吳 敏

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710015，西安∥工程師）

目前，地鐵救援、維修作業(yè)施工中，絕大部分為內(nèi)燃機(jī)車。其主要用于地鐵車輛段的調(diào)車作業(yè)，工務(wù)維修中的牽引作業(yè)，以及檢測(cè)、清洗等無(wú)動(dòng)力車輛的牽引作業(yè)、事故車輛的牽引救援等。

1 國(guó)內(nèi)地鐵的線路條件及內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)用工況

城市地鐵線路參數(shù)參考GB 50157－2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)國(guó)內(nèi)多個(gè)地方城市地鐵線路的統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，一般都符合如表1所示條件。

表1 城市地鐵線路參數(shù)

由于各個(gè)地方采用地鐵電客車的車型不同，受電模式不同，其參數(shù)各異。地鐵電客車的典型運(yùn)用如下：

1）編組形式一般為8節(jié)編組、6節(jié)編組、4節(jié)編組等3種。

2）以南京地鐵1號(hào)線為例，6節(jié)編組車，空車重為225t，超載重為372.6t；此為目前最廣泛運(yùn)用的編組形式。采用8節(jié)車編組的目前比較少，最大超載重量為480t左右。

3）電客車最高運(yùn)行速度為80km／h。

內(nèi)燃機(jī)車主要承擔(dān)地鐵電客車的救援、段內(nèi)調(diào)車、牽引平板車、牽引網(wǎng)軌檢測(cè)車作業(yè)等工況。各種工況下的情況如下：

第一工況，線路維護(hù)作業(yè)。為正線運(yùn)輸維護(hù)人員和設(shè)備物質(zhì)，以及牽引軌道平車、攜吊平車等其他無(wú)動(dòng)力軌道車輛，或者進(jìn)行正線巡檢搶修作業(yè)。通常作業(yè)采用一輛工程車輛牽引2～3輛軌道平車或一組攜帶平車的模式，牽引總噸位最大約100t（一輛軌道平車滿載按40t計(jì)算）；最大速度應(yīng)達(dá)到70～80km／h左右。

第二工況，車輛段段內(nèi)或車站內(nèi)調(diào)車。牽引空載電客車在車輛段內(nèi)進(jìn)行調(diào)車作業(yè)（一列空載電客車按230t計(jì)算），速度不低于40km／h。

第三工況，救援牽引為雙機(jī)重聯(lián)牽引一輛事故電客車（超載狀態(tài)）回到車輛段內(nèi)（一列超載電客車按380t計(jì)算），平均速度約30km／h。

2 內(nèi)燃機(jī)車的參數(shù)與配置分析

為更好地利用內(nèi)燃機(jī)車，其需要的參數(shù)和配置選擇均要從地鐵運(yùn)用的實(shí)際工況出發(fā)，選擇最適合地鐵運(yùn)用的參數(shù)配置。下面從內(nèi)燃機(jī)車功率、發(fā)電機(jī)的配置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置及制動(dòng)距離、車鉤的配置、輪緣潤(rùn)滑器、充電發(fā)電機(jī)和蓄電池的大小、不落輪鏇床的接口、車載電臺(tái)接口等方面進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 內(nèi)燃機(jī)車功率的選擇

地鐵中使用的內(nèi)燃機(jī)車一般采用液力傳動(dòng)方式，所配置的柴油機(jī)一方面需驅(qū)動(dòng)液力變速箱，另一方面還要直接或間接驅(qū)動(dòng)許多的輔助裝置，如輔助發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、液壓泵、冷卻風(fēng)扇等。輔助裝置需要消耗柴油機(jī)功率的10%左右。液力傳動(dòng)的平均效率按0.82。

