馬曉寧，李希寧，婁 超，韋蘇來，周鳴語，康亞慶

（1 南車株洲電力機車有限公司　技術(shù)中心，湖南株洲412001；2 南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇南京210002）

ZE R7型雙動力源地鐵工程車

馬曉寧1，李希寧1，婁 超1，韋蘇來2，周鳴語2，康亞慶2

（1 南車株洲電力機車有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001；2 南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇南京210002）

介紹了一種以內(nèi)燃和接觸網(wǎng)供電的雙動力源地鐵工程車的總體和電氣系統(tǒng)，包括設(shè)備布置、主要技術(shù)參數(shù)、主要部件及技術(shù)特點，重點對小功率內(nèi)燃發(fā)電機系統(tǒng)在電力工程車平臺上的集成技術(shù)予以了說明。

雙動力源地鐵工程車；內(nèi)燃；電力；平臺；集成

在國內(nèi)地鐵工程車領(lǐng)域，內(nèi)燃工程車占據(jù)了主要市場，同時也出現(xiàn)了電網(wǎng)+蓄電池電源形式的工程車。新車型在節(jié)能減排降噪等方面有很好的優(yōu)勢，但由于受蓄電池性能的影響，在環(huán)境溫度適應(yīng)性、持續(xù)工作時間和電池壽命等方面并不占優(yōu)，尚不能得到用戶的普遍接受。

以直流或交流電網(wǎng)和車載柴油發(fā)電機組供電的電力—內(nèi)燃雙動力源工程車在國內(nèi)尚無應(yīng)用報道，但在國外已經(jīng)投入運用。如加拿大Bo m bardier公司、西班牙IN G E T E A M公司都曾制造和銷售了電力—內(nèi)燃雙動力源機車。其結(jié)合了內(nèi)燃機和電網(wǎng)牽引的傳統(tǒng)優(yōu)勢，對線路和環(huán)境溫度的適應(yīng)性大幅增強。

ZE R7型地鐵工程維護(hù)車是借鑒南車株洲電力機車有限公司既有的工程車平臺的設(shè)計運用經(jīng)驗，開發(fā)的一款適用于D C 1500 V接觸網(wǎng)供電和車載柴油發(fā)電機組供電的新型四軸交流傳動雙動力源工程車。其中，接觸網(wǎng)供電作為工程車的主要牽引方式，柴油發(fā)電機組供電則作為備用牽引。相對內(nèi)燃工程車而言，可以大幅降低對柴油機的依賴性，提高電網(wǎng)的利用率。該車主要用于地鐵列車車輛的牽引、調(diào)車作業(yè)及網(wǎng)軌檢測車牽引、線路工務(wù)作業(yè)、接觸網(wǎng)新線熱滑等，能夠滿足國內(nèi)大多數(shù)地鐵工程車市場的需求。

1　工程車運用條件

2　工程車總體部分

2.1設(shè)備布置

工程車為單司機室和雙側(cè)外走廊結(jié)構(gòu)，整車分為車上設(shè)備布置和車下設(shè)備布置兩部分。車上設(shè)備依次為：空氣管路柜、司機室（頂置受電弓）、控制電源柜、低壓電器柜、輔助逆變柜、整流柜和柴油發(fā)電機組，車下設(shè)備為：壓縮機、線路電抗器、牽引逆變器、高壓電器柜、高速斷路器、制動電阻柜（2臺）和轉(zhuǎn)向架等。設(shè)備總體布置特點主要表現(xiàn)在：依托本公司ZE R3型電力工程車結(jié)構(gòu)平臺，同時兼顧傳統(tǒng)內(nèi)燃工程車的結(jié)構(gòu)特點；單司機室置于工程車一端，遠(yuǎn)離機組，可以有效降低司機室噪聲和振動，提高司乘人員舒適度；人行通道合理；柴油發(fā)電機組及其燃油箱為一體化結(jié)構(gòu)；車下設(shè)備多為高電壓、散熱量大、干擾性強的電氣部件，充分利用了車體的隔離、屏蔽作用。

整車設(shè)備布局合理，司機視野良好，設(shè)備安裝、操作及維護(hù)方便。工程車總體設(shè)備布置見圖1。

2.2總體參數(shù)

