城市轨道混合动力接触网作业车研制

2022-01-25李连凯

技术与市场 2022年1期

唐培，刘军，李连凯

(中车资阳机车有限公司产品研发中心，四川资阳 641300)

0 引言

接触网作业车主要用于城市轨道接触网架线、冷滑、检修作业。在架线作业时，机车牵引平板车及线圈恒低速行走，方便工作人员架线作业。架线完成后，需要对接触网进行冷滑检查，此时接触网不带电，受电弓升起与接触网接触，作业车以最高60 km/h的速度运行，检查受电弓与接触网的接触状态。城市轨道交通的快速发展及环保要求对接触网作业车提出新的要求，目前接触网作业车主要为内燃液力传动[1-2]，其废气及噪音对施工人员危害严重，基于此，设计了一款新型环保性接触网作业车，采用混合动力以及新技术，改善了司乘及工作人员工作环境，实现了精准定距停车、坡道停车、零速锁定、低恒速控制等功能。

1 机车方案

1.1 主要技术参数

作业车采用磷酸铁锂动力电池和柴油发电机组作为混合动力源，电池装电量300 kW·h，柴油发电机组装车功率80 kW。机车主要技术参数如表1所示。

1.2 总体布置

机车总体布置(见图1)，主要由司机室、车体、走行部、制动系统、电气系统、动力电池、柴油发电机组和升降平台组成。

表1 机车主要技术参数

1.3 司机室

司机室布置在车体的一端，司机室入口处布置有一扇门(见图2)。室内两端分别布置有2个操纵台，操纵台互锁以防止误操作。机车主变频器、辅助变频器及充电机集成为一体，布置在操纵台副司机位下方，整个司机室宽敞大方，室内无其他任何电器柜体。整个变频模块共有8个冷却风扇，分为2个独立区。2个独立区分别从机车前脸和车下进风，从机车侧墙排放。前脸进风口和侧墙出风口均采用45°斜角防雨及胶条防雨措施。为进一步保证防水效果，风道内部仅为散热片，电气元件在风道上层通过散热片进行散热。

1—受电弓；2—升降平台；3—动力柜；4—牵引电机；5—轮对驱动装置；6—动力电池；7—空压机；8—主辅一体柜；9—工具柜；10—操纵台1；11—空调外机；12—柴油发电机组；13—操纵台2；14—添乘座椅。

图2 司机室布置示意图

1.4 动力系统

动力系统由动力蓄电池和柴油发电机组组成。动力蓄电池悬挂于车架下方，柴油发电机组布置在车架上方。

动力蓄电池为磷酸铁锂电池，采用双支路，每支路由6箱电池串联组成540 V/277 A·h电池组，单箱电池组由1并25串单体电池组成。为提高动力电池安全度和可靠性，有必要增加动力电池冗余保护[3]。动力电池箱内设置防爆、泄压结构，电池内压力达到一定压力时，泄压阀会自动开启。除此之外，动力电池系统还配置防火抑灭系统，能够实时监控电池系统出现的烟雾及微火花情况并自动喷发灭火装置；操纵台上布置有手动灭火开关，也可手动喷发灭火装置。

柴油发电机组为静音式机组，机组功率为80 kW，自带油底壳容积160 L。柴油发电机组上设置有“手动-自动”转换开关，当置于“手动位”时，柴油机只能通过手动开启和关停。当置于“自动位”时，柴油机可根据机车工况及动力电池状态自动启停。

1.5 传动系统

机车采用交流电机驱动，传动系统主要包括牵引电机、万向轴和车轴齿轮箱(见图3)。牵引电机采用防脱落结构悬挂于车架下方，牵引电机安装位置高。在接触网施工阶段，隧道内可能存在一定的积水，抬高牵引电机安装位置有利于机车涉水运行。

1—牵引电机；2—万向轴；3—车轴齿轮箱。

由于接触网作业车在架线作业时需要长时间进行0～5 km/h的低恒速运行，对车轴齿轮箱的润滑系统要求非常严苛。本车车轴齿轮箱除了常规飞溅润滑以外，增加了强迫润滑。润滑油通过三路，分别润滑车轴齿轮箱的各个部分，以满足机车长时间低速运行的需要。