定義輪周牽引力F 在單位時(shí)間內(nèi)所做的功為機(jī)車的輪周功率Nk，則：

式中：

F——機(jī)車輪周牽引力（亦稱機(jī)車牽引力），N；

v——機(jī)車速度，km／h；

Nk——機(jī)車輪周功率（機(jī)車功率），kW。

設(shè)柴油機(jī)輸出的功率為Ne則有：

式中：

η1——驅(qū)動(dòng) 輔 助 裝 置 消 耗 功 率的 系 數(shù)，η1≈0.9；

η2——液力機(jī)械傳動(dòng)裝置效率，η2≈0.82。

車輛阻力的計(jì)算公式，根據(jù)TB／T 1407－1998《牽引計(jì)算規(guī)程》，客車的阻力按如下公式計(jì)算?？蛙嚮咀枇?/p>

機(jī)車基本阻力

坡道阻力

曲線段附加阻力

式中：

v——列車速度，km／h；

i——線路坡度；

R——線路曲線半徑，m。

根據(jù)以上公式計(jì)算地鐵中內(nèi)燃機(jī)車的3種運(yùn)用工況所需功率分別如下：①第一工況線路維護(hù)作業(yè)所需要功率為224kW；②第二工況車輛段段內(nèi)或車站內(nèi)調(diào)車所需要功率為298kW；③第三工況救援牽引所需要功率為373kW。為此，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)散熱所需輔助消耗功率，應(yīng)選擇功率為447kW（600 hp）的內(nèi)燃機(jī)車。

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)用工況粘著力情況，計(jì)算單臺(tái)447kW 內(nèi)燃機(jī)車牽引噸位如表2。

表2 單臺(tái)447kW 內(nèi)燃機(jī)車在不同坡道上的牽引噸位表

從牽引噸位表可以看出：對(duì)于6節(jié)編組車，采用單臺(tái)447kW 內(nèi)燃機(jī)車可以在車輛段內(nèi)調(diào)車，牽引230t的空載電客車時(shí)速度可到達(dá)40km／h左右（小于5‰坡道）。采用雙機(jī)救援時(shí)，在35‰坡道達(dá)到約12km／h的速度（單機(jī)牽引260t時(shí)速度約7km／h；雙機(jī)牽引的效率按0.9計(jì)算，故其速度為12.6km／h）。若正線救援牽引的平均坡道按10‰計(jì)算，救援的平均速度可以達(dá)到40km／h。單機(jī)牽引100t作業(yè)時(shí)，在5‰坡道上速度可達(dá)50km／h以上，平直線路上速度可達(dá)70km／h以上。

雙機(jī)重聯(lián)救援時(shí)，在35‰坡道上，可牽引520t（單機(jī)260t），速度達(dá)到7km／h，滿足牽引8節(jié)超載客車的要求。

綜上所述，選擇447kW 功率的內(nèi)燃機(jī)車完全滿足地鐵中內(nèi)燃機(jī)車的各種作業(yè)工況要求。

2.2 內(nèi)燃機(jī)車輔助發(fā)電機(jī)的配置

針對(duì)目前地鐵中內(nèi)燃機(jī)車使用要求及作業(yè)情況，需要通過(guò)內(nèi)燃機(jī)車為本車及外部交流設(shè)備提供電源，如空調(diào)、取暖器及外部隨車起重設(shè)備等。為此在供電設(shè)備上的選型上則需要充分考慮城市地鐵線路限界等綜合條件，以及用電設(shè)備的要求功率。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，447kW 內(nèi)燃機(jī)車配置40kW 發(fā)電機(jī)和1臺(tái)4.3kW 小發(fā)電機(jī)組，是能充分滿足地鐵線路使用及作業(yè)要求的。40kW 發(fā)電機(jī)應(yīng)由主發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)而不是單獨(dú)的配置40kW 發(fā)電機(jī)組。

下面從五方面來(lái)闡述配置40kW 發(fā)電機(jī)和1臺(tái)4.3kW 小發(fā)電機(jī)組配置的優(yōu)越性。

1）使用工況：行車的過(guò)程中，只需開(kāi)4.3kW的小發(fā)電機(jī)組，即可給車內(nèi)電器設(shè)備供電。若使用大功率的40kW 發(fā)電機(jī)組給車內(nèi)電器設(shè)備供電，顯然是一種浪費(fèi)。停車時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，既可以使用空調(diào)，也可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為其它作業(yè)設(shè)備（如電焊機(jī)、電動(dòng)工具、吊機(jī)等）提供電源；若發(fā)電機(jī)不采用主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單獨(dú)安裝40kW 發(fā)電機(jī)組的話，在行車過(guò)程中如果要使用空調(diào)，不但要起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，又要起動(dòng)40kW 發(fā)電機(jī)組，不但造成了大的浪費(fèi)，而且增大了整車噪聲。

