張森 劉世杰 何小威 陳雄偉 何妙
(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,湖南株洲 412001;2.中車株洲電力機(jī)車有限公司試驗檢測工程中心,湖南株洲 412001)
調(diào)車機(jī)車主要應(yīng)用于電氣化不連續(xù)的工廠、礦山、港口以及機(jī)務(wù)段、車輛段、編組場、長大隧道建設(shè)等完成調(diào)車、小運轉(zhuǎn)任務(wù)[1]。目前國內(nèi)調(diào)車機(jī)車可分為兩類,一種是以HXN3B和HXN5B為代表的傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車,主要用于國內(nèi)各機(jī)務(wù)段的調(diào)車及小運轉(zhuǎn)作業(yè),另一種是株機(jī)公司開發(fā)的ZER型系列電力雙源制工程車,主要用于地鐵車輛的調(diào)車作業(yè)。傳統(tǒng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車效率低、噪聲大,已經(jīng)越來越不能適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求。ZER型工程車盡管克服了內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的諸多不足,但功率較低,不能滿足國內(nèi)機(jī)務(wù)段編組調(diào)車及小運轉(zhuǎn)的需求。大功率雙源制電力調(diào)車機(jī)車采用電—電混合動力,具有功率大、效率高、噪聲低、零排放的優(yōu)點,可滿足國內(nèi)大多數(shù)機(jī)務(wù)段編組調(diào)車及小運轉(zhuǎn)的需求,具有廣闊市場潛力。
(1)大功率雙源制電力調(diào)車機(jī)車(以下簡稱調(diào)車機(jī)車)采用25kV受電弓與鋰電池雙源供電制式,站內(nèi)無網(wǎng)段可采用蓄電池作為牽引動力,有網(wǎng)區(qū)域可采用接觸網(wǎng)供電,并為牽引蓄電池充電。(2)牽引變流器采用主輔充一體設(shè)計。主電路采用3重二電平四象限整流器與3重VVVF逆變器模式,對每臺牽引電機(jī)可實現(xiàn)軸控,以更好發(fā)揮黏著。輔助逆變器和中間直流回路構(gòu)成并聯(lián),經(jīng)輔助變壓器降壓后為輔助負(fù)載供電。并中間直流回路完成對牽引蓄電池的充電。(3)調(diào)車機(jī)車采用基于DTECS平臺的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),采用模塊化和冗余設(shè)計,實現(xiàn)牽引控制、再生制動控制與邏輯控制等功能,并具有故障監(jiān)測、診斷、顯示與存儲等功能。(4)通過對比調(diào)車機(jī)車實際速度與控制速度,深度優(yōu)化調(diào)車機(jī)車牽引系統(tǒng)的控制策略和參數(shù)[2],在平直道路上調(diào)車機(jī)車能在速度范圍0.5km/h~1.5km/h內(nèi)低恒速運行,速度波動不大于設(shè)定速度的±0.1km/h。(5)調(diào)車機(jī)車具有有網(wǎng)無網(wǎng)自動切換功能,在通過有網(wǎng)區(qū)和無網(wǎng)區(qū)域時無需停車即可實現(xiàn)接觸網(wǎng)模式和牽引蓄電池供電模式的自動切換。(6)牽引蓄電池充電快,可在1h內(nèi)充滿,并且采用單體火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)和主動滅火系統(tǒng)進(jìn)行雙層保護(hù),可隨時查詢牽引蓄電池單體模組溫度與電流、電壓值,有效降低了火災(zāi)風(fēng)險。(7)調(diào)車機(jī)車應(yīng)用采用最新一代的CAB-B型標(biāo)準(zhǔn)化制動機(jī),極大地提高了調(diào)車機(jī)車的制動安全性、可操作性和維護(hù)性。
大功率雙源制電力調(diào)車機(jī)車主要用途為調(diào)車與小運轉(zhuǎn),主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。調(diào)車機(jī)車在有接觸網(wǎng)區(qū)段可采用接觸網(wǎng)供電,工作電壓范圍為AC 17.5kV~31kV,調(diào)車機(jī)車牽引特性曲線如圖1所示,再生制動特性曲線如圖2所示。
