地铁中内燃机车的配置及运用检修分析

2013-08-12吴敏

城市轨道交通研究 2013年8期

关键词：内燃机车轮缘制动器

吴敏

（西安市地下铁道有限责任公司，710015，西安∥工程师）

目前，地铁救援、维修作业施工中，绝大部分为内燃机车。其主要用于地铁车辆段的调车作业，工务维修中的牵引作业，以及检测、清洗等无动力车辆的牵引作业、事故车辆的牵引救援等。

1 国内地铁的线路条件及内燃机车运用工况

城市地铁线路参数参考GB 50157－2003《地铁设计规范》，根据国内多个地方城市地铁线路的统计和对比，一般都符合如表1所示条件。

表1 城市地铁线路参数

由于各个地方采用地铁电客车的车型不同，受电模式不同，其参数各异。地铁电客车的典型运用如下：

1）编组形式一般为8节编组、6节编组、4节编组等3种。

2）以南京地铁1号线为例，6节编组车，空车重为225t，超载重为372.6t；此为目前最广泛运用的编组形式。采用8节车编组的目前比较少，最大超载重量为480t左右。

3）电客车最高运行速度为80km／h。

内燃机车主要承担地铁电客车的救援、段内调车、牵引平板车、牵引网轨检测车作业等工况。各种工况下的情况如下：

第一工况，线路维护作业。为正线运输维护人员和设备物质，以及牵引轨道平车、携吊平车等其他无动力轨道车辆，或者进行正线巡检抢修作业。通常作业采用一辆工程车辆牵引2～3辆轨道平车或一组携带平车的模式，牵引总吨位最大约100t（一辆轨道平车满载按40t计算）；最大速度应达到70～80km／h左右。

第二工况，车辆段段内或车站内调车。牵引空载电客车在车辆段内进行调车作业（一列空载电客车按230t计算），速度不低于40km／h。

第三工况，救援牵引为双机重联牵引一辆事故电客车（超载状态）回到车辆段内（一列超载电客车按380t计算），平均速度约30km／h。

2 内燃机车的参数与配置分析

为更好地利用内燃机车，其需要的参数和配置选择均要从地铁运用的实际工况出发，选择最适合地铁运用的参数配置。下面从内燃机车功率、发电机的配置、基础制动装置及制动距离、车钩的配置、轮缘润滑器、充电发电机和蓄电池的大小、不落轮镟床的接口、车载电台接口等方面进行说明。

2.1 内燃机车功率的选择

地铁中使用的内燃机车一般采用液力传动方式，所配置的柴油机一方面需驱动液力变速箱，另一方面还要直接或间接驱动许多的辅助装置，如辅助发电机、空压机、空调压缩机、液压泵、冷却风扇等。辅助装置需要消耗柴油机功率的10%左右。液力传动的平均效率按0.82。

定义轮周牵引力F 在单位时间内所做的功为机车的轮周功率Nk，则：

式中：

F——机车轮周牵引力（亦称机车牵引力），N；

v——机车速度，km／h；

Nk——机车轮周功率（机车功率），kW。

设柴油机输出的功率为Ne则有：

式中：

η1——驱动辅助装置消耗功率的系数，η1≈0.9；

η2——液力机械传动装置效率，η2≈0.82。

车辆阻力的计算公式，根据TB／T 1407－1998《牵引计算规程》，客车的阻力按如下公式计算。客车基本阻力

机车基本阻力

坡道阻力

曲线段附加阻力

式中：

v——列车速度，km／h；

i——线路坡度；

R——线路曲线半径，m。

根据以上公式计算地铁中内燃机车的3种运用工况所需功率分别如下：①第一工况线路维护作业所需要功率为224kW；②第二工况车辆段段内或车站内调车所需要功率为298kW；③第三工况救援牵引所需要功率为373kW。为此，考虑发动机散热所需辅助消耗功率，应选择功率为447kW（600 hp）的内燃机车。