2）安裝維修：內(nèi)燃機(jī)車下雖能夠安裝下單獨(dú)的40kW 發(fā)電機(jī)組，但是對(duì)于車底懸掛、傳動(dòng)、動(dòng)力單元的維護(hù)維修造成了很大的影響。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組占據(jù)了預(yù)留的檢修通道以及下部大部分空間，對(duì)維護(hù)檢修人員來(lái)說(shuō)是極大的不方便：第一，即使是在車庫(kù)有地坑的條件下，維護(hù)檢修人員雖能在地坑里檢修，但其作業(yè)空間已經(jīng)相當(dāng)狹窄；而且在狹窄的空間里作業(yè)，很容易造成受傷等安全事故。第二，車輛在正線作業(yè)時(shí)，一旦突發(fā)出現(xiàn)拋錨停機(jī)，作業(yè)人員想要爬入車下進(jìn)行故障排查幾乎是不可能的，因?yàn)楦揪蜎](méi)有空間讓維護(hù)檢修人員爬進(jìn)車底，除非將發(fā)電機(jī)組拆下。但在正線上這是不現(xiàn)實(shí)的。因此，空間的局限對(duì)于任何機(jī)械的檢修維護(hù)來(lái)說(shuō)，都是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。檢修的不便、時(shí)間的延長(zhǎng)都是一種極大的資源浪費(fèi)。第三、對(duì)于40kW 發(fā)電機(jī)組自身的檢修也同樣存在極大的不便，其發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)加水加油極不方便。而由主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)可以直接安裝在車上，維修方便。

3）維護(hù)成本：?jiǎn)为?dú)的40kW 發(fā)電機(jī)組的安裝增加了車輛的使用維護(hù)成本，增加了燃油的消耗，縮短主機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，增加了故障點(diǎn)；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)柴油濾芯、機(jī)油濾芯、空氣濾芯、皮帶等需經(jīng)常更換，并且在有限空間內(nèi)更換作業(yè)也極不方便。

4）排放標(biāo)準(zhǔn)：?jiǎn)为?dú)的40kW 發(fā)電機(jī)組增大了噪聲。當(dāng)車輛在隧道作業(yè)且空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與40kW 發(fā)電機(jī)組需要同時(shí)開(kāi)啟，噪聲將大大提高；另一方面，40kW 發(fā)電機(jī)組目前只能滿足歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于地鐵來(lái)說(shuō)，排放是否達(dá)標(biāo)也是重要的考核指標(biāo)之一。

5）目前國(guó)內(nèi)地鐵車輛使用情況：基本上都是采用40kW 發(fā)電機(jī)和4.3kW 小發(fā)電機(jī)組的成熟技術(shù)。雖然也有安裝40kW 發(fā)電機(jī)組的車輛，但卻嚴(yán)重影響到車輛的檢修。此外，使用國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組故障率較高，維護(hù)成本大幅增加；而采用國(guó)外進(jìn)口的發(fā)動(dòng)機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸更大，車輛剩余空間安裝不了，同樣也使維護(hù)成本大幅增加。

綜上所述，447kW 內(nèi)燃機(jī)車配置40kW 發(fā)電機(jī)和一臺(tái)4.3kW 小發(fā)電機(jī)組是成熟、可靠、低故障率、低維護(hù)成本、低碳環(huán)保的配置方案。

2.3 內(nèi)燃機(jī)車的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置及制動(dòng)距離

內(nèi)燃機(jī)車的基礎(chǔ)制動(dòng)建議采用單元制動(dòng)器的形式，每個(gè)車輪均設(shè)獨(dú)立作用式單元制動(dòng)器。單元制動(dòng)器分帶彈簧和不帶彈簧兩種。其中帶彈簧的單元制動(dòng)器可供停車時(shí)使用，起到停車制動(dòng)的作用。