圖1　工程車總體設(shè)備布置

2.3牽引特性

工程車牽引特性曲線見圖2。

圖2　牽引特性曲線

輪周功率/k W

最高速度/（km·h-1）

起動牽引力/k N

2.4電制動特性

工程車電制動特性見圖3。

輪周電制動功率/k W

3　工程車電氣部分

3.1主傳動方式

工程車在接觸網(wǎng)供電時為直—交主傳動方式，在柴油發(fā)電機組供電時為交—直—交主傳動方式，如圖4。發(fā)電機組輸出電壓為三相AC690 V/60 H z，經(jīng)三相整流輸出的額定電壓為DC900V。牽引逆變器內(nèi)的兩組牽引模塊按照架控方式控制4臺牽引電機，工程車電制動能量可以反饋至接觸網(wǎng)或制動電阻及輔機系統(tǒng)。

圖3　電制動特性曲線

3.2輔助電路

工程車的輔助電源為三相AC380V/50Hz，輔助逆變器由接觸網(wǎng)或中間電路取電，可以向車內(nèi)、外負(fù)載供電。輔助電路還設(shè)計了庫內(nèi)三相AC380 V充電電路，可以滿足庫內(nèi)柴油機的低溫預(yù)熱及工程車控制蓄電池的充電。

圖4　主傳動電路結(jié)構(gòu)圖

3.3網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

工程車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，柴油機和發(fā)電機的實時參數(shù)由MRS16型機組控制器接收，經(jīng)RS485總線由RCM模塊讀取，并上傳至司機室網(wǎng)絡(luò)終端。如圖5。

圖5　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

4　工程車主要部件

4.1柴油發(fā)電機組4.2 整流器

整流器采用三相全波整流電路，主要參數(shù)如下：

4.3牽引逆變器

4.4牽引電機

5　工程車主要特點

電力—內(nèi)燃雙動力源工程車是在D C 1 500 V接觸網(wǎng)供電的交流傳動電力工程車的技術(shù)平臺上集成內(nèi)燃電傳動系統(tǒng)，且內(nèi)燃機組作為輔助和備用牽引電源。因此，該車型主要特點如下：

5.1柴油機組系統(tǒng)

柴油機組是集成在電力工程車平臺上的重要部件。柴油機與發(fā)電機采用單軸承結(jié)構(gòu)，總成后的機組經(jīng)彈性減振裝置安裝在共同的基座上，基座內(nèi)部設(shè)置了燃油箱；基座、油箱、電器柜與機組總裝后加裝靜音箱。其中，燃油箱設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，以防止燃油的泄漏；燃油箱與機組的一體化結(jié)構(gòu)可以消除分體時進(jìn)油管及回油管可能造成的泄漏，防止污染車上、車下電氣設(shè)備和線纜。

由于燃油箱沒有布置在工程車中央，需要考慮燃油質(zhì)量變動對整車質(zhì)量分配的影響；同時，由于燃油箱安裝在基座內(nèi)部，高度有限，為提高燃油的利用率，在燃油箱上部（靜音箱內(nèi)）增加了副油箱，柴油機的吸油口設(shè)置在副油箱內(nèi)。

機組的冷卻進(jìn)風(fēng)口設(shè)置如圖6所示，循環(huán)后的熱風(fēng)由排風(fēng)室頂部格柵排出，該方式可以消除工程車前、后方向運行時排風(fēng)背壓對機組功率的影響，同時，向上的排風(fēng)也可將機組排煙吹散，減少對站臺內(nèi)墻壁上廣告設(shè)施的污染。

圖6　柴油發(fā)電機組通風(fēng)示意圖

柴油機組的發(fā)電機輸出電源為三相AC 690 V，經(jīng)過三相整流后，額定工況下輸出DC 900 V電源，此值選擇在滿足牽引負(fù)荷功率需求同時，還考慮了空載輸出電壓值和柴油機組突然卸載時可能出現(xiàn)的瞬間較高電壓，從而使整流器輸出電壓抬高，對主電路造成不利影響。

柴油發(fā)電機組的恒速恒壓控制系統(tǒng)具備電源的自調(diào)節(jié)能力，以維持不同負(fù)載功率情況下的電源電壓和頻率恒定。對于中小功率的柴油機組，采用恒定中高轉(zhuǎn)速控制技術(shù)不僅成熟可靠，而且可以有效避免機組與工程車間發(fā)生共振現(xiàn)象。同時，相對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃電傳動控制方式，由于機組控制系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)解耦，使得電力工程車控制系統(tǒng)不必改變并可以兼容內(nèi)燃機組系統(tǒng)，簡化了此類電力—內(nèi)燃雙動力源工程車的控制方式。