根据内燃机车的运用工况粘着力情况，计算单台447kW 内燃机车牵引吨位如表2。

表2 单台447kW 内燃机车在不同坡道上的牵引吨位表

从牵引吨位表可以看出：对于6节编组车，采用单台447kW 内燃机车可以在车辆段内调车，牵引230t的空载电客车时速度可到达40km／h左右（小于5‰坡道）。采用双机救援时，在35‰坡道达到约12km／h的速度（单机牵引260t时速度约7km／h；双机牵引的效率按0.9计算，故其速度为12.6km／h）。若正线救援牵引的平均坡道按10‰计算，救援的平均速度可以达到40km／h。单机牵引100t作业时，在5‰坡道上速度可达50km／h以上，平直线路上速度可达70km／h以上。

双机重联救援时，在35‰坡道上，可牵引520t（单机260t），速度达到7km／h，满足牵引8节超载客车的要求。

综上所述，选择447kW 功率的内燃机车完全满足地铁中内燃机车的各种作业工况要求。

2.2 内燃机车辅助发电机的配置

针对目前地铁中内燃机车使用要求及作业情况，需要通过内燃机车为本车及外部交流设备提供电源，如空调、取暖器及外部随车起重设备等。为此在供电设备上的选型上则需要充分考虑城市地铁线路限界等综合条件，以及用电设备的要求功率。通过调研发现，447kW 内燃机车配置40kW 发电机和1台4.3kW 小发电机组，是能充分满足地铁线路使用及作业要求的。40kW 发电机应由主发动机直接驱动而不是单独的配置40kW 发电机组。

下面从五方面来阐述配置40kW 发电机和1台4.3kW 小发电机组配置的优越性。

1）使用工况：行车的过程中，只需开4.3kW的小发电机组，即可给车内电器设备供电。若使用大功率的40kW 发电机组给车内电器设备供电，显然是一种浪费。停车时，起动发动机，既可以使用空调，也可以驱动发电机为其它作业设备（如电焊机、电动工具、吊机等）提供电源；若发电机不采用主发动机驱动，单独安装40kW 发电机组的话，在行车过程中如果要使用空调，不但要起动主发动机，又要起动40kW 发电机组，不但造成了大的浪费，而且增大了整车噪声。

2）安装维修：内燃机车下虽能够安装下单独的40kW 发电机组，但是对于车底悬挂、传动、动力单元的维护维修造成了很大的影响。因为发电机组占据了预留的检修通道以及下部大部分空间，对维护检修人员来说是极大的不方便：第一，即使是在车库有地坑的条件下，维护检修人员虽能在地坑里检修，但其作业空间已经相当狭窄；而且在狭窄的空间里作业，很容易造成受伤等安全事故。第二，车辆在正线作业时，一旦突发出现抛锚停机，作业人员想要爬入车下进行故障排查几乎是不可能的，因为根本就没有空间让维护检修人员爬进车底，除非将发电机组拆下。但在正线上这是不现实的。因此，空间的局限对于任何机械的检修维护来说，都是费时费力的。检修的不便、时间的延长都是一种极大的资源浪费。第三、对于40kW 发电机组自身的检修也同样存在极大的不便，其发动机的冷却、润滑系统加水加油极不方便。而由主发动机驱动的发电机可以直接安装在车上，维修方便。

3）维护成本：单独的40kW 发电机组的安装增加了车辆的使用维护成本，增加了燃油的消耗，缩短主机的运行时间，增加了故障点；同时，发动机柴油滤芯、机油滤芯、空气滤芯、皮带等需经常更换，并且在有限空间内更换作业也极不方便。

4）排放标准：单独的40kW 发电机组增大了噪声。当车辆在隧道作业且空调运转时，发动机与40kW 发电机组需要同时开启，噪声将大大提高；另一方面，40kW 发电机组目前只能满足欧Ⅱ排放标准。对于地铁来说，排放是否达标也是重要的考核指标之一。

5）目前国内地铁车辆使用情况：基本上都是采用40kW 发电机和4.3kW 小发电机组的成熟技术。虽然也有安装40kW 发电机组的车辆，但却严重影响到车辆的检修。此外，使用国产发电机组故障率较高，维护成本大幅增加；而采用国外进口的发动机组结构尺寸更大，车辆剩余空间安装不了，同样也使维护成本大幅增加。