不帶彈簧的單元制動(dòng)器主要包括制動(dòng)缸、制動(dòng)力放大機(jī)構(gòu)及單向間隙自動(dòng)調(diào)整器，它可以自動(dòng)補(bǔ)償閘瓦和車輪踏面磨耗產(chǎn)生的間隙。

帶彈簧的單元制動(dòng)器在不帶彈簧單元制動(dòng)器的基礎(chǔ)上增加了彈簧停車制動(dòng)器以及手動(dòng)緩解裝置。它具有失壓自動(dòng)制動(dòng)功能，一旦充氣壓力下降到一定值時(shí)，帶彈簧的單元踏面制動(dòng)器就能自動(dòng)工作，隨著充氣壓力的減少，加在閘瓦上的壓力越來(lái)越大，起到自動(dòng)制動(dòng)的作用。該單元制動(dòng)器可供停車制動(dòng)使用，通過(guò)操縱臺(tái)上的開(kāi)關(guān)控制緩解；在無(wú)空氣壓力供給時(shí)，可通過(guò)拉動(dòng)快速機(jī)械式手動(dòng)緩解裝置拉環(huán)，快速緩解。

單元制動(dòng)器輪瓦間隙調(diào)整器動(dòng)作準(zhǔn)確，性能可靠，可始終保持閘瓦與踏面之間的間隙為4～8mm。更換閘瓦時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)制動(dòng)器后端的六角螺母使制動(dòng)桿回縮，即可進(jìn)行閘瓦更換；施行一次制動(dòng)后即可使閘瓦與踏面之間的間隙自動(dòng)恢復(fù)為4～8mm。該單元踏面制動(dòng)器為全密封式結(jié)構(gòu)，可以防塵、防雨，且使用壽命長(zhǎng)。

機(jī)車停車制動(dòng)是利用彈簧作用力，并經(jīng)過(guò)放大后對(duì)輪對(duì)施加壓力，能保證機(jī)車停在35‰直坡道上而不致下滑。

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車，其制動(dòng)距離不要要求太嚴(yán)格，建議按GB 10082－2010《重型軌道車技術(shù)條件》中的要求：在平直道上，初速度80km／h 進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離小于400 m 。若制動(dòng)距離要求太高，則在軌面潮濕等狀態(tài)下實(shí)施緊急制動(dòng)，容易擦傷車輪。

2.4 車鉤的配置

車鉤是內(nèi)燃機(jī)車牽引用的主要部件，主要有2種方式：一種是安裝與地鐵車輛一樣的密接式車鉤，一種是安裝國(guó)鐵的13號(hào)緩沖車鉤。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的使用情況，為減少投資，建議安裝13號(hào)緩沖車鉤；每條線配標(biāo)2個(gè)過(guò)渡車鉤，以方便與電客車之間的連接。

2.5 輪緣潤(rùn)滑器

內(nèi)燃機(jī)車在曲線區(qū)段運(yùn)行時(shí)，輪緣磨耗快。為了減輕輪緣磨耗，一般建議在內(nèi)燃機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上加裝輪緣潤(rùn)滑器給輪緣進(jìn)行潤(rùn)滑，可使輪緣磨耗顯著減少。但是，由于輪緣潤(rùn)滑器種類繁多，結(jié)構(gòu)繁簡(jiǎn)不一，采用的材料有潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑等，常因輪緣潤(rùn)滑器保養(yǎng)或使用不當(dāng)使?jié)櫥瑒┝鞯脚c軌面接觸的踏面上，使粘著條件惡化而引起車輪空轉(zhuǎn)，影響內(nèi)燃機(jī)車牽引力的發(fā)揮。因此，建議地鐵及輕軌車輛選擇簡(jiǎn)單實(shí)用、安全可靠、成本低、無(wú)污染、不產(chǎn)生輪緣剝離等特點(diǎn)的干式潤(rùn)滑輪緣裝置。

2.6 充電發(fā)電機(jī)和蓄電池的大小

為保證蓄電池放電倍率高、免維護(hù)周期長(zhǎng)，應(yīng)采用免維護(hù)堿性蓄電池。為保證在使用過(guò)程中不出現(xiàn)蓄電池虧電現(xiàn)象，蓄電池和充電發(fā)電機(jī)的容量選擇至關(guān)重要。蓄電池容量和充電發(fā)電機(jī)功率計(jì)算如下。

