孟玉發(fā), 何國福, 劉順國, 劉 耕
(中車資陽機(jī)車有限公司 研發(fā)部, 四川資陽 641301)
HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車是中車資陽機(jī)車有限公司于2013年承擔(dān)中國鐵路總公司科技研究開發(fā)項(xiàng)目《機(jī)車車輛前瞻性技術(shù)研究—2 000~2 500 kW混合動(dòng)力機(jī)車研制及雙燃料機(jī)車技術(shù)方案研究》而研制的2 200 kW 混合動(dòng)力交流傳動(dòng)調(diào)車機(jī)車,是功率大且技術(shù)處于領(lǐng)先水平的交流傳動(dòng)混合動(dòng)力機(jī)車。機(jī)車采用外走廊、底架承載式車體,C0-C0軸式,柴油機(jī)裝車功率1 250 kW,動(dòng)力電池裝車容量1 100 kW·h,中間直流環(huán)節(jié)小時(shí)功率為2 200 kW,機(jī)車最大運(yùn)行速度為100 km/h的交流傳動(dòng)混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車。HXN6 0001機(jī)車于2016年完成型式試驗(yàn)和研究性試驗(yàn),并于2017年1月在哈爾濱鐵路局開始運(yùn)用考核試驗(yàn)。HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車型式試驗(yàn)和運(yùn)用考核試驗(yàn)不僅驗(yàn)證機(jī)車是否滿足其技術(shù)條件要求和運(yùn)用的可靠性,而且更重要地是驗(yàn)證該型機(jī)車調(diào)車作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性,因此本文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該型機(jī)車的調(diào)車作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性進(jìn)行研究。
HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力分別通過高海拔、高溫和低溫試驗(yàn)和運(yùn)用考核試驗(yàn),具體試驗(yàn)如下:
表1 機(jī)車主要性能參數(shù)
(1) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車高海拔條件下小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗(yàn)
2016年某天在蘭州局的武威南-打柴溝,進(jìn)行高海拔的HXN6 0001機(jī)車小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗(yàn),同時(shí)驗(yàn)證該機(jī)車在長大隧道內(nèi)是否降功運(yùn)行。武威南-打柴溝區(qū)段,海拔從1 500 m持續(xù)升至2 500 m,坡道10‰至13‰之間,還有20 km長的長大隧道。HXN6 0001機(jī)車于當(dāng)天8:05從武威南出發(fā)時(shí)機(jī)車動(dòng)力電池容量SOC為95%,牽引1 000 t,機(jī)車全程輸出額定輪周牽引功率1 850 kW。于當(dāng)天9:26機(jī)車運(yùn)行到海拔2 250 m的柳家臺(tái)站,此時(shí)動(dòng)力電池容量SOC還剩余24%,HXN6 0001機(jī)車在此站讓車并等待發(fā)車指令時(shí),利用這個(gè)機(jī)會(huì)用車載柴油發(fā)電機(jī)組給動(dòng)力電池補(bǔ)充電能,直到當(dāng)天9:53分機(jī)車發(fā)車指令時(shí),動(dòng)力電池容量SOC達(dá)到50%,機(jī)車再次滿功率牽引,并順利且不降功通過20 km的長大隧道,于當(dāng)天10:35機(jī)車順利到達(dá)試驗(yàn)終點(diǎn)海拔2 500 m 的打柴溝,此時(shí)動(dòng)力電池容量SOC還剩余20%。此項(xiàng)試驗(yàn)表明HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車的續(xù)航能力完全能滿足高海拔地理環(huán)境小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)要求。
(2) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車高溫條件下小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗(yàn)
