摘要：通過對梅鋼物流部現(xiàn)有內(nèi)燃機車機型的狀況、運用分析進(jìn)行研究，結(jié)合機車牽引、制動能力及排放等因素，從能耗、性價比等角度比較，確定了機車純電動改進(jìn)方向，介紹了機車動力電池的選擇、運用管理及安全防護(hù)。

關(guān)鍵詞：混合動力;純電動力;鈦酸鋰電池;機車

中圖分類號：U267.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.014

0 引言

梅鋼物流部普鐵區(qū)域機車共有8臺，其中3臺電傳機車用于梅山礦及古雄站大噸位牽引，軸距長，不適宜廠內(nèi)小曲線半徑作業(yè);5臺GK1型液傳機車用于廠內(nèi)過磅、焦化、翻車機作業(yè)區(qū)域，液傳機車于1993年從資陽機車廠引進(jìn)，最早一臺GK1型022內(nèi)燃液傳機車已運用近30年，配備Z12V190BJ4發(fā)動機及ZY1011GY液力傳動箱。該機型早些年已經(jīng)淘汰，目前機車傳動箱、柴油機及走行等部件由于運用年限長，處于加速劣化階段，維修成本高。根據(jù)機車現(xiàn)狀和運用狀況分析，目前普鐵區(qū)域GK1型機車運用年限長、機械部件磨耗嚴(yán)重、狀態(tài)差、燃油消耗及排放高，需進(jìn)行新能源化改進(jìn)。

1 生產(chǎn)中存在的實際問題

1.1 國家層面相關(guān)政策要求

近年來，隨著高質(zhì)量發(fā)展和碳達(dá)峰、碳中和總體發(fā)展戰(zhàn)略的提出，各地方政府環(huán)保政策相繼出臺，對企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、尾氣排放等提出了明確要求。近期，國家鐵路局組織編制了《老舊型鐵路內(nèi)燃機車淘汰更新監(jiān)督管理辦法》[1]，對老舊型鐵路內(nèi)燃機車實行分類管理，對達(dá)到報廢運用年限30年的老舊型鐵路內(nèi)燃機車實施報廢管理，已達(dá)到報廢運用年限或者使用已達(dá)到報廢運用年限機車零部件拼裝的老舊型鐵路內(nèi)燃機車不得參與鐵路運輸。另外，國家鐵路局貫徹落實“雙碳”國家戰(zhàn)略，推動鐵路裝備技術(shù)創(chuàng)新和綠色發(fā)展，支持新能源鐵路機車替代運用。

1.2 公司層面內(nèi)在需求

分析公司鐵運現(xiàn)狀，GK1型內(nèi)燃機車從節(jié)能減排、降本增效、機車運用率、可靠性指標(biāo)等方面均無法適應(yīng)國家政策要求和公司發(fā)展趨勢，面臨淘汰升級。當(dāng)前公司GK1型內(nèi)燃機車主要存在以下不足：

1）內(nèi)燃機車尾氣排放造成的環(huán)保問題。為完善我國移動源排放標(biāo)準(zhǔn)體系，落實國務(wù)院“十四五”節(jié)能減排方案中推動實施鐵路內(nèi)燃機車國一排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，推動鐵路內(nèi)燃機車行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，生態(tài)環(huán)境部組織編制了國家生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《鐵路內(nèi)燃機車及其發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）（征求意見稿）》[2]。GK1型內(nèi)燃機車柴油機為濟(jì)南柴油機廠生產(chǎn)，根據(jù)該廠《190柴油機系列排放特性的研究》[3]，在怠速工況至滿負(fù)荷工況間柴油機排放標(biāo)準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)如下：氮氧化物16.4～19.28 g/（kW·h），一氧化碳3.47～14.77 g/（kW·h），碳?xì)浠衔?.169～2.99 g/（kW·h）。該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)未達(dá)到當(dāng)前國家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）運用成本高。為保證工作臺班內(nèi)任何情況下機車都能夠隨時投入，現(xiàn)有內(nèi)燃調(diào)車機車采取怠速不熄火的運用方式，造成燃料成本高;同時內(nèi)燃機車柴油機及輔助系統(tǒng)的日常維保工作量大，當(dāng)前國內(nèi)各主要冶金企業(yè)內(nèi)燃機車普遍采用小、輔修加輪換大、中修的模式，機車的年維保成本居高不下，年運用成本達(dá)115萬元。

3）工作環(huán)境差。內(nèi)燃調(diào)車機車的柴油機噪聲大、振動大，司機室內(nèi)環(huán)境差，司乘人員長期受噪聲、振動等困擾。

4）冷機狀態(tài)起機時間長，尤其是在冬季時需要長時間階段性起機打溫，浪費燃油，并易受到周邊居民噪聲投訴。

5）機車部件磨損嚴(yán)重、故障率高，影響機車運用效率。

6）GK1型內(nèi)燃機車柴油機、液力傳動效率低，機車燃油消耗達(dá)33 L/h，與機車牽引能效嚴(yán)重不成正比。

7）自動化程度不高。設(shè)備狀態(tài)的檢查以人工為主，質(zhì)量難以把控，需進(jìn)一步提高設(shè)備智能化水平，實時監(jiān)控機車各主要部件，全面掌握機車及主要部件狀態(tài)信息，為設(shè)備運維一體的管控模式提供有利條件。

