涂建軍

(中車蘭州機(jī)車有限公司, 甘肅 蘭州　730050)

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變頻牽引技術(shù)在鋁液抬包軌道運(yùn)輸車中的應(yīng)用①

涂建軍

(中車蘭州機(jī)車有限公司, 甘肅 蘭州730050)

介紹了LY30型交流變頻調(diào)速鋁液抬包軌道運(yùn)輸車的工作環(huán)境、主要技術(shù)參數(shù)，變頻技術(shù)及電器系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用。LY30型交流變頻調(diào)速鋁液抬包軌道運(yùn)輸車通過(guò)了試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用考核，其性能滿足用戶的要求。

變頻調(diào)速； 鋁液抬包； 軌道運(yùn)輸

1　鋁液軌道運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)綜述

1.1機(jī)車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

LY30型機(jī)車由車架總成、走行部、蓄電池箱、電氣系統(tǒng)、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和CH200型自動(dòng)車鉤等組成，機(jī)車總體布置如圖1所示。

電機(jī)車由主電路采用免維護(hù)蓄電池供應(yīng)直流電，經(jīng)牽引變頻器轉(zhuǎn)換成電壓與頻率可調(diào)的三相交流電，供2臺(tái)交流鼠籠式感應(yīng)牽引電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)與車軸齒輪減速箱連接，動(dòng)力經(jīng)過(guò)二級(jí)齒輪減速后傳遞到車軸上，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)車行走。

車架采用框架式鋼板、型鋼焊接結(jié)構(gòu)，車架上面從前至后安裝司機(jī)室、電氣間、蓄電池箱和空壓機(jī)室。司機(jī)室內(nèi)設(shè)有電控柜與操縱臺(tái)，操縱臺(tái)上安裝司機(jī)控制器、空氣制動(dòng)單獨(dú)操縱閥、操縱按鈕開(kāi)關(guān)、儀表和信號(hào)顯示等裝置。司機(jī)室前方和兩側(cè)均設(shè)有玻璃窗(貼膜處理),視野開(kāi)闊，便于瞭望。

電機(jī)車走行部采用無(wú)轉(zhuǎn)向架的二軸型式，軸箱定位采用人字形橡膠彈簧。

電機(jī)車設(shè)電制動(dòng)、空氣制動(dòng)和手制動(dòng)三種制動(dòng)形式。電制動(dòng)為輕載運(yùn)行時(shí)的常規(guī)制動(dòng)；空氣制動(dòng)為給風(fēng)制動(dòng)，作為重載運(yùn)行時(shí)的常規(guī)制動(dòng)使用；手制動(dòng)為停車制動(dòng)，防止溜車?；A(chǔ)制動(dòng)裝置采取雙側(cè)閘瓦制動(dòng)，配兩套空壓機(jī)組。整備時(shí)雙機(jī)充風(fēng)，縮短打壓時(shí)間，運(yùn)行時(shí)單套空壓機(jī)組工作。

電機(jī)車兩端裝有CH200型車鉤，用于電機(jī)車和抬包平車的連接，同時(shí)傳遞機(jī)車牽引力以及來(lái)自車輛的制動(dòng)沖擊力。 同時(shí)安裝安全鏈，防止車鉤意外脫鉤或車鉤斷裂而造成的安全事故，提高運(yùn)輸車的運(yùn)行安全性。

1.2抬包平車布置簡(jiǎn)介

抬包平車由車架、走行輪對(duì)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和CH200型自動(dòng)車鉤組成。車架上有抬包裝載座，限制抬包在運(yùn)行中的移動(dòng)；裝載座內(nèi)有隔熱墊，隔斷抬包與車架之間的熱傳遞。抬包平車輪對(duì)、基礎(chǔ)制動(dòng)閘瓦桿系懸掛點(diǎn)和鉤緩連接處采取絕緣處理，保證抬包平車車軸間、車與車之間的絕緣。平車制動(dòng)為給風(fēng)制動(dòng)，與電機(jī)車同步，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采取雙側(cè)閘瓦制動(dòng)。

1.3鋁液軌道運(yùn)輸車編組方式

鋁液抬包軌道運(yùn)輸車由一輛機(jī)車和四輛抬包平車組成，最后一輛抬包平車設(shè)有調(diào)車員站位臺(tái)。圖2為機(jī)車與抬包平車編組圖。

