ZE R7型雙動(dòng)力源地鐵工程車

馬曉寧，李希寧，婁 超，韋蘇來，周鳴語，康亞慶

（1 南車株洲電力機(jī)車有限公司　技術(shù)中心，湖南株洲412001；2 南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇南京210002）

ZE R7型雙動(dòng)力源地鐵工程車

馬曉寧1，李希寧1，婁 超1，韋蘇來2，周鳴語2，康亞慶2

（1 南車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001；2 南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇南京210002）

介紹了一種以內(nèi)燃和接觸網(wǎng)供電的雙動(dòng)力源地鐵工程車的總體和電氣系統(tǒng)，包括設(shè)備布置、主要技術(shù)參數(shù)、主要部件及技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)小功率內(nèi)燃發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在電力工程車平臺(tái)上的集成技術(shù)予以了說明。

雙動(dòng)力源地鐵工程車；內(nèi)燃；電力；平臺(tái)；集成

在國(guó)內(nèi)地鐵工程車領(lǐng)域，內(nèi)燃工程車占據(jù)了主要市場(chǎng)，同時(shí)也出現(xiàn)了電網(wǎng)+蓄電池電源形式的工程車。新車型在節(jié)能減排降噪等方面有很好的優(yōu)勢(shì)，但由于受蓄電池性能的影響，在環(huán)境溫度適應(yīng)性、持續(xù)工作時(shí)間和電池壽命等方面并不占優(yōu)，尚不能得到用戶的普遍接受。

以直流或交流電網(wǎng)和車載柴油發(fā)電機(jī)組供電的電力—內(nèi)燃雙動(dòng)力源工程車在國(guó)內(nèi)尚無應(yīng)用報(bào)道，但在國(guó)外已經(jīng)投入運(yùn)用。如加拿大Bo m bardier公司、西班牙IN G E T E A M公司都曾制造和銷售了電力—內(nèi)燃雙動(dòng)力源機(jī)車。其結(jié)合了內(nèi)燃機(jī)和電網(wǎng)牽引的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)線路和環(huán)境溫度的適應(yīng)性大幅增強(qiáng)。

ZE R7型地鐵工程維護(hù)車是借鑒南車株洲電力機(jī)車有限公司既有的工程車平臺(tái)的設(shè)計(jì)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)的一款適用于D C 1500 V接觸網(wǎng)供電和車載柴油發(fā)電機(jī)組供電的新型四軸交流傳動(dòng)雙動(dòng)力源工程車。其中，接觸網(wǎng)供電作為工程車的主要牽引方式，柴油發(fā)電機(jī)組供電則作為備用牽引。相對(duì)內(nèi)燃工程車而言，可以大幅降低對(duì)柴油機(jī)的依賴性，提高電網(wǎng)的利用率。該車主要用于地鐵列車車輛的牽引、調(diào)車作業(yè)及網(wǎng)軌檢測(cè)車牽引、線路工務(wù)作業(yè)、接觸網(wǎng)新線熱滑等，能夠滿足國(guó)內(nèi)大多數(shù)地鐵工程車市場(chǎng)的需求。

1　工程車運(yùn)用條件

2　工程車總體部分

2.1設(shè)備布置

工程車為單司機(jī)室和雙側(cè)外走廊結(jié)構(gòu)，整車分為車上設(shè)備布置和車下設(shè)備布置兩部分。車上設(shè)備依次為：空氣管路柜、司機(jī)室（頂置受電弓）、控制電源柜、低壓電器柜、輔助逆變柜、整流柜和柴油發(fā)電機(jī)組，車下設(shè)備為：壓縮機(jī)、線路電抗器、牽引逆變器、高壓電器柜、高速斷路器、制動(dòng)電阻柜（2臺(tái)）和轉(zhuǎn)向架等。設(shè)備總體布置特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：依托本公司ZE R3型電力工程車結(jié)構(gòu)平臺(tái)，同時(shí)兼顧傳統(tǒng)內(nèi)燃工程車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；單司機(jī)室置于工程車一端，遠(yuǎn)離機(jī)組，可以有效降低司機(jī)室噪聲和振動(dòng)，提高司乘人員舒適度；人行通道合理；柴油發(fā)電機(jī)組及其燃油箱為一體化結(jié)構(gòu)；車下設(shè)備多為高電壓、散熱量大、干擾性強(qiáng)的電氣部件，充分利用了車體的隔離、屏蔽作用。

整車設(shè)備布局合理，司機(jī)視野良好，設(shè)備安裝、操作及維護(hù)方便。工程車總體設(shè)備布置見圖1。

2.2總體參數(shù)

