唐 培，劉 軍，李連凱

(中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心， 四川 資陽(yáng) 641300)

0 引言

接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)主要用于城市軌道接觸網(wǎng)架線、冷滑、檢修作業(yè)。在架線作業(yè)時(shí)，機(jī)車(chē)牽引平板車(chē)及線圈恒低速行走，方便工作人員架線作業(yè)。架線完成后，需要對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行冷滑檢查，此時(shí)接觸網(wǎng)不帶電，受電弓升起與接觸網(wǎng)接觸，作業(yè)車(chē)以最高60 km/h的速度運(yùn)行，檢查受電弓與接觸網(wǎng)的接觸狀態(tài)。城市軌道交通的快速發(fā)展及環(huán)保要求對(duì)接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)提出新的要求，目前接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)主要為內(nèi)燃液力傳動(dòng)[1-2]，其廢氣及噪音對(duì)施工人員危害嚴(yán)重，基于此，設(shè)計(jì)了一款新型環(huán)保性接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)，采用混合動(dòng)力以及新技術(shù)，改善了司乘及工作人員工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定距停車(chē)、坡道停車(chē)、零速鎖定、低恒速控制等功能。

1 機(jī)車(chē)方案

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

作業(yè)車(chē)采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池和柴油發(fā)電機(jī)組作為混合動(dòng)力源，電池裝電量300 kW·h，柴油發(fā)電機(jī)組裝車(chē)功率80 kW。機(jī)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 總體布置

機(jī)車(chē)總體布置(見(jiàn)圖1)，主要由司機(jī)室、車(chē)體、走行部、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、動(dòng)力電池、柴油發(fā)電機(jī)組和升降平臺(tái)組成。

表1 機(jī)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

1.3 司機(jī)室

司機(jī)室布置在車(chē)體的一端，司機(jī)室入口處布置有一扇門(mén)(見(jiàn)圖2)。室內(nèi)兩端分別布置有2個(gè)操縱臺(tái)，操縱臺(tái)互鎖以防止誤操作。機(jī)車(chē)主變頻器、輔助變頻器及充電機(jī)集成為一體，布置在操縱臺(tái)副司機(jī)位下方，整個(gè)司機(jī)室寬敞大方，室內(nèi)無(wú)其他任何電器柜體。整個(gè)變頻模塊共有8個(gè)冷卻風(fēng)扇，分為2個(gè)獨(dú)立區(qū)。2個(gè)獨(dú)立區(qū)分別從機(jī)車(chē)前臉和車(chē)下進(jìn)風(fēng)，從機(jī)車(chē)側(cè)墻排放。前臉進(jìn)風(fēng)口和側(cè)墻出風(fēng)口均采用45°斜角防雨及膠條防雨措施。為進(jìn)一步保證防水效果，風(fēng)道內(nèi)部?jī)H為散熱片，電氣元件在風(fēng)道上層通過(guò)散熱片進(jìn)行散熱。

1—受電弓；2—升降平臺(tái)；3—?jiǎng)恿瘢?—牽引電機(jī)；5—輪對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置；6—?jiǎng)恿﹄姵兀?—空壓機(jī)；8—主輔一體柜；9—工具柜；10—操縱臺(tái)1；11—空調(diào)外機(jī)；12—柴油發(fā)電機(jī)組；13—操縱臺(tái)2；14—添乘座椅。

圖2 司機(jī)室布置示意圖

1.4 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)組組成。動(dòng)力蓄電池懸掛于車(chē)架下方，柴油發(fā)電機(jī)組布置在車(chē)架上方。

動(dòng)力蓄電池為磷酸鐵鋰電池，采用雙支路，每支路由6箱電池串聯(lián)組成540 V/277 A·h電池組，單箱電池組由1并25串單體電池組成。為提高動(dòng)力電池安全度和可靠性，有必要增加動(dòng)力電池冗余保護(hù)[3]。動(dòng)力電池箱內(nèi)設(shè)置防爆、泄壓結(jié)構(gòu)，電池內(nèi)壓力達(dá)到一定壓力時(shí)，泄壓閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。除此之外，動(dòng)力電池系統(tǒng)還配置防火抑滅系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電池系統(tǒng)出現(xiàn)的煙霧及微火花情況并自動(dòng)噴發(fā)滅火裝置；操縱臺(tái)上布置有手動(dòng)滅火開(kāi)關(guān)，也可手動(dòng)噴發(fā)滅火裝置。