2　軌道運(yùn)輸車的特性

2.1機(jī)車工作環(huán)境

2.1.1環(huán)境空氣

環(huán)境空氣中含有氧化鋁粉塵、氟化鋁粉塵、電解質(zhì)粉塵、炭粒粉塵、氟化氫氣體、瀝青煙等有害物質(zhì)。

1.司機(jī)室；2.電氣間；3.蓄電池箱；4.牽引電機(jī)及走形部；5.輪對(duì)；6.空壓機(jī)室圖1　機(jī)車總體布置

2.1.2環(huán)境溫度

電解車間通道空氣溫度通常不超過(guò)50 ℃，極端情況不大于65 ℃。電解車間室外歷史記錄最低溫度為-31.6 ℃。

2.1.3電磁場(chǎng)

電流強(qiáng)度 ：500 kA；

最大磁場(chǎng)：500 Gs。

2.1.4介質(zhì)溫度

電解質(zhì)或鋁液溫度 ：940～970℃；

通常抬包表面本體溫度：≈150℃(最高溫度不超過(guò)250℃)。

2.1.5線路條件

坡度：平坡；

軌距：標(biāo)準(zhǔn)軌距1435 mm(曲線地段加寬10 mm)；

道床形式：整體道床和碎石道床；

鋼軌型號(hào)：50 kg/m；

道岔型號(hào)：7#單開(kāi)道岔。

2.2主要技術(shù)參數(shù)

2.2.1機(jī)車

整備質(zhì)量：≤30 t；

牽引電機(jī)功率：75 kW×2；

傳動(dòng)形式：DC-AC；

控制方式：微機(jī)控制；

持續(xù)速度：12 km/h；

最高速度：25 km/h；

起動(dòng)牽引力：67 kN；

持續(xù)牽引力：39.4 kN；

車輪:Φ840 mm輾鋼整體車輪；

軌距:1435 mm；

軸距:2600 mm；

軸重：≤15 t；

鉤緩裝置:CH200型自動(dòng)車鉤；

制動(dòng)方式：電制動(dòng)、空氣制動(dòng)和手制動(dòng)；

最小通過(guò)曲線半徑：30 m(通過(guò)速度6 km/h)；

車鉤中心高(距軌面):600±10 mm；

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：

6230 mm×2500 mm×2800 mm。

2.2.2抬包平車

輪徑:840 mm；

軌距: 1435 mm；

軸距:2400 mm；

軸重：不大于21 t；

車鉤中心高(距軌面):600 mm；

鉤緩:CH200型車鉤；

平車外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：

5270 mm×3050 mm×1000 mm(不包括裝載座高度，鋁液抬包裝載座高度為200 mm)。

2.3機(jī)車電氣系統(tǒng)

2.3.1電氣系統(tǒng)

電機(jī)車的電氣系統(tǒng)由主回路、控制回路及輔助回路三部分組成。

(1)主回路由蓄電池組、直流斷路器、牽引變頻器、制動(dòng)單元、三相交流異步牽引電動(dòng)機(jī)等組成。

電機(jī)車整備狀態(tài)時(shí)，蓄電池電流經(jīng)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)給變頻器濾波電容充電。在一定的控制方式下，變頻器將直流電逆變成三相交流電。電機(jī)車牽引采用兩臺(tái)三相交流異步牽引電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電機(jī)車處于牽引狀態(tài)時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)電機(jī)車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

(2)控制回路由司控器、變頻器控制器等組成。主令電器由司控器、按鈕開(kāi)關(guān)、斷路器等組成，由司機(jī)給出方向指令和控制指令，通過(guò)變頻器和驅(qū)動(dòng)器的通斷進(jìn)行調(diào)壓、調(diào)頻，控制牽引電動(dòng)機(jī)使其輸出滿足電機(jī)車牽引性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

電機(jī)車控制系統(tǒng)主要功能有：主電路的通斷、牽引(前進(jìn)、后退)控制、緊急制動(dòng)及保護(hù)功能、制動(dòng)能量反饋及耗散功能等。

(3)輔助回路包括空壓機(jī)組控制電路、照明電路、車載空調(diào)和監(jiān)視器電源等。

空壓機(jī)組控制電路，采用壓力繼電器控制空壓機(jī)變頻器在規(guī)定壓力范圍內(nèi)啟動(dòng)或停止，同時(shí)設(shè)置空壓機(jī)組手動(dòng)開(kāi)關(guān)。在電機(jī)車整備時(shí)，空壓機(jī)組雙機(jī)工作，縮短總風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)間；當(dāng)電機(jī)車運(yùn)行時(shí)，空壓機(jī)組單機(jī)工作?？傦L(fēng)缸壓力始終保持在450～800 kPa的范圍內(nèi)，當(dāng)壓力低于450 kPa時(shí)空壓機(jī)組電機(jī)啟動(dòng)，達(dá)到800 kPa定壓時(shí)空壓機(jī)組停止工作。

