新能源锂电池牵引机车在长大隧道施工中的应用

杨君华

（中铁隧道股份有限公司，河南 新乡 453000）

我国隧道里程在世界名列前茅，使用TBM法施工的长大铁路隧道（秦岭隧道、桃花铺隧道、磨沟岭隧道、中天山隧道、引红济石、引大济黄、引洮供水隧洞、引汉济渭、辽西北供水、引松供水），由于电瓶车的续航能力和高原适应性满足不了施工要求，均采用了内燃牵引机车作为水平运输编组的原动机。

近年来，由于空气环境质量污染越趋严重，国家提倡环境保护，绿色减排，诞生了新能源汽车。在隧道施工行业，诞生了隧道施工用锂电池牵引机车。

针对高黎贡山隧道高地热、高地应力、高地震烈度的特征，以及川藏铁路高海拔、寒冷的特点，根据设计提供的地质勘探资料，如何解决空气稀薄、寒冷条件下的运输需求和如何保障空气稀薄的隧道内施工人员的环境质量；以及隧道内使用内燃机车产生尾气污染，导致施工空气质量极差，且购置成本高、噪声污染大。

本文针对高黎贡山隧道TBM掘进段长距离大断面的运输施工特点进行研究，有必要研究一种绿色能源动力、充电时间短、高低温适应性强、制动可靠的新能源锂电池机车，适应于长大隧道高地热、高地应力、高地震烈度，以及川藏铁路高海拔、寒冷的工况，提高施工效率，加快工程进度，保证施工安全。

1 工程概况

新能源锂电池牵引机车依托中铁隧道集团承建的大瑞铁路高黎贡山隧道TBM掘进段为试验工程。大瑞铁路二分部全长13.92km，设计变更后施工范围：平导工程11518.58m(其中TBM施工10623m)；I线正洞工程13260m(其中TBM施工12546m)。正洞隧道开挖直径9030mm。

2 新能源锂电池牵引机车总体方案

根据工地施工组织，考虑到新能源锂电池牵引机车的使用需求，确定采用45t新能源锂电池牵引机车进行出渣作业。45t新能源锂电池牵引机车采用钛酸锂电池作为动力源，经逆变后供给两台主驱动电机，通过变频器进行调速控制。

3 45t新能源锂电池牵引机车主要技术参数

45t新能源锂电池牵引机车主要技术参数见表1。

表1

图1 牵引机车组成图

4 45t新能源锂电池牵引机车的组成

45t新能源锂电池牵引机车主要由车体、走行装置、制动系统、传动系统、操纵控制系统、锂电池及其电源管理系统、空压机等组成，如图1。

5 牵引性能测试

重载试验，机车运行速度为14.4km/h（满足长大隧道机车运行速度要求）。

隧道坡度：双侧壁道岔处和轨排处为20‰，平导TBM斜坡轨处为24‰（最大坡度）。

编组类型:7节16m³侧卸车（全部满渣）+1节15t材料车。

负载重量:255.6t。

根据现场测试表明，在水平运输轨道24‰的坡度下，机车启动牵引能力达到255.6t。

6 续航能力测试

（1）轻载续航能力测试。

隧道最大坡度：20‰，隧道持续坡度：9‰。

编组类型：机车牵引3台16方侧卸车+1台15t材料车或机车牵引3台16方侧卸车+1台6方罐车, 最大负载重量为117.8t。

根据轻载工况测试数据统计，累计作业1804.4km，45t锂电池牵引机车充满电轻载可持续行驶约60～80km。

根据初期复杂工况测试统计，45t锂电池机车充满电轻载续航能力为60～80km。

（2）重载续航能力测试。

隧道最大坡度：20‰，隧道持续坡度：9‰。

编组类型一:6节16m³渣车（5.5节满渣）+一台8方罐车+一台管片车。

编组类型二:7节16m³侧卸车（全部满渣）+1节15t材料车。

最大负载重量为255.6t。

根据重载工况测试数据统计，累计启动963次，累计作业1190.4km。45t锂电池机车充满电在综合工况下，重载续航能力约为55～60km。

图2 洞内重载作业

7 充电测试数据

在16～30℃的环境温度下，630Ah的锂电池总成充电情况如下表2：

表2 充电记录

从表2可知，在16～30℃的环境温度下，45t锂电池机车从SOC20%到充满电，需要花费约165min，消耗交流电304.3kW·h；从SOC从30%到充满，需要花费约146min，消耗交流电253.8kW·h。充电过程电池性能稳定。

8 经济效益、社会效益和环境效益

8.1 购置成本

35t进口小马机车的购置成本约为368万/台； 45t锂电池机车的购置成本约为135万/台，充电桩购置成本约为11万/台（按照两台45t锂电池机车配置1套120kW充电桩进行计算，充电桩购置成本为11万，折合配置每台机车5.5万）。因此，45t锂电池机车一次性固定投入成本约为140.5万元。

通过以上对比，45t锂电池机车的购置成本远远低于35t小马机车价格。

8.2 消耗成本

锂电池机车消耗成本由配件消耗、油料消耗、操作维护人员工资支出组成。电能消耗：机车平均重载续航能力约60km，充电消耗交流电约304.3kW·h，按照云南省一般大型工业用电电价（峰时段0.864元/度，平时段0.587元/度，谷时段0.31元/度）的标准进行计算。油料消耗：锂基脂消耗、中负荷工业齿轮油消耗、压缩机油消耗配件消耗：锂电池牵引机车配件消耗分为常规配件和大修配件。常规配件包含闸瓦、气源处理三联件、空滤芯；大修配件包含制动气缸、传动轴、变频器、减速机、主电机、空压机等。操作维护人员工资支出：1台机车配置3个操作司机和3个调车员，现场维保人员1个，共需要7人,人均工资约6000元/人，按机车每天运行30km计算。

内燃机车消耗成本主要有配件消耗、油料消耗和操作维护人员工资支出组成。以大瑞铁路二分部35t进口小马机车消耗作为对比数据。

根据试验情况统计，45t锂电池机车与35t小马机车进行经济性对比见表3。

表3 成本对比总表

对比结果显示，45t锂电池机车使用成本远低于35t小马机车，经济效益明显。

9 结语

通过45t锂电池牵引机车在长大隧道的工业性试验测试，总结如下：

机车续航能力强。在持续坡度9‰、最大坡度24‰（进洞上坡）的轨线，机车编组重载进洞、重载出洞续航能力达到55～60km（负载255.6t），满足长大隧道运输要求。

机车充电速度快，充满电仅需165min。

机车最高运行速度为15 km/h，满足长大隧道机车运行速度要求。

机车牵引性能良好。在24‰的坡度下，半坡启动上坡可牵引255.6t负载。

整车采用PLC控制系统，操作简单、安全可靠；采用变频器，机车启停、加减速平稳；锂电池热稳定性好满足高寒气候需求；整车制动系统安全可靠，反应灵敏，制动、松闸速度快；机车环保节能，经济性好，具有极高的推广价值。