表1 調(diào)車機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)
圖1 牽引特性曲線
圖2 再生制動特性曲線
調(diào)車機(jī)車總體設(shè)備布局為2個司機(jī)室分布在調(diào)車機(jī)車兩端,機(jī)械間內(nèi)部設(shè)置中間走廊連接兩端司機(jī)室。為保證重量分布均勻,設(shè)備基本按照中心進(jìn)行對稱布置。
車頂設(shè)備主要為受電弓、高壓互感器、真空主斷路器、信號天線、登頂門以及制動電阻、空調(diào)等。車頂設(shè)備分布于司機(jī)室頂蓋以及機(jī)械間頂蓋上方。
兩個司機(jī)室分布在調(diào)車機(jī)車的兩端,司機(jī)操縱臺設(shè)計方便司機(jī)操作,符合人機(jī)工程要求,內(nèi)部裝飾應(yīng)用美學(xué)原理。司機(jī)室內(nèi)寬敞明亮,視野滿足GB5914.1-2000《機(jī)車司機(jī)室瞭望條件》要求。司機(jī)室頂部布置風(fēng)扇、司機(jī)室燈等設(shè)備;司機(jī)室后墻布置添乘座椅、司機(jī)室暖風(fēng)機(jī)、車長閥以及滅火器等;司機(jī)室前墻布置刮雨器、監(jiān)控顯示屏等。
機(jī)械間設(shè)備布置采用貫穿中間走廊的結(jié)構(gòu),設(shè)備基本按照調(diào)車機(jī)車中心進(jìn)行斜對稱分布,機(jī)械間設(shè)備布置如圖3所示。
圖3 機(jī)械間設(shè)備布置圖
車外設(shè)備主要包括前照燈、標(biāo)輔燈、重聯(lián)插座、供電插座、車鉤攝像頭以及后視攝像頭等,通過車鉤攝像頭和后視攝像頭司機(jī)可方便進(jìn)行連掛以及調(diào)車作業(yè)。
車下設(shè)備主要包括轉(zhuǎn)向架、主變壓器、高速斷路器、斬波電抗器、主風(fēng)缸、刮雨器水箱以及車載電子標(biāo)簽與信標(biāo)天線等。兩臺C0轉(zhuǎn)向架中心對稱分布,主變壓器位于調(diào)車機(jī)車中心正下方,兩個主風(fēng)缸分布在主變壓器兩側(cè)。
通風(fēng)系統(tǒng)的作用是對調(diào)車機(jī)車上需要進(jìn)行通風(fēng)冷卻的發(fā)熱電氣部件和機(jī)械間進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻,以保證其正常工作和運行。
(1)牽引風(fēng)機(jī)通風(fēng)支路的作用是對牽引電機(jī)進(jìn)行冷卻,降低牽引電機(jī)的溫升。調(diào)車機(jī)車配置2臺牽引風(fēng)機(jī)。(2)冷卻塔通風(fēng)支路的作用是冷卻來自牽引變流器的冷卻水和來自牽引變壓器的冷卻油。調(diào)車機(jī)車配置1臺冷卻塔。(3)輔助變壓器柜通風(fēng)支路的作用是是冷卻輔助變壓器和機(jī)械間,維持機(jī)械間正壓。調(diào)車機(jī)車配置一臺輔助變壓器柜。(4)壓縮機(jī)通風(fēng)支路的作用是對壓縮機(jī)散熱器進(jìn)行冷卻,調(diào)車機(jī)車設(shè)有2條壓縮機(jī)通風(fēng)支路。(5)機(jī)械間通風(fēng)支路的作用是降低機(jī)械間溫升,并使機(jī)械間保持正壓。車外空氣中的灰塵、雨雪等雜物在機(jī)械間正壓作用下難以進(jìn)入機(jī)械間內(nèi),為機(jī)械間設(shè)備提供適合的環(huán)境。
調(diào)車機(jī)車主電路系統(tǒng)可分為兩路:一路為由網(wǎng)側(cè)高壓電路、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)等組成的交流供電系統(tǒng);另一路為由牽引蓄電池、線路電抗器、牽引變流器、牽引電機(jī)等組成的直流供電系統(tǒng)。接觸網(wǎng)供電模式下,接觸網(wǎng)上AC25kV 50Hz交流電源由受電弓經(jīng)交流真空主斷路器接入牽引變壓器,原邊電流經(jīng)分布于轉(zhuǎn)向架軸端的接地裝置返回大地。牽引變壓器的6個次邊繞組分別向四象限整流器供電,經(jīng)中間直流電路以及牽引逆變器逆變分別向6個牽引電機(jī)供電。接觸網(wǎng)供電模式下亦可通過中間直流回路向牽引蓄電池斬波充電。牽引蓄電池供電模式下,由牽引蓄電池向中間直流回路供電,經(jīng)牽引逆變器逆變分別向6個牽引電機(jī)供電。