電機(jī)車司機(jī)室安裝頂置式車載冷暖型空調(diào)，滿足500 Gs磁場(chǎng)環(huán)境、+50 ℃環(huán)境溫度及空氣中含有腐蝕性氣體-氟化氫和粉塵等有害物質(zhì)的特殊使用要求。

鋁液軌道運(yùn)輸車頂部安裝監(jiān)控?cái)z像頭，電機(jī)車司機(jī)室安裝監(jiān)視器，實(shí)現(xiàn)司乘人員在推送作業(yè)時(shí)(倒行)的輔助瞭望。同時(shí)配備聲光報(bào)警裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行安全警示。

隨機(jī)配備無(wú)線對(duì)講裝置及車載臺(tái)，用于司乘人員、作業(yè)人員、股道自動(dòng)化控制中心之間的相互聯(lián)系。

2.3.2變頻調(diào)速器

變頻器選用丹佛斯變頻器，該變頻器結(jié)構(gòu)采用功率器件與主板控制器件分離結(jié)構(gòu)，IGBT功率器件與主板安裝于兩個(gè)防護(hù)箱中，IGBT功率器件與主板驅(qū)動(dòng)回路間采用光電隔離控制，IGBT功率器件與主板間完全物理隔離；整車儀表全部采用數(shù)字儀表。

選用DC/DC隔離電源變換器，IGBT功率器件電源與控制主板電源分別由不同的DC/DC隔離電源變換器供電，這樣就使得功率器件與控制主板間完全物理隔離，相互沒(méi)有影響。

變頻器外部做防磁處理，采用鎳合金材料做磁屏蔽防護(hù)層，二層防護(hù)，二層之間采用空氣隔離方式。磁屏蔽防護(hù)層為橢圓形環(huán)形結(jié)構(gòu)，對(duì)接處采用連續(xù)焊接，避免出現(xiàn)漏磁。在磁屏蔽設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證提供低磁阻路徑的屏蔽體形，本設(shè)計(jì)采用橢圓桶狀的“最低磁阻路徑”設(shè)計(jì)，避免磁力線旋轉(zhuǎn)90°。

2.3.3牽引電動(dòng)機(jī)

牽引電機(jī)為75kW交流鼠籠式感應(yīng)牽引電動(dòng)機(jī)，具有調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)、范圍寬廣和輸出特性硬、精度高、應(yīng)用效率高、調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗等特點(diǎn)。牽引電動(dòng)機(jī)還具有自然防空轉(zhuǎn)性能，瞬時(shí)耐電壓和過(guò)電流特性強(qiáng)，在起動(dòng)過(guò)程中可較長(zhǎng)時(shí)間輸出很大的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)車具有良好的加速性能。

牽引電動(dòng)機(jī)考慮到電解車間空氣中含有腐蝕性氣體-氟化氫和粉塵等有害物質(zhì)的特殊使用要求，采用全封閉結(jié)構(gòu)、自然冷卻方式，防護(hù)等級(jí)IP55。

為提高牽引電動(dòng)機(jī)工作可靠性和使用壽命，絕緣等級(jí)提高至F級(jí)，電磁線及絕緣材料的選擇等級(jí)高，電磁線的耐電壓沖擊能力強(qiáng)，允許的最高工作溫度可達(dá)155 ℃，牽引電動(dòng)機(jī)的允許溫升及散熱形式等可滿足電解車間特殊環(huán)境溫度的使用要求。

2.3.4視頻監(jiān)控系統(tǒng)

攝像頭安裝在司機(jī)室頂部和站位臺(tái)頂部，攝像頭材料采用能防磁場(chǎng)、氟化氫氣體的玻璃，監(jiān)視器采用液晶顯示方式，殼體具有磁場(chǎng)防護(hù)能力。攝像頭與液晶監(jiān)視器之間傳輸采用同軸屏蔽電纜，外部鋼管防護(hù)。鋁液運(yùn)輸車之間采用電磁屏蔽航空插頭、插座連接。