2016年夏季環(huán)境溫度約32℃,HXN6 0001機(jī)車在蘭新線瑪納斯—奎屯區(qū)間進(jìn)行了高溫條件下的小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)。機(jī)車牽引質(zhì)量1 940 t,運(yùn)行距離約108 km,機(jī)車出發(fā)時(shí)動(dòng)力電池容量SOC為90%,機(jī)車到達(dá)試驗(yàn)終點(diǎn)奎屯站時(shí)動(dòng)力電池容量SOC還剩余74%。此項(xiàng)試驗(yàn)表明HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車的續(xù)航能力完全能滿足高溫地理環(huán)境小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)。
(3) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車低溫條件下小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗(yàn)
HXN6 0001機(jī)車于1月6日23:00到達(dá)塔河站,并于1月7日2:30至8:30完成由塔河到加格達(dá)奇小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè),牽引噸位2 154 t,燃油消耗量970 dm3,走行里程260 km,整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的環(huán)境溫度為-27~-38℃,機(jī)車動(dòng)力電池容量SOC在塔河出發(fā)時(shí)為92%,到達(dá)加格達(dá)奇時(shí)為86%。此項(xiàng)試驗(yàn)表明HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車的續(xù)航能力完全能滿足低溫地理環(huán)境小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)要求。
(1) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比作業(yè)區(qū)段情況介紹
HXN6 0001機(jī)車執(zhí)行哈爾濱南站經(jīng)哈東站到綏化區(qū)段的小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)運(yùn)用考核試驗(yàn),哈爾濱南站至綏化區(qū)段共117 km,當(dāng)機(jī)車從哈爾濱南站向綏化執(zhí)行牽引時(shí),最大上行坡道為11.38‰,大部分坡道集中在3‰至6‰之間,累計(jì)總長約為29 km;最大下行坡道為7.55‰,大部分坡道集中在3‰至7‰之間,累計(jì)總長約為28 km。本區(qū)段的正常牽引機(jī)車以HXN5、DF4C型機(jī)車為主,DF4C型機(jī)車牽引定數(shù)不超過4 000 t,超過4 000 t 的編組只能用HXN5型機(jī)車牽引。HXN6 0001機(jī)車的牽引定數(shù)比照DF4C機(jī)車執(zhí)行。
(2) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比作業(yè)區(qū)段動(dòng)能提供方式
HXN6 0001機(jī)車在哈爾濱南站至綏化區(qū)段進(jìn)行小運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí),由于不具備地面電源充電條件,故由純?nèi)加蜑闄C(jī)車提供能源,機(jī)車待命時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組為動(dòng)力電池補(bǔ)充電能,機(jī)車牽引時(shí)柴油機(jī)優(yōu)先提供動(dòng)力,當(dāng)柴油機(jī)功率不能滿足要求時(shí),由動(dòng)力電池補(bǔ)充。
(3) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)經(jīng)濟(jì)性分析