柴油發(fā)電機(jī)組為靜音式機(jī)組，機(jī)組功率為80 kW，自帶油底殼容積160 L。柴油發(fā)電機(jī)組上設(shè)置有“手動(dòng)-自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，當(dāng)置于“手動(dòng)位”時(shí)，柴油機(jī)只能通過(guò)手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)停。當(dāng)置于“自動(dòng)位”時(shí)，柴油機(jī)可根據(jù)機(jī)車(chē)工況及動(dòng)力電池狀態(tài)自動(dòng)啟停。

1.5 傳動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)車(chē)采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括牽引電機(jī)、萬(wàn)向軸和車(chē)軸齒輪箱(見(jiàn)圖3)。牽引電機(jī)采用防脫落結(jié)構(gòu)懸掛于車(chē)架下方，牽引電機(jī)安裝位置高。在接觸網(wǎng)施工階段，隧道內(nèi)可能存在一定的積水，抬高牽引電機(jī)安裝位置有利于機(jī)車(chē)涉水運(yùn)行。

1—牽引電機(jī)；2—萬(wàn)向軸；3—車(chē)軸齒輪箱。

由于接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)在架線作業(yè)時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行0～5 km/h的低恒速運(yùn)行，對(duì)車(chē)軸齒輪箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)要求非常嚴(yán)苛。本車(chē)車(chē)軸齒輪箱除了常規(guī)飛濺潤(rùn)滑以外，增加了強(qiáng)迫潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油通過(guò)三路，分別潤(rùn)滑車(chē)軸齒輪箱的各個(gè)部分，以滿足機(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行的需要。

1.6 電氣系統(tǒng)

機(jī)車(chē)主電路由動(dòng)力電池箱、柴油發(fā)電機(jī)組、牽引變流柜、高壓箱、2個(gè)牽引電機(jī)組成(見(jiàn)圖4)。動(dòng)力電池通過(guò)高壓箱向中間直流回路供電，并通過(guò)牽引逆變器向牽引電機(jī)供電，控制機(jī)車(chē)運(yùn)行，牽引電機(jī)采用軸控方式。柴油發(fā)電機(jī)組或地面電源通過(guò)整流升壓模塊向中間直流回路供電，柴油發(fā)電機(jī)組或地面電源供電時(shí)通過(guò)接觸器互鎖，通過(guò)DC/DC模塊控制充電電壓及充電電流，地面電源向動(dòng)力蓄電池充電時(shí)機(jī)車(chē)不能行車(chē)。機(jī)車(chē)牽引運(yùn)行時(shí)，牽引控制器根據(jù)司控器檔位，輸出相應(yīng)檔位對(duì)應(yīng)的速度(/轉(zhuǎn)矩)信號(hào)給逆變器，逆變器根據(jù)控制指令，采用閉環(huán)矢量控制方式，控制牽引電機(jī)輸出扭矩，進(jìn)而控制機(jī)車(chē)牽引運(yùn)行。

機(jī)車(chē)再生制動(dòng)回饋時(shí)，牽引控制器根據(jù)司控器制動(dòng)檔位，輸出相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)速度(轉(zhuǎn)矩)信號(hào)給逆變器，逆變器根據(jù)控制指令，控制牽引電機(jī)實(shí)施再生制動(dòng)，精確控制牽引電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)控制回饋電流。

圖4 機(jī)車(chē)主拓?fù)鋱D

2 機(jī)車(chē)特點(diǎn)

機(jī)車(chē)采用靈活的混合動(dòng)力控制策略，根據(jù)動(dòng)力電池狀態(tài)、機(jī)車(chē)工況自動(dòng)調(diào)整動(dòng)力輸出，可最大程度實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的特殊作業(yè)工況，機(jī)車(chē)具有零速鎖定、精準(zhǔn)定距停車(chē)、恒低速控制等功能。

2.1 機(jī)車(chē)混合動(dòng)力策略

為提升機(jī)車(chē)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，機(jī)車(chē)在正常作業(yè)情況下均采用純動(dòng)力電池輸出。當(dāng)電池電量低于40%時(shí)，此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，動(dòng)力輸出切換到柴油發(fā)電機(jī)組優(yōu)先輸出。當(dāng)需求功率小于柴油發(fā)電機(jī)組額定功率時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組剩余功率為動(dòng)力電池充電，電量恢復(fù)到95%以上時(shí)自動(dòng)切換回動(dòng)力電池優(yōu)先輸出。當(dāng)需求功率大于柴油發(fā)電機(jī)組額定功率時(shí)，多余的功率由動(dòng)力電池自動(dòng)補(bǔ)充，如圖5所示。

2.2 定距停車(chē)

接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)在架線打孔時(shí)，往往需要精確走行固定的距離。目前城軌列車(chē)ATO系統(tǒng)主要通過(guò)線路預(yù)設(shè)的定標(biāo)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確停車(chē)[4]，而接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)在施工作業(yè)時(shí)并無(wú)定標(biāo)點(diǎn)且其定距行走的距離比較靈活，現(xiàn)有方式無(wú)法滿足施工精確停車(chē)的需求。