調(diào)車機(jī)車輔助電路電源來自牽引變流器內(nèi)部的輔助逆變器。2臺輔助逆變器中1臺輔助逆變器工作在變頻變壓模式,另一臺工作在恒頻恒壓模式。由輔逆輸出的電源經(jīng)輔助變壓器降壓與濾波電容濾波后向輔助設(shè)備供電。調(diào)車機(jī)車輔助電源采用冗余設(shè)計,當(dāng)一組輔助電源出現(xiàn)故障后,由系統(tǒng)重新配置另一組輔助電源進(jìn)行供電可保證調(diào)車機(jī)車的正常運行。
調(diào)車機(jī)車控制電路由電源模塊、監(jiān)控模塊以及保護(hù)裝置等組成。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基于成熟的DTECS平臺并采用分布式控制技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用列車級控制和車輛級控制,列車控制級采用絞線式列車總線WTB,車輛控制級采用多功能車輛總線MVB。調(diào)車機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有牽引與制動、順序、邏輯、主輔電路、定速、重聯(lián)、軸重轉(zhuǎn)移補償、故障診斷以及冗余控制等功能。主要由輸入輸出接口單元、中央處理單元、微機(jī)顯示屏等部件組成。
車體是調(diào)車機(jī)車所有設(shè)備的載體,除轉(zhuǎn)向架以外,其他設(shè)備都安裝在車體上;在調(diào)車機(jī)車運行過程中,車體除承受來自通過轉(zhuǎn)向架牽引裝置傳遞到車體的牽引力和制動力,還承受著各種沖擊和振動載荷的作用。車體的主要結(jié)構(gòu)和部件包括底架、司機(jī)室、側(cè)墻、車鉤與緩沖器、門、排障器、頂蓋等。
調(diào)車機(jī)車轉(zhuǎn)向架充分應(yīng)用HXD1C和埃塞俄比亞機(jī)車實際應(yīng)用經(jīng)驗和成熟技術(shù),保證調(diào)車機(jī)車運行的安全性、可靠性與舒適性以及良好的動力學(xué)的性能。調(diào)車機(jī)車采用兩臺C0轉(zhuǎn)向架,2臺轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)基本相同,主要包括輪對驅(qū)動裝置、構(gòu)架、牽引裝置、一系懸掛系統(tǒng)、二系懸掛系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動裝置、以及轉(zhuǎn)向架車載故障診斷裝置和附屬裝置等轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件。為滿足調(diào)車需求,轉(zhuǎn)向架下部限界設(shè)計符合GB146.1中車限-3的規(guī)定。
調(diào)車機(jī)車制動及供風(fēng)系統(tǒng)直接關(guān)系到調(diào)車機(jī)車的行車安全和可靠性,是調(diào)車機(jī)車最關(guān)鍵系統(tǒng)之一[3]。制動及供風(fēng)系統(tǒng)主要由總風(fēng)缸、管路、空氣過濾和干燥裝置、制動機(jī)系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動和輔助控制系統(tǒng)等組成;制動系統(tǒng)采用CAB-B型制動機(jī)平臺,制動機(jī)符合TJ/JW 100《分布式網(wǎng)絡(luò)智能模塊機(jī)車空氣制動系統(tǒng)暫行技術(shù)規(guī)范》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,具備列車自動制動、機(jī)車單獨制動、空電聯(lián)合制動、無火回送等功能。調(diào)車機(jī)車基礎(chǔ)制動裝置采用踏面制動。
大功率雙源制調(diào)車機(jī)車作為國內(nèi)首款采用25kV受電弓和牽引蓄電池供電的環(huán)保、節(jié)能電力調(diào)車機(jī)車,填補了國內(nèi)采用電-電混合大功率調(diào)車機(jī)車的空白,完善了國內(nèi)調(diào)車機(jī)車譜系,為國內(nèi)雙源制軌道交通產(chǎn)品的研究和發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。