2 機車新能源改進(jìn)方案市場調(diào)研情況及優(yōu)缺點對比

2.1 機車牽引動力改進(jìn)的兩種方式

2.1.1 混合動力

混合動力機車主要動力模式分為動力電池模式、柴油機動力模式和柴油機+動力電池的雙動力模式。動力電池模式下，機車牽引采用動力電池供電，柴油機根據(jù)機車功率需求、動力電池容量狀態(tài)等參數(shù)自動啟動或停止為動力電池充電，同時機車微機控制動力電池的充放電邏輯;柴油機動力模式下以柴油機為機車運行提供動力，車載微機根據(jù)機車需求控制柴油機功率;雙動力模式下由動力電池+柴油機同時為機車運行提供動力，該模式主要應(yīng)用在特殊、困難、重載、機車需要大功率輸出工況條件下，雙動力模式保證了機車功率和牽引力的穩(wěn)定輸出。

1）混合動力機車優(yōu)點：機車動力系統(tǒng)為雙動力源，動力電池可采用地面充電和柴油機充電兩種。充電方式靈活，作業(yè)過程不受動力電池電量限制;作業(yè)等待時間柴油機不啟動，降低了油耗。

2）混合動力機車缺點：結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，改進(jìn)成本高，機車動力電池充電、柴油機模式牽引運行仍以燃料為主提供電源和動力，機車尾氣排放、振動、噪聲等仍存在;相比既有內(nèi)燃機車，混合動力機車的柴發(fā)機組檢修維護(hù)人員并不減少;混合動力機車仍存在燃油、機油等消耗，無法實現(xiàn)真正意義的節(jié)能減排。

2.1.2 純電動力

純電動力機車采用純動力電池驅(qū)動，為機車牽引運行提供動力;輔助設(shè)備（牽引通風(fēng)機、空壓機、空調(diào)等）均由動力電池提供電源;風(fēng)扇、雨刮器、微機、變流裝置等DC110 V電源由動力電池供電;同時動力電池也對機車控制用的鉛酸電池進(jìn)行充電。純電動力機車具有操作維護(hù)簡便、綠色環(huán)保、噪聲低、運維費用低、便于智能運維等特點，但機車運用、調(diào)度受動力電池電量及地面充電樁位置限制。

1）純電動機車優(yōu)點：采用動力電池供電，機車噪聲、振動等顯著降低，改善了乘務(wù)人員作業(yè)環(huán)境;機車運行采用動力電池，無柴油機機械傳動功率損耗，無燃料消耗，無尾氣排放，真正實現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足碳達(dá)峰、碳中和要求;機車無柴發(fā)機組，無須配置柴油機檢修維護(hù)人員，降低了機車檢修維護(hù)成本;動力系統(tǒng)采用動力電池，機車傳動為直交電傳動，效率顯著提升，機車運用成本降低，實現(xiàn)了降本增效。

2）純電動機車缺點：根據(jù)機車運用環(huán)境、運用要求和牽引作業(yè)工藝等對動力電池進(jìn)行合理匹配，機車運行需充分考慮動力電池電量，無法做到隨時隨地投入運用;動力電池充電采用地面充電樁模式，且充電時間一般為0.5～1.5 h，對牽引作業(yè)產(chǎn)生影響;動力電池作為新型儲能裝置，其應(yīng)用需對現(xiàn)有部分檢修維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)。

2.2 確定機車新能源改進(jìn)方案及應(yīng)用范圍

結(jié)合物流部鐵路運輸業(yè)務(wù)實際，權(quán)衡兩種改進(jìn)方式的優(yōu)缺點及成本考慮，確定機車新能源改進(jìn)方案為純電動改進(jìn)，理由如下：

1）機車采用純動力電池供電，操作簡便，機車噪聲、振動等顯著降低，改善了乘務(wù)人員作業(yè)環(huán)境。

2）機車運行采用動力電池，無柴油機機械傳動功率損耗，無燃料消耗，無尾氣排放，機車傳動為直交電傳動，效率顯著提升，真正實現(xiàn)了節(jié)能減排，滿足碳達(dá)峰、碳中和要求。

3）機車無柴發(fā)機組，無須配置柴油機檢修維護(hù)人員，降低了機車檢修維護(hù)成本。

4）機車采用遙控操作，操作人員遠(yuǎn)離危險源，確保了現(xiàn)場人員安全。

3 機車改進(jìn)內(nèi)容

3.1 鐵水運輸機車運行線路條件及運用要求

重車牽引重量：1 200 t;

空車牽引重量：560 t;

最大坡道：3‰;

最小曲線半徑：150 m;

