0引言

梅鋼物流部普鐵區(qū)域機(jī)車共有8臺,其中3臺電傳機(jī)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(jī)車用于廠內(nèi)過磅、焦化、翻車機(jī)作業(yè)區(qū)域,液傳機(jī)車于1993年從資陽機(jī)車廠引進(jìn),最早一臺GK1型022內(nèi)燃液傳機(jī)車已運(yùn)用近30年,配備Z12V190BJ4發(fā)動機(jī)及ZY1011GY液力傳動箱。該機(jī)型早些年已經(jīng)淘汰, 目前機(jī)車傳動箱、柴油機(jī)及走行等部件由于運(yùn)用年限長,處于加速劣化階段,維修成本高。根據(jù)機(jī)車現(xiàn)狀和運(yùn)用狀況分析, 目前普鐵區(qū)域GK1型機(jī)車運(yùn)用年限長、機(jī)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(shí)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(jī)車淘汰更新監(jiān)督管理辦法》^[1],對老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車實(shí)行分類管理,對達(dá)到報(bào)廢運(yùn)用年限30年的老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車實(shí)施報(bào)廢管理,已達(dá)到報(bào)廢運(yùn)用年限或者使用已達(dá)到報(bào)廢運(yùn)用年限機(jī)車零部件拼裝的老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)車不得參與鐵路運(yùn)輸。另外,國家鐵路局貫徹落實(shí)“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(jī)車替代運(yùn)用。

1.2 公司層面內(nèi)在需求

分析公司鐵運(yùn)現(xiàn)狀,GK1型內(nèi)燃機(jī)車從節(jié)能減排、降本增效、機(jī)車運(yùn)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(jī)車主要存在以下不足:

1)內(nèi)燃機(jī)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(shí)國務(wù)院“十四五”節(jié)能減排方案中推動實(shí)施鐵路內(nèi)燃機(jī)車國一排放標(biāo)準(zhǔn)的要求,推動鐵路內(nèi)燃機(jī)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(jī)車及其發(fā)動機(jī)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(jī)車柴油機(jī)為濟(jì)南柴油機(jī)廠生產(chǎn),根據(jù)該廠《190柴油機(jī)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(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(yùn)用成本高。為保證工作臺班內(nèi)任何情況下機(jī)車都能夠隨時投入,現(xiàn)有內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車采取怠速不熄火的運(yùn)用方式,造成燃料成本高;同時內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)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(jī)車普遍采用小、輔修加輪換大、中修的模式,機(jī)車的年維保成本居高不下,年運(yùn)用成本達(dá)115萬元。

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

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

5)機(jī)車部件磨損嚴(yán)重、故障率高,影響機(jī)車運(yùn)用效率。

6)GK1型內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)、液力傳動效率低,機(jī)車燃油消耗達(dá)33 L/h,與機(jī)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(shí)時監(jiān)控機(jī)車各主要部件,全面掌握機(jī)車及主要部件狀態(tài)信息,為設(shè)備運(yùn)維一體的管控模式提供有利條件。

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

2.1機(jī)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(jī)車主要動力模式分為動力電池模式、柴油機(jī)動力模式和柴油機(jī)十動力電池的雙動力模式。動力電池模式下,機(jī)車牽引采用動力電池供電,柴油機(jī)根據(jù)機(jī)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(jī)車微機(jī)控制動力電池的充放電邏輯;柴油機(jī)動力模式下以柴油機(jī)為機(jī)車運(yùn)行提供動力,車載微機(jī)根據(jù)機(jī)車需求控制柴油機(jī)功率;雙動力模式下由動力電池十柴油機(jī)同時為機(jī)車運(yùn)行提供動力,該模式主要應(yīng)用在特殊、困難、重載、機(jī)車需要大功率輸出工況條件下,雙動力模式保證了機(jī)車功率和牽引力的穩(wěn)定輸出。

1)混合動力機(jī)車優(yōu)點(diǎn):機(jī)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(jī)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(jī)不啟動,降低了油耗。

