尚無地鐵配置機車的具體標準。調車機車選用的柴油機功率過大會造成經濟浪費，過小會影響作業(yè)效率、縮短使用壽命乃至危及行車安全。因此，合理選用柴油機的功率，對于提升運行效率和確保行車安全是十分必要的。結合青島地鐵實際情況，通過計算各種運用條件下的牽引能力，提出了地鐵調車機車柴油機選型的具體建議。

1 青島地鐵調車機車運用現狀

目前青島地鐵各線均有2-4臺內燃調車機車，其中郊區(qū)長大線路配備4臺，市區(qū)線路配備2臺，整車功率均在300 kW左右。青島地鐵采購合同中要求調車機車正線滿足單機運行最高速度為80 km/h，單機牽引110 t軌道車輛(相當于2輛30 t滿載的軌道平板車質量)或雙機牽引210 t列車(相當于一列地鐵列車空車質量)可在35‰坡道上坡停起動，并能以不低于8 km/h的速度通過該坡道，單機牽引110 t軌道車輛，在平直道上速度可達50 km/h。

經性能測試及實際運用效果來看，機車性能基本滿足設計要求，但對于郊區(qū)長大線路，如坡道較多，單機闖坡能力較差。以青島地鐵11號線為例，在其正線坡道29.1‰處試驗，由于是長大坡道，單機僅以12 km/h的速度通過，此時柴油機處于較長時間的滿負荷運轉，整機的闖坡、爬坡的性能表現較差。一般情況，各線正線施工作業(yè)，由于機車功率較低，導致單機牽引車輛正線坡道運行時速度較低，尤其是在郊區(qū)長大線路，無法滿足在天窗作業(yè)時間內完成任務，即使2臺機車連掛軌道檢測車或平板車，在4 h的正線天窗時間內，剛好實現折返，作業(yè)時間裕度極小，成為制約正線施工作業(yè)的瓶頸環(huán)節(jié)。

2 柴油機型號選擇

目前，大多數地鐵軌道車都選用美國卡特彼勒的電控燃油噴射柴油機，卡特彼勒柴油機的使用等級分為A、B、C、D、E 5級，如表1所示。同一型號柴油機在不同使用等級條件下的額定功率是不同的，相關幾個型號的柴油機在不同使用等級條件下的額定功率如表2所示。

表1 卡特彼勒發(fā)動機的使用等級

表2 不同型號的發(fā)動機在各等級下的額定功率 kW

柴油機功率選擇時，一般考慮兩個因素。一是機車連續(xù)工作的時長，二是考慮機車的標稱功率。鑒于地鐵調車機車連續(xù)工作的工況并不多，另外考慮牽引列車在長大坡道上運行的需要，一般情況柴油機的使用等級宜按不低于D級進行選擇[1]，具體選擇時，機車制造廠家會根據功率裕度、成本等因素來選擇是D等級還是E等級功率。機車標稱功率也是重要的參考因素，一般而言柴油機裝車功率的94%～96%為機車的標稱功率[2]，因為柴油機裝車使用時，從其裝車功率中扣除由于使用環(huán)境條件和標準大氣狀況不同，考慮柴油機可靠性及受傳動裝置物理性能限制而降低功率之后，所確定的用于機車的功率就是標稱功率。為安全起見，柴油機裝車功率傳動效率取94%。據此，對300 kW調車機車，柴油機額定功率不應低于320 kW。由表2可以看出，可配置CAT C13柴油機，CAT C11柴油機在E使用等級下也符合功率要求；對450 kW調車機車，柴油機額定功率不應低于479 kW，宜配置CAT C18柴油機。

3 牽引力計算

調車機車的功率根據其功用來配置，一般而言主要承擔車輛段內牽引地鐵列車進行調車作業(yè)，或牽引軌道平板(吊)車以及其他無動力軌道車輛進行線路清潔、施工、檢測作業(yè)及設備物資運輸吊裝作業(yè)等；也用于事故列車的救援牽引，但使用幾率極小。

3.1 車輛條件

(1)調車機車整備質量：P=50 t

(2)重力加速度：g=9.8 m/s2

(3)地鐵列車質量：G=210 t

(4)2輛30 t滿載的軌道平板車質量：G1=110 t

3.2 車輛段內單機牽引地鐵列車調車作業(yè)所需柴油機功率計算

牽引力計算公式為：

調車機車的單位運行阻力，N/kN；(車輛型式試驗數據)見式(1)

(1)

式中：v為運行速度，km/h。

被牽引地鐵車輛的單位運行阻力，N/kN；(按照TB/T 1407中25G型客車取值)見式(2)

(2)

(1)計算所需的牽引力

根據地鐵設計規(guī)范，地鐵車輛段內近似水平軌道，最大坡度只有3‰。計算車輛段內單機牽引地鐵列車在不同速度下所需的柴油機功率，在平直道上單機牽引210 t地鐵列車，以段內調車最高允許速度v=20 km/h運行為例，計算所需的牽引力：