運行速度：5～12 km/h。

運行負(fù)荷：

1）常用負(fù)荷：重車總距離1.7～1.9 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個循環(huán)，循環(huán)周期為30～34 min。

2）最大負(fù)荷：重車坡道加彎道（450 m），總距離3.7 km，空車返回等待下一次的重車牽引為一個循環(huán)，循環(huán)周期約為80 min。

3.2 牽引特性估算

牽引能力以煉鋼走行線校核，動力電池電量以4#、5#高爐運輸能力估算。鐵水運輸中往返一次動力電池耗電量統(tǒng)計如表1所示。

3.3 電池選擇

1）機車8 h耗電量約為268.65 kW·h（53.73×5），充分考慮動力電池特性（20%電量不能放完，充電至90%時無法充滿），配置動力蓄電池電量按330 kW·h核算，綜合作業(yè)時間約8 h。

2）機車輪周最大牽引功率300 kW，加上輔助功率及必要保留功率，整車功率按500 kW計。

3）當(dāng)前機車動力電池以磷酸鐵鋰及鈦酸鋰為主。磷酸鐵鋰電池價格低;鈦酸鋰電池價格高，但快速充放電能力強，充電倍率高、安全。

磷酸鐵鋰電池與鈦酸鋰電池主要性能對比如表2所示。

綜上，根據(jù)機車運用要求、動力電池充放電性能、動力電池安全、機車維護(hù)保養(yǎng)、動力電池壽命周期成本等因素，如采用磷酸鐵鋰電池充電時間近2 h，機車的運用效率較低，而采用鈦酸鋰電池，充電時間在1 h以內(nèi)，機車等待時間即可完成，因此新能源機車改進(jìn)宜采用鈦酸鋰電池，電池電量330 kW·h。

3.4 機車新能源化方式

3.4.1 新能源機車總體布置

新能源機車總體布局如圖1所示，采用單司機室雙操縱端、外走廊、底架承載結(jié)構(gòu)，機車自左向右設(shè)備布置如下：

1）Ⅱ端操縱端：添乘座椅、機車風(fēng)壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等;

2）輔助室：螺桿式空壓機、干燥器、牽引通風(fēng)機等;

3）動力電池室：動力電池及管理系統(tǒng)、動力電池高壓系統(tǒng)、空調(diào)水冷裝置、自動滅火裝置等;

4）變流裝置：主輔一體式牽引變流裝置;

5）電氣室：微機系統(tǒng)、電器柜、整車級自動滅火裝置、遠(yuǎn)程傳輸裝置、遙控裝置等;

6）司機室：操縱臺（含司機控制器、制動控制器、微機顯示屏、扳鍵/開關(guān)、空調(diào)控制面板）、空調(diào)、風(fēng)扇、司機座椅、添乘座椅、雨刮器、照明燈具、電笛、遙控器（不固定安裝）、平面調(diào)車等;

7）Ⅰ端操縱端：添乘座椅、機車風(fēng)壓表、速度表、照明燈具、緊急停車按鈕等。

3.4.2 地面充電站

固定地面點（鋼07線）布置一體式直流充電站，充電設(shè)備采用高壓充電箱變模式，將高壓配電、變壓器、充電機集成在一臺箱式變電站內(nèi)。充電樁主動監(jiān)測動力電池BMS運行狀態(tài)、電池特性參數(shù)及充電機自身的運行狀態(tài)，診斷故障和異常，設(shè)備具備過欠壓檢測、過流檢測、短路檢測、絕緣檢測、煙霧檢測、傾倒檢測以及開門斷電等功能，當(dāng)動力電池剩余電量低于20%時，發(fā)出告警信號，通知司機進(jìn)站充電。

4 結(jié)束語

機車純電動改進(jìn)滿足國家關(guān)于老舊型鐵路內(nèi)燃機車淘汰管理要求，能夠減少燃油消耗，符合碳排放、碳中和的趨勢，達(dá)到清潔運輸效果，更好地滿足環(huán)保達(dá)A的要求，無廢氣排放，降低噪聲，改善了乘務(wù)員操作環(huán)境。機車搭載目前主流的微機控制系統(tǒng)、變流裝置，實施對機車動力電池、牽引電機、開關(guān)類部件等的監(jiān)測控制，并存儲機車運行數(shù)據(jù)、部件狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，對機車故障分析和處理等有積極的幫助作用，可實現(xiàn)健康診斷功能，為鐵水運輸遠(yuǎn)程運維及無人化做支撐。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 鐵路內(nèi)燃機車及其發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）（征求意見稿）：環(huán)辦標(biāo)征函〔2023〕30號[A].

[3] 萬德玉，吳曉軍.190系列柴油機排放特性的研究[C]//中國內(nèi)燃機學(xué)會第五屆學(xué)術(shù)年會論文集，1999：541-546.

收稿日期：2024-08-05

作者簡介：宋建波（1974—），男，江蘇人，高級工程師，研究方向：鐵路機車車輛設(shè)備。