監(jiān)視器系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，鏡頭涂PVC膜，耐酸性氣體的腐蝕。通過(guò)前進(jìn)/倒退手柄及操作面板上開(kāi)關(guān)切換可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車頭尾視頻轉(zhuǎn)換，方便司機(jī)觀察周圍環(huán)境，保證行車安全。視頻監(jiān)控系統(tǒng)上電后，錄像盒即開(kāi)始記錄視頻信息，并保存到存儲(chǔ)卡中，需要觀看錄像內(nèi)容時(shí)取出錄像盒中存儲(chǔ)卡即可，存儲(chǔ)卡可記錄不少于3天的視頻內(nèi)容，存滿后會(huì)自動(dòng)覆蓋最早的視頻內(nèi)容，始終保存最近幾天的視頻信息。

2.4關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.4.1電氣系統(tǒng)的磁場(chǎng)防護(hù)

電機(jī)車能夠在電解車間500 Gs磁場(chǎng)環(huán)境中正常使用，其設(shè)備可靠性、安全性符合運(yùn)輸作業(yè)的要求。

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)：控制主板設(shè)計(jì)中提高主板電磁兼容的等級(jí)，增加相關(guān)的濾波電路內(nèi)置直流電抗器、高頻濾波器、無(wú)線電濾波器，消除各通道的干擾雜波，提高控制主板的抗干擾能力；同時(shí)在輸出回路中加裝無(wú)源濾波器。

所有控制、信號(hào)電纜選用屏蔽電纜并充分考慮電解車間工作條件，通過(guò)使用屏蔽線和雙絞線達(dá)到提高噪音干擾的水平，避免由于干擾造成變頻器的誤動(dòng)作。線路具有抗高溫、耐腐蝕的性能。其他電氣線路避免和變頻器使用共同的接地線，且在接地時(shí)使二者盡可能分開(kāi)。

圖2　機(jī)車與抬包平車編組圖

磁場(chǎng)屏蔽：牽引變頻器柜體采用安全可靠材料二層1.2 mm厚Amumetal合金制作磁屏蔽防護(hù)層。磁屏蔽防護(hù)層為環(huán)形結(jié)構(gòu)，對(duì)接處采用連續(xù)焊接，避免出現(xiàn)漏磁。

控制柜中的空壓機(jī)變頻器、DC24V電源也進(jìn)行磁場(chǎng)防護(hù)，采用安全可靠材料制作磁屏蔽防護(hù)層。

磁屏蔽防護(hù)部位以外的電氣系統(tǒng)中不使用電磁繼電器。

2.4.2絕緣措施

鋁液軌道運(yùn)輸車在編組狀態(tài)時(shí)的全軸距(電機(jī)車的第一根軸到第四節(jié)抬包平車的最后一根軸)為23.9 m、小于2根鋼軌的連接長(zhǎng)度24 m，電機(jī)車與抬包平車之間連掛絕緣、抬包平車相互之間連掛絕緣，抬包平車兩根車軸之間絕緣，滿足鋁液軌道運(yùn)輸車不得跨接三根鋼軌的要求。絕緣方式：連接處加設(shè)絕緣墊板、螺栓絕緣套管和絕緣墊圈。

2.4.3具體工藝措施

電機(jī)車和抬包平車：鉤緩裝置與車架組成端板連接螺栓桿部加絕緣護(hù)套、結(jié)合端面加絕緣墊板，絕緣材料采用環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板、管或棒，材料強(qiáng)度及韌性應(yīng)能夠承受列車牽引和制動(dòng)的沖擊；電機(jī)車與抬包平車之間、抬包平車相互之間的空氣制動(dòng)管路連接采用液壓膠管，由此可保證電機(jī)車與抬包平車之間連掛絕緣、抬包平車相互之間連掛絕緣。圖3為鉤緩裝置和機(jī)車之間的絕緣示意圖。

抬包平車：走行部軸箱定位采用橡膠彈簧；制動(dòng)缸及制動(dòng)各桿件吊座與車架組成連接螺栓桿部加絕緣護(hù)套、結(jié)合端面加絕緣墊板，絕緣材料采用環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板、管或棒，由此可保證抬包平車兩根車軸之間絕緣。

1.CH200車鉤；2.螺栓；3.彈簧墊圈；4.車鉤座絕緣墊；5.螺栓絕緣套管；6.絕緣墊片；7.墊圈；8.螺母；9.車架圖3　鉤緩裝置和機(jī)車之間的絕緣示意圖