HXN6 0001機(jī)車于2月23日到3月3日,9天共執(zhí)行17次哈爾濱南站到綏化的小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè),累計(jì)走行里程2 430 km,累計(jì)牽引噸位59 834 t,累計(jì)燃油消耗約11 850 dm3,平均每萬噸公里油耗為13.86 dm3。對(duì)比機(jī)車為HXN5 0200機(jī)車,在2月23日到2月28日共牽引8次,累計(jì)走行里程1 080 km,累計(jì)牽引噸位29 555 t,累計(jì)燃油消耗約9 400 dm3,平均每萬噸公里油耗為23.56 dm3;對(duì)比機(jī)車DF4C5135,在3月1日到3月3日共牽引3次,累計(jì)走行里程405 km,累計(jì)牽引噸位9 153 t,累計(jì)燃油消耗約3 250 dm3,平均每萬噸公里油耗為26.3 dm3。
因此,HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在執(zhí)行哈爾濱南站經(jīng)哈東站到綏化區(qū)段的小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)運(yùn)用考核期間,HXN6型機(jī)車比對(duì)比機(jī)車HXN5型機(jī)車節(jié)油41.17%,比對(duì)比機(jī)車DF4C型機(jī)車節(jié)油47.3%。
根據(jù)國家環(huán)保總局《關(guān)于排污費(fèi)征收核定有關(guān)工作的通知》(環(huán)發(fā)[2003]64號(hào))中有關(guān)排放污染物物料衡算的規(guī)定的計(jì)算方法,計(jì)算公式如下:
減少SO2的排放量:
GSO2=2×B×S
式中GSO2為SO2排放量,t;B為燃油降低量,t;S為燃油全硫分含量,%。
減少CO排放量:
GCO=2.33×B×C
式中GCO為CO排放量,t;B為燃油降低量,t;C為燃油中碳含量,%;Q為燃油燃燒不完全值,%。
減少NOX排放量:
GNOX=1.63×B×(N×β+0.000938)
式中GNOX為NOX排放量,t;B為燃油降低量,t;N為燃油中氮含量,%;β為燃油中氮的轉(zhuǎn)化率,%。
通過以上分析,同一型號(hào)機(jī)車,同一種燃油,GSO2、GCO、GNOX均與燃油消耗量成正比例,因此HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)時(shí),在同等作業(yè)條件下,HXN6型機(jī)車比對(duì)比機(jī)車HXN5型機(jī)車排放量降低41.17%,比對(duì)比機(jī)車DF4C型機(jī)車排放量降低47.3%。
HXN6 0001機(jī)車在哈爾濱南站進(jìn)行編組和推峰作業(yè)運(yùn)用考核,并與HXN5B和HXN3B進(jìn)行對(duì)比運(yùn)用。哈爾濱南站為一等站,按技術(shù)作業(yè)性質(zhì)劃分為編組站、按業(yè)務(wù)性質(zhì)劃分為貨運(yùn)站,擔(dān)負(fù)著黑龍江省、內(nèi)蒙古部分地區(qū)貨物列車的中轉(zhuǎn)工作。連接濱洲、濱北、濱綏、京哈、拉濱5條干線,擔(dān)負(fù)著這5個(gè)方向的重、空車改編及直通、直達(dá)列車的無調(diào)中轉(zhuǎn)任務(wù),是哈爾濱鐵路局管轄內(nèi)唯一的路網(wǎng)性編組站。
站場布局為雙向、縱列式3級(jí)6場,其中4場為上行編組場、2場為上行到達(dá)場。干線機(jī)車將貨物拉到2場之后,由2場的調(diào)車機(jī)車推至駝峰,經(jīng)過50‰的坡道將車輛溜放到4場。4場的主要任務(wù)是將上行到達(dá)場的解體貨物進(jìn)行編組,摘掛由2場解體之后溜放下的車輛使其組成一整列后,交到上行出發(fā)場由干線列車牽引出站。其中在峰頭作業(yè)的主要車型為HXN5B,而在峰尾作業(yè)的車型主要是HXN3B。
HXN6 0001機(jī)車在哈爾濱南站編組及推峰作業(yè)時(shí)不具備地面電源充電條件,故由純?nèi)加蜑闄C(jī)車提供能源,機(jī)車待命時(shí)柴油機(jī)停機(jī),機(jī)車牽引時(shí)由純電池提供動(dòng)力,當(dāng)動(dòng)力電池容量SOC低于40%時(shí),機(jī)車自動(dòng)起動(dòng)柴油機(jī),柴油機(jī)工作在720 r/min的經(jīng)濟(jì)區(qū)域?yàn)閯?dòng)力電池補(bǔ)電,當(dāng)SOC達(dá)到70%時(shí),柴油機(jī)自動(dòng)停機(jī)。
(1) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車調(diào)車編組作業(yè)適應(yīng)性研究
