城市軌道混合動力接觸網(wǎng)作業(yè)車研制

唐 培，劉 軍，李連凱

(中車資陽機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心， 四川 資陽 641300)

0 引言

接觸網(wǎng)作業(yè)車主要用于城市軌道接觸網(wǎng)架線、冷滑、檢修作業(yè)。在架線作業(yè)時，機車牽引平板車及線圈恒低速行走，方便工作人員架線作業(yè)。架線完成后，需要對接觸網(wǎng)進行冷滑檢查，此時接觸網(wǎng)不帶電，受電弓升起與接觸網(wǎng)接觸，作業(yè)車以最高60 km/h的速度運行，檢查受電弓與接觸網(wǎng)的接觸狀態(tài)。城市軌道交通的快速發(fā)展及環(huán)保要求對接觸網(wǎng)作業(yè)車提出新的要求，目前接觸網(wǎng)作業(yè)車主要為內(nèi)燃液力傳動[1-2]，其廢氣及噪音對施工人員危害嚴重，基于此，設(shè)計了一款新型環(huán)保性接觸網(wǎng)作業(yè)車，采用混合動力以及新技術(shù)，改善了司乘及工作人員工作環(huán)境，實現(xiàn)了精準定距停車、坡道停車、零速鎖定、低恒速控制等功能。

1 機車方案

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

作業(yè)車采用磷酸鐵鋰動力電池和柴油發(fā)電機組作為混合動力源，電池裝電量300 kW·h，柴油發(fā)電機組裝車功率80 kW。機車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 總體布置

機車總體布置(見圖1)，主要由司機室、車體、走行部、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、動力電池、柴油發(fā)電機組和升降平臺組成。

表1 機車主要技術(shù)參數(shù)

1.3 司機室

司機室布置在車體的一端，司機室入口處布置有一扇門(見圖2)。室內(nèi)兩端分別布置有2個操縱臺，操縱臺互鎖以防止誤操作。機車主變頻器、輔助變頻器及充電機集成為一體，布置在操縱臺副司機位下方，整個司機室寬敞大方，室內(nèi)無其他任何電器柜體。整個變頻模塊共有8個冷卻風扇，分為2個獨立區(qū)。2個獨立區(qū)分別從機車前臉和車下進風，從機車側(cè)墻排放。前臉進風口和側(cè)墻出風口均采用45°斜角防雨及膠條防雨措施。為進一步保證防水效果，風道內(nèi)部僅為散熱片，電氣元件在風道上層通過散熱片進行散熱。

1—受電弓；2—升降平臺；3—動力柜；4—牽引電機；5—輪對驅(qū)動裝置；6—動力電池；7—空壓機；8—主輔一體柜；9—工具柜；10—操縱臺1；11—空調(diào)外機；12—柴油發(fā)電機組；13—操縱臺2；14—添乘座椅。

圖2 司機室布置示意圖

1.4 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由動力蓄電池和柴油發(fā)電機組組成。動力蓄電池懸掛于車架下方，柴油發(fā)電機組布置在車架上方。

動力蓄電池為磷酸鐵鋰電池，采用雙支路，每支路由6箱電池串聯(lián)組成540 V/277 A·h電池組，單箱電池組由1并25串單體電池組成。為提高動力電池安全度和可靠性，有必要增加動力電池冗余保護[3]。動力電池箱內(nèi)設(shè)置防爆、泄壓結(jié)構(gòu)，電池內(nèi)壓力達到一定壓力時，泄壓閥會自動開啟。除此之外，動力電池系統(tǒng)還配置防火抑滅系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控電池系統(tǒng)出現(xiàn)的煙霧及微火花情況并自動噴發(fā)滅火裝置；操縱臺上布置有手動滅火開關(guān)，也可手動噴發(fā)滅火裝置。

柴油發(fā)電機組為靜音式機組，機組功率為80 kW，自帶油底殼容積160 L。柴油發(fā)電機組上設(shè)置有“手動-自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)，當置于“手動位”時，柴油機只能通過手動開啟和關(guān)停。當置于“自動位”時，柴油機可根據(jù)機車工況及動力電池狀態(tài)自動啟停。

1.5 傳動系統(tǒng)

機車采用交流電機驅(qū)動，傳動系統(tǒng)主要包括牽引電機、萬向軸和車軸齒輪箱(見圖3)。牽引電機采用防脫落結(jié)構(gòu)懸掛于車架下方，牽引電機安裝位置高。在接觸網(wǎng)施工階段，隧道內(nèi)可能存在一定的積水，抬高牽引電機安裝位置有利于機車涉水運行。

1—牽引電機；2—萬向軸；3—車軸齒輪箱。

由于接觸網(wǎng)作業(yè)車在架線作業(yè)時需要長時間進行0～5 km/h的低恒速運行，對車軸齒輪箱的潤滑系統(tǒng)要求非常嚴苛。本車車軸齒輪箱除了常規(guī)飛濺潤滑以外，增加了強迫潤滑。潤滑油通過三路，分別潤滑車軸齒輪箱的各個部分，以滿足機車長時間低速運行的需要。

1.6 電氣系統(tǒng)

機車主電路由動力電池箱、柴油發(fā)電機組、牽引變流柜、高壓箱、2個牽引電機組成(見圖4)。動力電池通過高壓箱向中間直流回路供電，并通過牽引逆變器向牽引電機供電，控制機車運行，牽引電機采用軸控方式。柴油發(fā)電機組或地面電源通過整流升壓模塊向中間直流回路供電，柴油發(fā)電機組或地面電源供電時通過接觸器互鎖，通過DC/DC模塊控制充電電壓及充電電流，地面電源向動力蓄電池充電時機車不能行車。機車牽引運行時，牽引控制器根據(jù)司控器檔位，輸出相應(yīng)檔位對應(yīng)的速度(/轉(zhuǎn)矩)信號給逆變器，逆變器根據(jù)控制指令，采用閉環(huán)矢量控制方式，控制牽引電機輸出扭矩，進而控制機車牽引運行。