2.5機(jī)車性能

2.5.1牽引性能

鋁液軌道運(yùn)輸車運(yùn)輸作業(yè)分為空載運(yùn)行和滿載運(yùn)行兩種工況。自鑄鋁車間至電解車間運(yùn)行為空載工況，牽引噸位為100 t(4個(gè)抬包平車10 t×4+4個(gè)抬包15 t×4)；自電解車間至鑄鋁車間運(yùn)行為滿載工況，牽引噸位為160 t(4個(gè)抬包平車10t×4+4個(gè)抬包15 t×4+鋁液15 t×4)。根據(jù)用戶牽引噸位需求和線路條件情況，按照TB/T1407-1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》中有關(guān)電牽引機(jī)車方面的公式計(jì)算，并得出XK30型機(jī)車的牽引性能表和牽引噸位表，由下表中數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)車牽引性能可以滿足用戶的使用要求。

表1　牽引性能表

表2　牽引噸位

2.5.2制動(dòng)性能

XK30型電機(jī)車設(shè)電制動(dòng)、空氣制動(dòng)和手制動(dòng)三種制動(dòng)形式。電制動(dòng)為空載運(yùn)行時(shí)的常規(guī)制動(dòng)；空氣制動(dòng)為給風(fēng)制動(dòng)。

依據(jù)TB/T 1407-1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》中相關(guān)制動(dòng)距離的公式進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如下：

滿載運(yùn)輸狀態(tài)以12 km/h初始速度實(shí)施制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離為：12.59 m；

空載運(yùn)輸狀態(tài)以15 km/h初始速度實(shí)施制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離為：13.37 m；

空車運(yùn)輸狀態(tài)以15 km/h初始速度實(shí)施制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離為：25.55 m(電制動(dòng))；

加掛運(yùn)輸狀態(tài)以12 km/h初始速度實(shí)施制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離為：12.63 m。

(1)電阻制動(dòng)

機(jī)車在高速運(yùn)行過(guò)程中，牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速高于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢(shì)反向、電流反向、電動(dòng)轉(zhuǎn)矩反向，電動(dòng)轉(zhuǎn)矩(與阻力矩同向)起制動(dòng)作用，使電動(dòng)機(jī)減速。此時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)異步發(fā)電機(jī)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。泵升電壓首先在直流母線電壓上上升，在一定電壓范圍對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)電壓繼續(xù)升高，高于限定的值時(shí)，通過(guò)與直流回路濾波電容并聯(lián)的放電電阻，將這部分電能消耗掉，因此也稱再生能耗制動(dòng)。電阻制動(dòng)可以避免輪對(duì)抱死及減少閘瓦磨耗。

(2)空氣制動(dòng)

通過(guò)操縱臺(tái)上的JZ-7型單獨(dú)制動(dòng)閥可完成運(yùn)行過(guò)程中的列車制動(dòng)與列車緩解。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用考核表明，該制動(dòng)系統(tǒng)的性能可靠穩(wěn)定，可以與其配套的平車正常連掛運(yùn)用，額定速度單機(jī)制動(dòng)距離不超過(guò)10 m。

此外，試驗(yàn)表明，該機(jī)車手制動(dòng)裝置可以滿足在15‰坡道上停放機(jī)車的要求。

2.5.3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

2013年9月22日,第一列鋁液軌道運(yùn)輸車制造完畢,并送達(dá)電解鋁生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),按照提前制定的鋁液軌道運(yùn)輸車驗(yàn)收方案,進(jìn)行了嚴(yán)格的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驗(yàn)收,表3是實(shí)際作業(yè)環(huán)境中實(shí)測(cè)的牽引和制動(dòng)性能的主要驗(yàn)收數(shù)據(jù)。

表3　實(shí)測(cè)的牽引和制動(dòng)性能的主要驗(yàn)收數(shù)據(jù)

3　結(jié)束語(yǔ)

LY30型機(jī)車于2013年7月18日開(kāi)始交付用戶使用，該機(jī)車在全世界電解鋁行業(yè)的鋁液運(yùn)輸中第一次應(yīng)用，通過(guò)近一年多的運(yùn)用考核，運(yùn)用情況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和預(yù)期目標(biāo)。在運(yùn)用實(shí)踐中證明，該機(jī)車不僅提升和改善了電解鋁液運(yùn)輸行業(yè)中的運(yùn)輸方式，而且可以預(yù)見(jiàn)該機(jī)車將會(huì)受到電解鋁行業(yè)用戶的廣泛歡迎和認(rèn)可。

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2015-09-25

涂建軍(1971—)，男，高級(jí)工程師。E-mail:tjj2004@163.com

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