HXN6 0001機(jī)車于2月20日至6月17日,在哈爾濱哈南站4場—6場,進(jìn)行了編組作業(yè)工況考核,共計(jì)換算走行17 853 km,累計(jì)編組作業(yè)690 h,累計(jì)牽引噸位4 727 336 t,順利完成在哈爾濱鐵路局的編組作業(yè)運(yùn)用考核試驗(yàn)。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證HXN6 0001機(jī)車編組作業(yè)適應(yīng)性要求,2017年6月27日中國鐵路總公司運(yùn)輸局機(jī)務(wù)部在哈爾濱機(jī)務(wù)段組織了機(jī)車半年運(yùn)用考核情況座談會(huì)。小運(yùn)轉(zhuǎn)、推峰和調(diào)車編組作業(yè)全部均達(dá)到滿意的效果,因擔(dān)心2 200 kW 的HXN6 0001機(jī)車相比3 300 kW (4 400 HP)的HXN3B和HXN5B型機(jī)車,其功率偏小,只有一項(xiàng)最困難的作業(yè)工況,即哈南站2場牽引6 000 t從峰下上行到達(dá)駝峰的極限工況沒有組織試驗(yàn)。為全面驗(yàn)證HXN6 0001機(jī)車編組作業(yè)適應(yīng)性,哈爾濱機(jī)務(wù)段于2017年6月29日在哈南站2場安排了HXN6 0001機(jī)車牽引6 025 t 上行到達(dá)駝峰的牽引試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果完全滿足作業(yè)要求。具體試驗(yàn)情況如下:
哈爾濱鐵路局哈南站2場的上行到達(dá)駝峰牽引為逆向駝峰牽引,二場的駝峰也是哈南站坡度最大的駝峰。其駝峰縱斷面圖如圖1。
圖1 駝峰縱斷面圖
6月29日上午12:00,HXN6 0001號(hào)機(jī)車在哈南站二場進(jìn)行調(diào)車牽引作業(yè),車次42002,該車次牽引6 025 t 從4場02道經(jīng)由3.2‰的道岔區(qū),進(jìn)入16.7‰的中間坡和50‰的加速坡逆向上到達(dá)坡頂,再進(jìn)入駝峰2場08道。該次作業(yè)用時(shí)8 min,機(jī)車通過坡頂用時(shí)約2 min,坡頂通過速度為15 km/h。HXN6 0001號(hào)機(jī)車牽引試驗(yàn)的速度曲線和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線分別如圖2和圖3所示。
圖2 HXN6型機(jī)車速度曲線
圖3 HXN6型機(jī)車柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線
此次作業(yè)司機(jī)控制器手柄到達(dá)2檔位時(shí)機(jī)車啟動(dòng),司機(jī)控制器手柄逐步提升,1′30″后司機(jī)控制器手柄到達(dá)8檔位,此時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min,機(jī)車速度為11 km/h,此時(shí)進(jìn)入道岔區(qū)。20 s之后,機(jī)車速度14 km/h進(jìn)入50‰的坡道,20 s之后機(jī)車以15 km/h速度駛出50‰坡道。
HXN6 0001機(jī)車此次作業(yè)為哈南站調(diào)車作業(yè)最嚴(yán)酷的工況,牽引噸位為哈南站二場駝峰調(diào)車的極限噸位,2場駝峰調(diào)車HXN5B在此處牽引過5 000 t多,一般情況下司機(jī)控制器手柄6檔位通過峰頂,通過速度同樣為15 km/h左右,此區(qū)間限速20 km/h, HXN6機(jī)車牽引6 025 t,與HXN5B機(jī)車相同的速度和相同的時(shí)間完成調(diào)車牽引作業(yè)。
因此,通過HXN6 0001機(jī)車在哈爾濱鐵路局的編組作業(yè)試驗(yàn)證明,HXN6型機(jī)車完全滿足大型編組站調(diào)車編組作業(yè)要求。
(2) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車調(diào)車編組作業(yè)經(jīng)濟(jì)性研究
HXN6 0001機(jī)車從2月20日至6月17日在哈爾濱哈南站4場—6場,進(jìn)行了編組作業(yè)工況考核,累計(jì)牽引噸位4 727 336 t,累計(jì)燃油消耗40 700 dm3,平均油耗為86.095 dm3/(萬t·km)。對(duì)比車型為HXN3B 0102號(hào)機(jī)車,在同一考核期間累計(jì)牽引4 982 416 t,燃油消耗約61 200 dm3,平均油耗為122.832 dm3/(萬t·km)。因此,HXN6 0001機(jī)車在4場調(diào)車編組作業(yè)期間,HXN6相比HXN3B節(jié)油率為29.91%。
(3) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車調(diào)車編組作業(yè)環(huán)保性研究
① HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在哈爾濱哈南站進(jìn)行調(diào)車編組作業(yè)時(shí),柴油機(jī)工作時(shí)間曲線與對(duì)比HXN3B 0102機(jī)車相比如圖4所示, HXN6柴油機(jī)工作時(shí)間約占機(jī)車工作一天的五分之一時(shí)間,相比HXN3B全天柴油機(jī)不停(回庫整備除外),可減少柴油機(jī)噪聲的80%的時(shí)間。
圖4 HXN6 0001與HXN3B 0102曲線對(duì)比圖
② 由于GSO2、GCO、GNOX均與燃油消耗量成正比例,因此HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車調(diào)車編組作業(yè)時(shí),在同等作業(yè)條件下,HXN6型機(jī)車比對(duì)比機(jī)車HXN3B型機(jī)車排放量降低29.91%。
(1) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車推峰作業(yè)適應(yīng)性研究
HXN6 0001機(jī)車從3月23日至4月11日在哈爾濱南站2場推峰解體作業(yè)19天,推峰解體作業(yè)582次,累計(jì)牽引1 732 503 t,累計(jì)作業(yè)時(shí)間378 h,累計(jì)調(diào)車換算走行里程7 738 km,已經(jīng)滿足運(yùn)用考核大綱要求不小于300 h,完全滿足大型編組場推峰作業(yè)要求。
(2) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車推峰作業(yè)經(jīng)濟(jì)性研究
HXN6 0001機(jī)車從3月23日至4月11日在哈爾濱南站2場推峰解體作業(yè),累計(jì)牽引1 732 503 t,累計(jì)燃油消耗10 650 dm3,平均油耗為61.47 dm3/(萬t·km)。對(duì)比車為HXN5B 0092號(hào)機(jī)車,期間累計(jì)牽引2 141 027 t,累計(jì)燃油消耗約17 400 dm3,平均油耗為81.27 dm3/(萬t·km)。因此,在同等條件下推峰作業(yè),HXN6型機(jī)車相比HXN5B型機(jī)車節(jié)油率約24.36%。
(3) HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車推峰作業(yè)環(huán)保性研究
① HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在哈爾濱哈南站進(jìn)行調(diào)車推峰作業(yè)時(shí),柴油機(jī)工作時(shí)間曲線與HXN5B 0092 機(jī)車相比如圖5所示,HXN6柴油機(jī)工作時(shí)間約占機(jī)車工作一天的四分之一時(shí)間,相比HXN3B全天柴油機(jī)不停(回庫整備除外),可減少柴油機(jī)噪聲的75%的時(shí)間。
圖5 HXN6 0001與HXN5B 0092曲線對(duì)比圖
② 由于GSO2、GCO、GNOX均與燃油消耗量成正比例,因此HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車調(diào)車推峰作業(yè)時(shí),在同等作業(yè)條件下,HXN6型機(jī)車比對(duì)比機(jī)車HXN5B型機(jī)車排放量降低24.36%。
HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在型式試驗(yàn)和運(yùn)用考核試驗(yàn)期間表現(xiàn)出了質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能降噪效果突出,機(jī)車性能完全滿足小運(yùn)轉(zhuǎn)牽引作業(yè)和調(diào)車作業(yè)要求。后期將進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)控制程序,希望使柴油機(jī)工作時(shí)間更短,并使HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車在由純?nèi)加吞峁﹦?dòng)力的條件下燃油節(jié)油率提高到40~50%,以使HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性得到極大提升。
[1] 哈爾濱鐵路局哈爾濱機(jī)務(wù)段,中資陽機(jī)車有限公司.HXN6型混合動(dòng)力調(diào)車機(jī)運(yùn)用考核月度簡報(bào)[Z].2017-03-06.
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