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

2.1.2純電動力

純電動力機(jī)車采用純動力電池驅(qū)動,為機(jī)車牽引運(yùn)行提供動力;輔助設(shè)備(牽引通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)等)均由動力電池提供電源;風(fēng)扇、雨刮器、微機(jī)、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(jī)車控制用的鉛酸電池進(jìn)行充電。純電動力機(jī)車具有操作維護(hù)簡便、綠色環(huán)保、噪聲低、運(yùn)維費(fèi)用低、便于智能運(yùn)維等特點(diǎn),但機(jī)車運(yùn)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(jī)車優(yōu)點(diǎn):采用動力電池供電,機(jī)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(jī)車運(yùn)行采用動力電池,無柴油機(jī)機(jī)械傳動功率損耗,無燃料消耗,無尾氣排放,真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排,滿足碳達(dá)峰、碳中和要求;機(jī)車無柴發(fā)機(jī)組,無須配置柴油機(jī)檢修維護(hù)人員,降低了機(jī)車檢修維護(hù)成本;動力系統(tǒng)采用動力電池,機(jī)車傳動為直交電傳動,效率顯著提升,機(jī)車運(yùn)用成本降低,實(shí)現(xiàn)了降本增效。

2)純電動機(jī)車缺點(diǎn):根據(jù)機(jī)車運(yùn)用環(huán)境、運(yùn)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(jī)車運(yùn)行需充分考慮動力電池電量,無法做到隨時隨地投入運(yùn)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(jī)車新能源改進(jìn)方案及應(yīng)用范圍

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

1)機(jī)車采用純動力電池供電,操作簡便,機(jī)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(jī)車運(yùn)行采用動力電池,無柴油機(jī)機(jī)械傳動功率損耗,無燃料消耗,無尾氣排放,機(jī)車傳動為直交電傳動,效率顯著提升,真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排,滿足碳達(dá)峰、碳中和要求。

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

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

3機(jī)車改進(jìn)內(nèi)容

3.1鐵水運(yùn)輸機(jī)車運(yùn)行線路條件及運(yùn)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(yùn)行速度:5~12 km/h。

運(yùn)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(yùn)輸能力估算。鐵水運(yùn)輸中往返一次動力電池耗電量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

3.3電池選擇

1)機(jī)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(jī)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(jì)。

3)當(dāng)前機(jī)車動力電池以磷酸鐵鋰及鈦酸鋰為主。磷酸鐵鋰電池價(jià)格低;鈦酸鋰電池價(jià)格高,但快速充放電能力強(qiáng),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(jī)車運(yùn)用要求、動力電池充放電性能、動力電池安全、機(jī)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(jī)車的運(yùn)用效率較低,而采用鈦酸鋰電池,充電時間在1 h以內(nèi),機(jī)車等待時間即可完成,因此新能源機(jī)車改進(jìn)宜采用鈦酸鋰電池,電池電量330 kw?h。

 3.4 機(jī)車新能源化方式

3.4.1新能源機(jī)車總體布置

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

1)Ⅱ端操縱端:添乘座椅、機(jī)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(jī)、干燥器、牽引通風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)室:操縱臺(含司機(jī)控制器、制動控制器、微機(jī)顯示屏、扳鍵/開關(guān)、空調(diào)控制面板)、空調(diào)、風(fēng)扇、司機(jī)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(jī)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(diǎn)(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(jī)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(yùn)行狀態(tài)、電池特性參數(shù)及充電機(jī)自身的運(yùn)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(jī)進(jìn)站充電。

4 結(jié)束語

機(jī)車純電動改進(jìn)滿足國家關(guān)于老舊型鐵路內(nèi)燃機(jī)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(yùn)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(jī)車搭載目前主流的微機(jī)控制系統(tǒng)、變流裝置,實(shí)施對機(jī)車動力電池、牽引電機(jī)、開關(guān)類部件等的監(jiān)測控制,并存儲機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)、部件狀態(tài)數(shù)據(jù)信息,對機(jī)車故障分析和處理等有積極的幫助作用,可實(shí)現(xiàn)健康診斷功能,為鐵水運(yùn)輸遠(yuǎn)程運(yùn)維及無人化做支撐。

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2024年第19期第14篇