機車再生制動回饋時，牽引控制器根據(jù)司控器制動檔位，輸出相對應(yīng)的制動速度(轉(zhuǎn)矩)信號給逆變器，逆變器根據(jù)控制指令，控制牽引電機實施再生制動，精確控制牽引電機的制動轉(zhuǎn)矩，同時控制回饋電流。

圖4 機車主拓撲圖

2 機車特點

機車采用靈活的混合動力控制策略，根據(jù)動力電池狀態(tài)、機車工況自動調(diào)整動力輸出，可最大程度實現(xiàn)動力性與經(jīng)濟性。針對接觸網(wǎng)作業(yè)車的特殊作業(yè)工況，機車具有零速鎖定、精準定距停車、恒低速控制等功能。

2.1 機車混合動力策略

為提升機車經(jīng)濟性和環(huán)保性，機車在正常作業(yè)情況下均采用純動力電池輸出。當電池電量低于40%時，此時柴油發(fā)電機組自動啟動，動力輸出切換到柴油發(fā)電機組優(yōu)先輸出。當需求功率小于柴油發(fā)電機組額定功率時，柴油發(fā)電機組剩余功率為動力電池充電，電量恢復(fù)到95%以上時自動切換回動力電池優(yōu)先輸出。當需求功率大于柴油發(fā)電機組額定功率時，多余的功率由動力電池自動補充，如圖5所示。

2.2 定距停車

接觸網(wǎng)作業(yè)車在架線打孔時，往往需要精確走行固定的距離。目前城軌列車ATO系統(tǒng)主要通過線路預(yù)設(shè)的定標點來實現(xiàn)精確停車[4]，而接觸網(wǎng)作業(yè)車在施工作業(yè)時并無定標點且其定距行走的距離比較靈活，現(xiàn)有方式無法滿足施工精確停車的需求。

圖5 機車動力策略

本機車牽引電機具有較高的采樣精度，單圈4 096個脈沖信號，電機可根據(jù)脈沖進行精準控制。機車走行1 m時的脈沖數(shù)為：

(1)

其中：i為機車傳動比；d為機車輪徑(mm)。

當機車工況萬轉(zhuǎn)開關(guān)置于“定距行車”工況時，輸入指定運行速度和行走距離，機車即可根據(jù)需要精確行車。當輸入的走行距離小于指定運行速度的加速和減速距離時，為保證精確距離停車，機車會在到達指定運行速度前自動進入減速狀態(tài)。機車定距走行試驗結(jié)果如表2所示。

表2 機車定距走行試驗結(jié)果

2.3 零速鎖定功能

接觸網(wǎng)作業(yè)車在施工時頻繁短時停車、啟動，傳統(tǒng)內(nèi)燃液傳機車需要帶閘啟動，且根據(jù)司機的熟練度不同，往往存在一定的短時下滑溜車現(xiàn)象，有一定的行車風險。本機車具有零速鎖定功能，即在坡道上通過純電制動實現(xiàn)制動到零，并在短時間內(nèi)保持制動狀態(tài)的功能。經(jīng)試驗臺測試，牽引電機散熱滿足堵轉(zhuǎn)峰值扭矩維持10 min的散熱需求。為保證電機使用性能，機車設(shè)置允許零速鎖定的時間為2 min。坡起時，將機車工況萬轉(zhuǎn)開關(guān)置于“坡道起步”位，零速鎖定功能啟動，2 min足夠司機啟動機車并順暢運行，機車起動更加平穩(wěn)安全。

2.4 恒低速控制

接觸網(wǎng)架線時，機車需要一直低速運行，在低速運行的同時升降平臺上方工作人員同時架線施工。架線施工要求司機以1～2 km的速度慢速運行，現(xiàn)有的低速運行更加平穩(wěn)，便于升降平臺上方施工人員操作。現(xiàn)有的內(nèi)燃液傳機車低恒速控制采用比例變量泵和比例變量馬達來實現(xiàn)低恒速，多為“2泵4馬達”或“4泵4馬達”[5]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。Jiang S等人采用Fuzzy+PID實現(xiàn)機車速度精確控制[6]。李亮等人以PID策略實現(xiàn)汽車牽引力控制[7]。本機車采用PID機車恒速控制技術(shù)，可實現(xiàn)機車無級恒速控制，通過試驗確定了最優(yōu)P值和I值，使得機車恒速運行平穩(wěn)無沖擊，試驗速度波動誤差在1%～2%。

2.5 經(jīng)濟環(huán)保

根據(jù)HXN6機車實際運用數(shù)據(jù)顯示，混合動力機車可降低燃油消耗率30%左右[8]。根據(jù)Cipek M等的研究表明，從長期投資來看，混合動力機車投入所獲得的回報可達3倍以上[9]。經(jīng)試驗驗證，本機車蓄電池動力時司機室最大噪音為60 dB，混合動力模式時司機室最大噪音63 dB，遠低于標準[10]要求的75 dB。

3 結(jié)語

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，接觸網(wǎng)作業(yè)車在建設(shè)和維護施工中都將發(fā)揮越來越大的作用?；旌蟿恿佑|網(wǎng)作業(yè)車采用混合動力相關(guān)技術(shù)，提高了機車的經(jīng)濟性及環(huán)保性；采用精確電機控制，實現(xiàn)了精準定距停車、低恒速控制、零速鎖定等功能，提高了機車作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性，降低了司機的操作疲勞。