直流部分負(fù)載清單：室內(nèi)照明負(fù)荷加上前照燈、尾燈、上照燈等的功率約200 W；前后司機(jī)室雨刮器（2副50 W）100 W；發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)用電384W；變速箱控制系統(tǒng)用電144 W；換擋控制器輸出用電144 W；PLC用電144 W；儀表及儀表燈用電（2A）48 W；電控閥、電磁閥等用電200 W；電臺(tái)用電約300 W；空調(diào)用控制電量約720 W。

以上在考慮了最大使用負(fù)載情況下的用電總功率為2 528 W，發(fā)電機(jī)容量為99.3A?？蛇x擇發(fā)電機(jī)容量為DC 24V，150A。

當(dāng)車輛不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)且不使用發(fā)電機(jī)組時(shí)，直流用電量按以上進(jìn)行計(jì)算，用電功率為800 W，電流為33.3A。選擇蓄電池4只（12V，200Ah，兩并兩串）的閥控密封式鉛酸蓄電池可放電6h。

2.7 不落輪鏇床的接口

為方便鏇輪，內(nèi)燃機(jī)車的軸箱結(jié)構(gòu)應(yīng)符合不落輪鏇床的接口要求，適合安裝鏇輪卡具。應(yīng)能在不需要任何拆卸的情況下，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的輪對(duì)進(jìn)行鏇削外廓操縱，并可對(duì)單個(gè)轉(zhuǎn)向架或單個(gè)輪對(duì)進(jìn)行鏇削外廓的操作。

2.8 車載電臺(tái)接口

為方便司機(jī)間的溝通，以及司機(jī)與調(diào)度直接溝通，內(nèi)燃機(jī)車應(yīng)安裝車載電臺(tái)。內(nèi)燃機(jī)車在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)為車載電臺(tái)的安裝預(yù)留接口，并設(shè)置必要的電源和安裝條件。

3 主要部件的檢修周期

內(nèi)燃機(jī)車的主要部件關(guān)系到整車的運(yùn)行安全。合理的檢修周期，有利于維護(hù)內(nèi)燃機(jī)車的性能，保持在下次相應(yīng)修程之前各部狀態(tài)性能良好，延長(zhǎng)車輛及零部件的使用壽命，減少臨修，提高車輛使用效率。

根據(jù)地鐵中內(nèi)燃機(jī)車和國(guó)鐵工務(wù)用軌道車的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用情況比較，檢修周期分為小修、項(xiàng)修、大修3個(gè)檢修周期。

內(nèi)燃機(jī)車的小修周期為6個(gè)月。小修是指對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、走行部及制動(dòng)系統(tǒng)部件進(jìn)行維護(hù)性維修工作。

項(xiàng)修是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的實(shí)際技術(shù)狀態(tài)，有針對(duì)性地對(duì)某些總成進(jìn)行修理和更換工作。

內(nèi)燃機(jī)車的大修周期為6～7年。大修是對(duì)內(nèi)燃機(jī)車全部總成徹底修理。局部改造和更換必要部件的修理工作可結(jié)合大修一并進(jìn)行。

初步確定內(nèi)燃機(jī)車主要部件的檢修周期如表3。

表3 主要部件的檢修周期

綜上所述，為更好地利用和運(yùn)用地鐵中的內(nèi)燃機(jī)車，應(yīng)在充分考慮其各種參數(shù)與地鐵實(shí)際條件，以及運(yùn)用工況的條件下，選擇合適的功率、參數(shù)和基本配置，以及與其它設(shè)備的接口條件，并定期的對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)檢修。

［1］GB／T 10082－2010 重型軌道車技術(shù)條件［S］.

［2］TB／T 1407－1998 列車牽引計(jì)算規(guī)程［S］.

［3］唐明輝，王健全，徐國(guó)梁.城市軌道交通列車編組形式與牽引電機(jī)的選擇［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2005（5）：51.