圖1　工程車總體設(shè)備布置

2.3牽引特性

工程車牽引特性曲線見圖2。

圖2　牽引特性曲線

輪周功率/k W

最高速度/（km·h-1）

起動(dòng)牽引力/k N

2.4電制動(dòng)特性

工程車電制動(dòng)特性見圖3。

輪周電制動(dòng)功率/k W

3　工程車電氣部分

3.1主傳動(dòng)方式

工程車在接觸網(wǎng)供電時(shí)為直—交主傳動(dòng)方式，在柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)為交—直—交主傳動(dòng)方式，如圖4。發(fā)電機(jī)組輸出電壓為三相AC690 V/60 H z，經(jīng)三相整流輸出的額定電壓為DC900V。牽引逆變器內(nèi)的兩組牽引模塊按照架控方式控制4臺(tái)牽引電機(jī)，工程車電制動(dòng)能量可以反饋至接觸網(wǎng)或制動(dòng)電阻及輔機(jī)系統(tǒng)。

圖3　電制動(dòng)特性曲線

3.2輔助電路

工程車的輔助電源為三相AC380V/50Hz，輔助逆變器由接觸網(wǎng)或中間電路取電，可以向車內(nèi)、外負(fù)載供電。輔助電路還設(shè)計(jì)了庫內(nèi)三相AC380 V充電電路，可以滿足庫內(nèi)柴油機(jī)的低溫預(yù)熱及工程車控制蓄電池的充電。

圖4　主傳動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖

3.3網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

工程車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)由MRS16型機(jī)組控制器接收，經(jīng)RS485總線由RCM模塊讀取，并上傳至司機(jī)室網(wǎng)絡(luò)終端。如圖5。

圖5　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

4　工程車主要部件

4.1柴油發(fā)電機(jī)組4.2 整流器

整流器采用三相全波整流電路，主要參數(shù)如下：

4.3牽引逆變器

4.4牽引電機(jī)

5　工程車主要特點(diǎn)

電力—內(nèi)燃雙動(dòng)力源工程車是在D C 1 500 V接觸網(wǎng)供電的交流傳動(dòng)電力工程車的技術(shù)平臺(tái)上集成內(nèi)燃電傳動(dòng)系統(tǒng)，且內(nèi)燃機(jī)組作為輔助和備用牽引電源。因此，該車型主要特點(diǎn)如下：

5.1柴油機(jī)組系統(tǒng)

柴油機(jī)組是集成在電力工程車平臺(tái)上的重要部件。柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)采用單軸承結(jié)構(gòu)，總成后的機(jī)組經(jīng)彈性減振裝置安裝在共同的基座上，基座內(nèi)部設(shè)置了燃油箱；基座、油箱、電器柜與機(jī)組總裝后加裝靜音箱。其中，燃油箱設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，以防止燃油的泄漏；燃油箱與機(jī)組的一體化結(jié)構(gòu)可以消除分體時(shí)進(jìn)油管及回油管可能造成的泄漏，防止污染車上、車下電氣設(shè)備和線纜。

由于燃油箱沒有布置在工程車中央，需要考慮燃油質(zhì)量變動(dòng)對(duì)整車質(zhì)量分配的影響；同時(shí)，由于燃油箱安裝在基座內(nèi)部，高度有限，為提高燃油的利用率，在燃油箱上部（靜音箱內(nèi)）增加了副油箱，柴油機(jī)的吸油口設(shè)置在副油箱內(nèi)。

機(jī)組的冷卻進(jìn)風(fēng)口設(shè)置如圖6所示，循環(huán)后的熱風(fēng)由排風(fēng)室頂部格柵排出，該方式可以消除工程車前、后方向運(yùn)行時(shí)排風(fēng)背壓對(duì)機(jī)組功率的影響，同時(shí)，向上的排風(fēng)也可將機(jī)組排煙吹散，減少對(duì)站臺(tái)內(nèi)墻壁上廣告設(shè)施的污染。

圖6　柴油發(fā)電機(jī)組通風(fēng)示意圖

柴油機(jī)組的發(fā)電機(jī)輸出電源為三相AC 690 V，經(jīng)過三相整流后，額定工況下輸出DC 900 V電源，此值選擇在滿足牽引負(fù)荷功率需求同時(shí)，還考慮了空載輸出電壓值和柴油機(jī)組突然卸載時(shí)可能出現(xiàn)的瞬間較高電壓，從而使整流器輸出電壓抬高，對(duì)主電路造成不利影響。