综上所述，447kW 内燃机车配置40kW 发电机和一台4.3kW 小发电机组是成熟、可靠、低故障率、低维护成本、低碳环保的配置方案。

2.3 内燃机车的基础制动装置及制动距离

内燃机车的基础制动建议采用单元制动器的形式，每个车轮均设独立作用式单元制动器。单元制动器分带弹簧和不带弹簧两种。其中带弹簧的单元制动器可供停车时使用，起到停车制动的作用。

不带弹簧的单元制动器主要包括制动缸、制动力放大机构及单向间隙自动调整器，它可以自动补偿闸瓦和车轮踏面磨耗产生的间隙。

带弹簧的单元制动器在不带弹簧单元制动器的基础上增加了弹簧停车制动器以及手动缓解装置。它具有失压自动制动功能，一旦充气压力下降到一定值时，带弹簧的单元踏面制动器就能自动工作，随着充气压力的减少，加在闸瓦上的压力越来越大，起到自动制动的作用。该单元制动器可供停车制动使用，通过操纵台上的开关控制缓解；在无空气压力供给时，可通过拉动快速机械式手动缓解装置拉环，快速缓解。

单元制动器轮瓦间隙调整器动作准确，性能可靠，可始终保持闸瓦与踏面之间的间隙为4～8mm。更换闸瓦时通过旋转制动器后端的六角螺母使制动杆回缩，即可进行闸瓦更换；施行一次制动后即可使闸瓦与踏面之间的间隙自动恢复为4～8mm。该单元踏面制动器为全密封式结构，可以防尘、防雨，且使用寿命长。

机车停车制动是利用弹簧作用力，并经过放大后对轮对施加压力，能保证机车停在35‰直坡道上而不致下滑。

对于内燃机车，其制动距离不要要求太严格，建议按GB 10082－2010《重型轨道车技术条件》中的要求：在平直道上，初速度80km／h 进行紧急制动时，制动距离小于400 m 。若制动距离要求太高，则在轨面潮湿等状态下实施紧急制动，容易擦伤车轮。

2.4 车钩的配置

车钩是内燃机车牵引用的主要部件，主要有2种方式：一种是安装与地铁车辆一样的密接式车钩，一种是安装国铁的13号缓冲车钩。根据内燃机车的使用情况，为减少投资，建议安装13号缓冲车钩；每条线配标2个过渡车钩，以方便与电客车之间的连接。

2.5 轮缘润滑器

内燃机车在曲线区段运行时，轮缘磨耗快。为了减轻轮缘磨耗，一般建议在内燃机车转向架构架上加装轮缘润滑器给轮缘进行润滑，可使轮缘磨耗显著减少。但是，由于轮缘润滑器种类繁多，结构繁简不一，采用的材料有润滑油、润滑脂、固体润滑剂等，常因轮缘润滑器保养或使用不当使润滑剂流到与轨面接触的踏面上，使粘着条件恶化而引起车轮空转，影响内燃机车牵引力的发挥。因此，建议地铁及轻轨车辆选择简单实用、安全可靠、成本低、无污染、不产生轮缘剥离等特点的干式润滑轮缘装置。

2.6 充电发电机和蓄电池的大小

为保证蓄电池放电倍率高、免维护周期长，应采用免维护碱性蓄电池。为保证在使用过程中不出现蓄电池亏电现象，蓄电池和充电发电机的容量选择至关重要。蓄电池容量和充电发电机功率计算如下。

直流部分负载清单：室内照明负荷加上前照灯、尾灯、上照灯等的功率约200 W；前后司机室雨刮器（2副50 W）100 W；发动机控制系统用电384W；变速箱控制系统用电144 W；换挡控制器输出用电144 W；PLC用电144 W；仪表及仪表灯用电（2A）48 W；电控阀、电磁阀等用电200 W；电台用电约300 W；空调用控制电量约720 W。

以上在考虑了最大使用负载情况下的用电总功率为2 528 W，发电机容量为99.3A。可选择发电机容量为DC 24V，150A。

当车辆不起动发动机且不使用发电机组时，直流用电量按以上进行计算，用电功率为800 W，电流为33.3A。选择蓄电池4只（12V，200Ah，两并两串）的阀控密封式铅酸蓄电池可放电6h。