隧道用新能源牽引機(jī)車研究應(yīng)用

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[摘要]闡述了一種隧道用新能源牽引機(jī)車的研制與應(yīng)用，為有效解決傳統(tǒng)鉛酸蓄電池牽引機(jī)車存在的電池使用壽命短、充電時(shí)間長、維護(hù)成本高、環(huán)境污染等問題，研究一種新能源機(jī)車，機(jī)車采用磷酸鐵鋰電池牽引技術(shù)，電池充電時(shí)間由24h縮短為2.5h，機(jī)車實(shí)現(xiàn)免維護(hù)、智能化水平高、使用成本低，工作平穩(wěn)有效、安全可靠等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]隧道；牽引車；新能源；綠色施工

牽引機(jī)車是城市地鐵隧道盾構(gòu)法施工中一種必不可缺的后配套設(shè)備，其性能將會(huì)直接影響到工程的施工安全和施工進(jìn)度，為踐行“綠色施工、節(jié)能減排”的環(huán)保理念，而研發(fā)新能源施工設(shè)備，對(duì)減少環(huán)境污染具有重要意義[1～2]。針對(duì)盾構(gòu)法牽引機(jī)車施工裝備和施工技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者[3～5]已有較多研究。目前，施工項(xiàng)目牽引機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)普遍使用的鉛酸蓄電池存在，電池壽命短、維護(hù)成本高、充電時(shí)間長、電池環(huán)境污染大、充電效率低、養(yǎng)護(hù)人員投入多等缺點(diǎn)，雖對(duì)機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)經(jīng)過一定理論研究，實(shí)際應(yīng)用較少[6]。為解決機(jī)車常見的問題，張杏園[7]研究了新能源蓄電池式電機(jī)車常見故障及分析，但仍未有效解決機(jī)車牽引安全系統(tǒng)和防溜車制動(dòng)系統(tǒng)等控制技術(shù)。本文將以鋰電池綠色動(dòng)力環(huán)保技術(shù)設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)采用雙氣路制動(dòng)技術(shù)、防瞌睡技術(shù)等，研發(fā)新能源牽引機(jī)車，重點(diǎn)解決使用成本高、充電速度慢、安全性能差、環(huán)境污染、智能化水平低等技術(shù)難題。

1新能源變頻牽引機(jī)車設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)車主要結(jié)構(gòu)分為機(jī)車系統(tǒng)、新能源動(dòng)力系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、配重系統(tǒng)等部分。機(jī)車系統(tǒng)采用直流電，通過牽引變頻器轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的三相交流電供2臺(tái)或多臺(tái)普通三相異步牽引電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過萬向聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)齒輪減速傳動(dòng)箱，經(jīng)過二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)到車軸上，從而實(shí)現(xiàn)牽引機(jī)車的平穩(wěn)、有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2新能源動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新能源牽引機(jī)車采用磷酸鐵鋰電池作為新能源動(dòng)力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，其具有大電流充放電能力、長壽命、超低溫性能、高可靠性、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在高效儲(chǔ)能應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如圖1。新能源動(dòng)力系統(tǒng)安全可靠性能高，便于操作、維修保養(yǎng)，設(shè)備一般完好率可達(dá)到95%以上且使用壽命高達(dá)到8年。新能源鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)鉛酸電池性能對(duì)比見表1。

2新能源變頻牽引機(jī)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1雙氣路制動(dòng)系統(tǒng)

如圖2，雙氣路制動(dòng)系統(tǒng)解決了機(jī)車供氣量不足的問題，同時(shí)對(duì)后配套車輛閘瓦磨損的減少起到了良好的作用。保證制動(dòng)時(shí)，機(jī)車、后配套車輛同步制動(dòng)，對(duì)防止機(jī)車溜車事故的發(fā)生起到了很好的保障作用。在機(jī)車起動(dòng)過程中，機(jī)車與后配套同步解除制動(dòng)，對(duì)于機(jī)車變頻器等電器系統(tǒng)及機(jī)車起動(dòng)效果均有明顯改善。

2.2閘瓦制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)

如圖3，閘瓦制動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng)增加制動(dòng)系統(tǒng)傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)制動(dòng)力的確切大小，具有輸出終端顯示功能，通過儀表盤時(shí)刻觀察氣缸制動(dòng)力大小。當(dāng)機(jī)車閘瓦磨損到一定程度后，氣缸制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力將逐漸減小，機(jī)車制動(dòng)力不足，當(dāng)減小到設(shè)定的值以后，駕駛室內(nèi)儀表盤指示燈將報(bào)警，提示調(diào)整剎車螺母以保證足夠的制動(dòng)力。