1.6 电气系统

机车主电路由动力电池箱、柴油发电机组、牵引变流柜、高压箱、2个牵引电机组成(见图4)。动力电池通过高压箱向中间直流回路供电，并通过牵引逆变器向牵引电机供电，控制机车运行，牵引电机采用轴控方式。柴油发电机组或地面电源通过整流升压模块向中间直流回路供电，柴油发电机组或地面电源供电时通过接触器互锁，通过DC/DC模块控制充电电压及充电电流，地面电源向动力蓄电池充电时机车不能行车。机车牵引运行时，牵引控制器根据司控器档位，输出相应档位对应的速度(/转矩)信号给逆变器，逆变器根据控制指令，采用闭环矢量控制方式，控制牵引电机输出扭矩，进而控制机车牵引运行。

机车再生制动回馈时，牵引控制器根据司控器制动档位，输出相对应的制动速度(转矩)信号给逆变器，逆变器根据控制指令，控制牵引电机实施再生制动，精确控制牵引电机的制动转矩，同时控制回馈电流。

图4 机车主拓扑图

2 机车特点

机车采用灵活的混合动力控制策略，根据动力电池状态、机车工况自动调整动力输出，可最大程度实现动力性与经济性。针对接触网作业车的特殊作业工况，机车具有零速锁定、精准定距停车、恒低速控制等功能。

2.1 机车混合动力策略

为提升机车经济性和环保性，机车在正常作业情况下均采用纯动力电池输出。当电池电量低于40%时，此时柴油发电机组自动启动，动力输出切换到柴油发电机组优先输出。当需求功率小于柴油发电机组额定功率时，柴油发电机组剩余功率为动力电池充电，电量恢复到95%以上时自动切换回动力电池优先输出。当需求功率大于柴油发电机组额定功率时，多余的功率由动力电池自动补充，如图5所示。

2.2 定距停车

接触网作业车在架线打孔时，往往需要精确走行固定的距离。目前城轨列车ATO系统主要通过线路预设的定标点来实现精确停车[4]，而接触网作业车在施工作业时并无定标点且其定距行走的距离比较灵活，现有方式无法满足施工精确停车的需求。

图5 机车动力策略

本机车牵引电机具有较高的采样精度，单圈4 096个脉冲信号，电机可根据脉冲进行精准控制。机车走行1 m时的脉冲数为：

(1)

其中：i为机车传动比；d为机车轮径(mm)。

当机车工况万转开关置于“定距行车”工况时，输入指定运行速度和行走距离，机车即可根据需要精确行车。当输入的走行距离小于指定运行速度的加速和减速距离时，为保证精确距离停车，机车会在到达指定运行速度前自动进入减速状态。机车定距走行试验结果如表2所示。

表2 机车定距走行试验结果

2.3 零速锁定功能

接触网作业车在施工时频繁短时停车、启动，传统内燃液传机车需要带闸启动，且根据司机的熟练度不同，往往存在一定的短时下滑溜车现象，有一定的行车风险。本机车具有零速锁定功能，即在坡道上通过纯电制动实现制动到零，并在短时间内保持制动状态的功能。经试验台测试，牵引电机散热满足堵转峰值扭矩维持10 min的散热需求。为保证电机使用性能，机车设置允许零速锁定的时间为2 min。坡起时，将机车工况万转开关置于“坡道起步”位，零速锁定功能启动，2 min足够司机启动机车并顺畅运行，机车起动更加平稳安全。

2.4 恒低速控制

接触网架线时，机车需要一直低速运行，在低速运行的同时升降平台上方工作人员同时架线施工。架线施工要求司机以1～2 km的速度慢速运行，现有的低速运行更加平稳，便于升降平台上方施工人员操作。现有的内燃液传机车低恒速控制采用比例变量泵和比例变量马达来实现低恒速，多为“2泵4马达”或“4泵4马达”[5]，系统结构复杂。Jiang S等人采用Fuzzy+PID实现机车速度精确控制[6]。李亮等人以PID策略实现汽车牵引力控制[7]。本机车采用PID机车恒速控制技术，可实现机车无级恒速控制，通过试验确定了最优P值和I值，使得机车恒速运行平稳无冲击，试验速度波动误差在1%～2%。

2.5 经济环保

根据HXN6机车实际运用数据显示，混合动力机车可降低燃油消耗率30%左右[8]。根据Cipek M等的研究表明，从长期投资来看，混合动力机车投入所获得的回报可达3倍以上[9]。经试验验证，本机车蓄电池动力时司机室最大噪音为60 dB，混合动力模式时司机室最大噪音63 dB，远低于标准[10]要求的75 dB。