5.2控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃電傳動工程車控制系統(tǒng)相比，本項目中，柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)（ECU和AVR）獨立于工程車牽引逆變器—牽引電機組成的負(fù)載調(diào)整控制系統(tǒng)（DCU）。由于考慮空間、本身質(zhì)量等因素，柴油發(fā)電機組的功率裕量不會很大，因此，在柴油機功率基本滿足負(fù)載需求時，柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)能否滿足工程車在牽引工況下的功率調(diào)整率的要求就至關(guān)重要。由于柴油機組功率輸出是對工程車負(fù)載需求的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且功率調(diào)整受油門調(diào)整時間影響，若負(fù)載增加過快，當(dāng)輸出功率無法滿足時，將可能導(dǎo)致柴油機熄火，尤其在柴油機組功率超過50%以后。因此需要適當(dāng)延長負(fù)載調(diào)整控制系統(tǒng)（DCU）的加載時間，降低功率調(diào)整率，使兩種控制系統(tǒng)有更好的匹配性。本項目通過降低負(fù)載調(diào)整控制系統(tǒng)（DCU）的加載調(diào)整率予以解決。工程車0至100%功率突加、減載試驗參數(shù)曲線見圖7，試驗中，將0至250 k W功率的加載時間設(shè)置為3 s。

圖7　柴油發(fā)電機組負(fù)載突變試驗

試驗中監(jiān)測柴油發(fā)電機組的輸出電源功率、電壓、電流和頻率。在0至100%功率突加過程中，在不到4 s的時間內(nèi)，機組輸出功率就達(dá)到了最大值，期間其他參數(shù)均有波動，但波動值均在牽引逆變器輸入值的允許范圍內(nèi)。機組滿載運行約24 s后，負(fù)載突降至0，機組響應(yīng)迅速，沒有出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。整個過程柴油機運行正常。

柴油發(fā)電機組配備了完善的檢測保護(hù)裝置，關(guān)鍵參數(shù)，如油壓、轉(zhuǎn)速、水溫、電壓等都設(shè)置一級報警值和停機保護(hù)值。機組的重要參數(shù)都通過總線傳輸至司機室終端，但機組不會通過總線發(fā)出工程車控制指令。

表1　基于代碼生成的邏輯控制矩陣

6　結(jié)束語

工程車組裝完成后，依據(jù)設(shè)計要求和電力機車、內(nèi)燃機車和柴油發(fā)電機組等的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制了ZE R7型雙動力源地鐵工程車的型式試驗和例行試驗大綱，并在廠內(nèi)和現(xiàn)場進(jìn)行了試驗和設(shè)計改進(jìn)。在重點關(guān)注的柴油發(fā)電機組牽引工況時的主要技術(shù)性能指標(biāo)方面，如噪聲、振動、網(wǎng)絡(luò)兼容性、電源調(diào)節(jié)能力與工程車負(fù)載調(diào)節(jié)匹配性等的試驗結(jié)果見表1：

各主要參數(shù)實測值均滿足設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求，整車也通過了型式試驗和例行試驗。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試運用，工程車雙電源工況轉(zhuǎn)換靈活，工作穩(wěn)定可靠；尤其是電力牽引，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃工程車，獲得了用戶認(rèn)可。

［1］ Georg zur Bonsen，等.用于北美的雙動力源機車［J］.國外內(nèi)燃機車，2010，414（6）：1-5，12.

［2］ 張書堂，王雙強.東風(fēng)4型機車司機室共振問題的研究［J］.內(nèi)燃機車，2002，339（5）：6-12，17.

［3］ 兌漢平.D F H（5）-G1型油電混合動力內(nèi)燃機車的研制［J］.內(nèi)燃機車，2013，472（6）14-17.

［4］ G B/T 3318-2006 電力機車制成后投入使用前的試驗方法［S］.

［5］ GB/T 3315-2006 內(nèi)燃機車制成后投入使用前的試驗方法［S］.

［6］ GB 5913-1986 柴油機車車內(nèi)設(shè)備機械振動烈度評定方法［S］.

ZE R7Double Energy Locomotive for the M etro

M A Xiaoning1，LI Xining1，L O U Chao1，W EI Sulai2，Z H O U Mingyu2，K ang Yaqing2
（1 Technical Center，CSR Zhuzhou Electric Loco m otive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 H unan，China；2 Nanjing M etro Group Co.，Ltd.，Nanjing 210002 Jiangsu，China）

This paper presents the generallayout and electrical systems of the diesel-electricity double energy metro engineering locomotive，including the equipmentlayout，the main technical data，the main assembly and the technical characteristics.Theintegrated technology of the low and medium power diesel generator set system is emphatically introduced based on the electric locomotive platform.

double energy metro engineering loco m otive；diesel；electricity；platform；integrated

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.19

1008-7842（2015）05-0083-04

運用與檢修

馬曉寧（1970—）男，教授級高級工程師（2015-05-13）