2.3反充電裝置

機(jī)車配備的反充電裝置，能夠在大坡度連續(xù)下坡時(shí)有效避免機(jī)車對(duì)蓄電池進(jìn)行的反充電，降低變頻器發(fā)生保護(hù)性斷電概率，實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)電機(jī)的有效控制，減少溜車事故。

2.4防溜車制動(dòng)系統(tǒng)

如圖4，系統(tǒng)通過車身自帶防溜車掛鉤在發(fā)生緊急情況下操作緊急制動(dòng)手柄，在氣壓的作用下通過氣缸將防溜車掛鉤推下使得掛鉤與運(yùn)輸軌線軌枕相連接，實(shí)施緊急制動(dòng)，降低機(jī)車溜車事故的發(fā)生。

2.5機(jī)車的智能控制系統(tǒng)

1）防瞌睡安全保障系統(tǒng)機(jī)車的新型防瞌睡系統(tǒng)主要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行的研發(fā)，主要功能是避免機(jī)車在高檔位運(yùn)行時(shí)，操作人員因疲勞而引起施工風(fēng)險(xiǎn)，在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)機(jī)車進(jìn)行自動(dòng)減擋到1擋，直至機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)停車。2）PLC計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)PLC、變頻器和觸摸屏等各系統(tǒng)重要參數(shù)和狀態(tài)信息都被列入報(bào)警條目，對(duì)司機(jī)的操作起到了提示作用，而且使得維修人員對(duì)設(shè)備故障的判斷更加方便。3）反常規(guī)操作保護(hù)系統(tǒng)司機(jī)在違反操作規(guī)程，或快速任意頻繁變換擋位時(shí)，變頻器仍能按照設(shè)定程序有序發(fā)出指令，使得機(jī)車的行駛速度不會(huì)發(fā)生突變，系統(tǒng)功能正常運(yùn)行。4）重載爬坡自適應(yīng)控制系統(tǒng)機(jī)車在重載爬坡時(shí)由于載荷過大，導(dǎo)致機(jī)車電機(jī)的負(fù)荷加大、電流增大，機(jī)車運(yùn)行速度自動(dòng)匹配合適速度，降低運(yùn)輸編組發(fā)生溜車風(fēng)險(xiǎn)。

3工程應(yīng)用

目前，新能源鋰電機(jī)車已經(jīng)在合肥、廣州、深圳、杭州等高鐵項(xiàng)目進(jìn)行了推廣應(yīng)用，新能源牽引機(jī)車與傳統(tǒng)牽引機(jī)車施工成本對(duì)比見表2。新能源鋰電機(jī)車，充電效率高、電池免維護(hù)、施工效率高、智能化水平高，減低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度和施工成本。具體分析如下。1）采用磷酸鐵鋰電池技術(shù)降低了電池充電時(shí)間，由傳統(tǒng)的24h降低為2.5h，并實(shí)現(xiàn)了機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)免維護(hù)。2）采用潔凈能源動(dòng)力系統(tǒng)，降低環(huán)境污染，改善了作業(yè)人員的勞動(dòng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了綠色施工。3）雙氣路制動(dòng)系統(tǒng)將制動(dòng)力提高了2倍，使得正常行駛的剎車距離降低為最大13m，提高了作業(yè)的安全性。4）配備的防瞌睡系統(tǒng)、制動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、反常規(guī)操作保護(hù)系統(tǒng)等，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

4結(jié)語

綠色施工的標(biāo)準(zhǔn)要求日益提高，建設(shè)速度逐步加快，面對(duì)高污染、高能耗、低性能等設(shè)備的逐步淘汰局面，急需研制新型綠色智能化施工設(shè)備，以適應(yīng)當(dāng)今城市軌道交通建設(shè)的需求。采用新技術(shù)、新原理，研制新型智能化施工裝備，可有效解決當(dāng)前盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)中遇到的諸多技術(shù)難題，為提高施工質(zhì)量找到突破口。牽引機(jī)車的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、無人駕駛、永磁牽引技術(shù)等高科技、高效率等技術(shù)的深度融合，將是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容和方向。

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作者：王華 單位：中鐵隧道局集團(tuán)國際工程有限公司