圖5 機(jī)車(chē)動(dòng)力策略

本機(jī)車(chē)牽引電機(jī)具有較高的采樣精度，單圈4 096個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)可根據(jù)脈沖進(jìn)行精準(zhǔn)控制。機(jī)車(chē)走行1 m時(shí)的脈沖數(shù)為：

(1)

其中：i為機(jī)車(chē)傳動(dòng)比；d為機(jī)車(chē)輪徑(mm)。

當(dāng)機(jī)車(chē)工況萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)置于“定距行車(chē)”工況時(shí)，輸入指定運(yùn)行速度和行走距離，機(jī)車(chē)即可根據(jù)需要精確行車(chē)。當(dāng)輸入的走行距離小于指定運(yùn)行速度的加速和減速距離時(shí)，為保證精確距離停車(chē)，機(jī)車(chē)會(huì)在到達(dá)指定運(yùn)行速度前自動(dòng)進(jìn)入減速狀態(tài)。機(jī)車(chē)定距走行試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)車(chē)定距走行試驗(yàn)結(jié)果

2.3 零速鎖定功能

接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)在施工時(shí)頻繁短時(shí)停車(chē)、啟動(dòng)，傳統(tǒng)內(nèi)燃液傳機(jī)車(chē)需要帶閘啟動(dòng)，且根據(jù)司機(jī)的熟練度不同，往往存在一定的短時(shí)下滑溜車(chē)現(xiàn)象，有一定的行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)。本機(jī)車(chē)具有零速鎖定功能，即在坡道上通過(guò)純電制動(dòng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)到零，并在短時(shí)間內(nèi)保持制動(dòng)狀態(tài)的功能。經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試，牽引電機(jī)散熱滿足堵轉(zhuǎn)峰值扭矩維持10 min的散熱需求。為保證電機(jī)使用性能，機(jī)車(chē)設(shè)置允許零速鎖定的時(shí)間為2 min。坡起時(shí)，將機(jī)車(chē)工況萬(wàn)轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)置于“坡道起步”位，零速鎖定功能啟動(dòng)，2 min足夠司機(jī)啟動(dòng)機(jī)車(chē)并順暢運(yùn)行，機(jī)車(chē)起動(dòng)更加平穩(wěn)安全。

2.4 恒低速控制

接觸網(wǎng)架線時(shí)，機(jī)車(chē)需要一直低速運(yùn)行，在低速運(yùn)行的同時(shí)升降平臺(tái)上方工作人員同時(shí)架線施工。架線施工要求司機(jī)以1～2 km的速度慢速運(yùn)行，現(xiàn)有的低速運(yùn)行更加平穩(wěn)，便于升降平臺(tái)上方施工人員操作?，F(xiàn)有的內(nèi)燃液傳機(jī)車(chē)低恒速控制采用比例變量泵和比例變量馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)低恒速，多為“2泵4馬達(dá)”或“4泵4馬達(dá)”[5]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。Jiang S等人采用Fuzzy+PID實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)速度精確控制[6]。李亮等人以PID策略實(shí)現(xiàn)汽車(chē)牽引力控制[7]。本機(jī)車(chē)采用PID機(jī)車(chē)恒速控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)無(wú)級(jí)恒速控制，通過(guò)試驗(yàn)確定了最優(yōu)P值和I值，使得機(jī)車(chē)恒速運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)沖擊，試驗(yàn)速度波動(dòng)誤差在1%～2%。

2.5 經(jīng)濟(jì)環(huán)保

根據(jù)HXN6機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)用數(shù)據(jù)顯示，混合動(dòng)力機(jī)車(chē)可降低燃油消耗率30%左右[8]。根據(jù)Cipek M等的研究表明，從長(zhǎng)期投資來(lái)看，混合動(dòng)力機(jī)車(chē)投入所獲得的回報(bào)可達(dá)3倍以上[9]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本機(jī)車(chē)蓄電池動(dòng)力時(shí)司機(jī)室最大噪音為60 dB，混合動(dòng)力模式時(shí)司機(jī)室最大噪音63 dB，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)[10]要求的75 dB。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)在建設(shè)和維護(hù)施工中都將發(fā)揮越來(lái)越大的作用?；旌蟿?dòng)力接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)采用混合動(dòng)力相關(guān)技術(shù)，提高了機(jī)車(chē)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性；采用精確電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定距停車(chē)、低恒速控制、零速鎖定等功能，提高了機(jī)車(chē)作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性，降低了司機(jī)的操作疲勞。