(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)計算所需的柴油機功率

柴油機功率計算見式

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)

(3)

式中：Ne為柴油機有效功率；η為機械效率。

計算柴油機功率時效率η取值：液力傳動箱效率低速時取0.5，高速時取0.75， 車軸齒輪箱傳動效率取0.92，輔助功率及傳動箱油泵消耗0.13，則總效率低速時：

η=0.5×0.92×(1-0.13)=0.4

高速時：

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取段內調車最高速度20 km/h。

同理，計算單機牽引210 t地鐵列車在各速度下所需的柴油機功率如表3所示，與CAT C11、CAT C13柴油機功率對比如圖1所示。

表3 單機牽引210 t地鐵列車在各速度下所需的柴油機功率

通過以上計算分析和圖1可以看出，青島地鐵車輛段內調車最高行駛速度為20 km/h，CAT C11、C13柴油機均能夠滿足車輛段內正常的調車作業(yè)需求。

3.3 正線單機牽引110 t軌道車輛(2輛30 t滿載的軌道平板車質量)作業(yè)牽引能力計算

按照地鐵設計規(guī)范“正線的最大坡度不宜大于30‰，困難地段可采用35‰，出入線、聯絡線和特殊地形地區(qū)段的最大坡度不宜大于40‰”的要求，擬定調車機車單機沿35‰坡道牽引110 t時能起步以不小于8 km/h行駛速度運行。

圖1 單機牽引列車在各速度下所需的柴油機功率與CAT C11、C13柴油機功率對比圖

(1)坡道阻力

35×(50+110)×9.8=

54.8 (kN)

(2)機車和車輛運行阻力

5×P×g+3.5×G1×g=

6.2 (kN)

(3)總阻力

6.2+54.8=

61 (kN)

(4)計算所需的柴油機功率

1.6 他汀類藥物停藥指征 當出現以下指征時，考慮停藥或更換劑量：（1）年齡≥80歲，AST、ALT超過正常上限2倍。（2）年齡＜80歲，AST、ALT超過正常上限3倍。（3）CK超過正常上限5倍且（或）伴有肌痛、乏力、酸困等他汀類藥物相關不良反應。（4）表皮生長因子受體（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)

調車機車單機沿35‰坡道牽引110 t時能起步以不小于8 km/h行駛速度運行時所需柴油機功率為338 kW，CAT C11柴油機在E使用等級下才能基本滿足此工況下牽引性能的需要，CAT C13柴油機在D使用等級下還留有一定的功率裕度。

3.4 正線雙機牽引210 t列車救援時牽引功率計算

按照設計要求，正線雙機牽引210 t列車(相當于一列地鐵列車空車質量)可在35‰坡道上坡停起動，并能以不低于8 km/h的速度通過該坡道。

(1)坡道阻力

35×(50+50+210)×9.8=

106.3 (kN)

(2)機車和車輛運行阻力

5×50×9.8+5×50×9.8+5×210×9.8=

15.2 (kN)

(3)坡道上雙機牽引一列質量G=210 t地鐵列車的總阻力

106.3+15.2=

121.5 (kN)

(4)計算所需的柴油機功率

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)=

121.5×1 000×8/3.6×0.4×1 000=

675 (kW)

雙機重聯沿35‰坡道牽引210 t地鐵列車時能起步以不小于8 km/h行駛速度運行，所需要的柴油機功率約675 kW。雙機重聯牽引，補機牽引力按100%取值，故1臺調車機車的柴油機功率應為337.5 kW，CAT C11柴油機只有在E使用等級下才能基本滿足此工況下牽引性能的需要，CAT C13柴油機在D使用等級下還留有一定大功率裕度。

4 選型分析及結論

目前，青島地鐵各線路調車機車配置的是CAT C11柴油機，選用的E等級功率。在E等級功率下，柴油機100%滿負載持續(xù)工作時間不超過5%，所以在實際運用中，對于線路為長大坡道需要柴油機處于較長時間滿負荷運轉的工況下，調車機車的通過能力表現較差，較低的行駛速度勢必影響作業(yè)效率，受制于施工作業(yè)天窗時間的影響，個別作業(yè)內容甚至無法完成就必須返回。但如若青島地鐵選擇450 kW調車機車，單機作業(yè)工況功率富余較多，造成了一定浪費，地鐵列車救援作業(yè)時必須要求雙機牽引，這樣造成的浪費就更加明顯。

通過上述分析，建議青島地鐵選用300 kW功率等級機車時，選取CAT C13柴油機，以提升調車機車牽引車輛通過長大坡道的能力，按各工況最大功率需求338 kW計算，選擇CAT C13柴油機在D使用等級下，柴油機保有4.7%的功率裕度，正線作業(yè)整體運行速度將有效提升，有力保障施工作業(yè)安全順利的完成，同時也避免了柴油機的過載運行，對柴油機起到相應的保護作用。因此，城軌300 kW功率等級的調車機車，在柴油機選型時，選用CAT C13柴油機，是一項對經濟、可靠的解決方案。