柴油發(fā)電機(jī)組的恒速恒壓控制系統(tǒng)具備電源的自調(diào)節(jié)能力，以維持不同負(fù)載功率情況下的電源電壓和頻率恒定。對(duì)于中小功率的柴油機(jī)組，采用恒定中高轉(zhuǎn)速控制技術(shù)不僅成熟可靠，而且可以有效避免機(jī)組與工程車間發(fā)生共振現(xiàn)象。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃電傳動(dòng)控制方式，由于機(jī)組控制系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)解耦，使得電力工程車控制系統(tǒng)不必改變并可以兼容內(nèi)燃機(jī)組系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了此類電力—內(nèi)燃雙動(dòng)力源工程車的控制方式。

5.2控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃電傳動(dòng)工程車控制系統(tǒng)相比，本項(xiàng)目中，柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)（ECU和AVR）獨(dú)立于工程車牽引逆變器—牽引電機(jī)組成的負(fù)載調(diào)整控制系統(tǒng)（DCU）。由于考慮空間、本身質(zhì)量等因素，柴油發(fā)電機(jī)組的功率裕量不會(huì)很大，因此，在柴油機(jī)功率基本滿足負(fù)載需求時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)能否滿足工程車在牽引工況下的功率調(diào)整率的要求就至關(guān)重要。由于柴油機(jī)組功率輸出是對(duì)工程車負(fù)載需求的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且功率調(diào)整受油門調(diào)整時(shí)間影響，若負(fù)載增加過快，當(dāng)輸出功率無法滿足時(shí)，將可能導(dǎo)致柴油機(jī)熄火，尤其在柴油機(jī)組功率超過50%以后。因此需要適當(dāng)延長(zhǎng)負(fù)載調(diào)整控制系統(tǒng)（DCU）的加載時(shí)間，降低功率調(diào)整率，使兩種控制系統(tǒng)有更好的匹配性。本項(xiàng)目通過降低負(fù)載調(diào)整控制系統(tǒng)（DCU）的加載調(diào)整率予以解決。工程車0至100%功率突加、減載試驗(yàn)參數(shù)曲線見圖7，試驗(yàn)中，將0至250 k W功率的加載時(shí)間設(shè)置為3 s。

圖7　柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)載突變?cè)囼?yàn)

試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電源功率、電壓、電流和頻率。在0至100%功率突加過程中，在不到4 s的時(shí)間內(nèi)，機(jī)組輸出功率就達(dá)到了最大值，期間其他參數(shù)均有波動(dòng)，但波動(dòng)值均在牽引逆變器輸入值的允許范圍內(nèi)。機(jī)組滿載運(yùn)行約24 s后，負(fù)載突降至0，機(jī)組響應(yīng)迅速，沒有出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。整個(gè)過程柴油機(jī)運(yùn)行正常。

柴油發(fā)電機(jī)組配備了完善的檢測(cè)保護(hù)裝置，關(guān)鍵參數(shù)，如油壓、轉(zhuǎn)速、水溫、電壓等都設(shè)置一級(jí)報(bào)警值和停機(jī)保護(hù)值。機(jī)組的重要參數(shù)都通過總線傳輸至司機(jī)室終端，但機(jī)組不會(huì)通過總線發(fā)出工程車控制指令。

表1　基于代碼生成的邏輯控制矩陣

6　結(jié)束語

工程車組裝完成后，依據(jù)設(shè)計(jì)要求和電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車和柴油發(fā)電機(jī)組等的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制了ZE R7型雙動(dòng)力源地鐵工程車的型式試驗(yàn)和例行試驗(yàn)大綱，并在廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)和設(shè)計(jì)改進(jìn)。在重點(diǎn)關(guān)注的柴油發(fā)電機(jī)組牽引工況時(shí)的主要技術(shù)性能指標(biāo)方面，如噪聲、振動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)兼容性、電源調(diào)節(jié)能力與工程車負(fù)載調(diào)節(jié)匹配性等的試驗(yàn)結(jié)果見表1：

各主要參數(shù)實(shí)測(cè)值均滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范要求，整車也通過了型式試驗(yàn)和例行試驗(yàn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)用，工程車雙電源工況轉(zhuǎn)換靈活，工作穩(wěn)定可靠；尤其是電力牽引，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃工程車，獲得了用戶認(rèn)可。

［1］ Georg zur Bonsen，等.用于北美的雙動(dòng)力源機(jī)車［J］.國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車，2010，414（6）：1-5，12.

［2］ 張書堂，王雙強(qiáng).東風(fēng)4型機(jī)車司機(jī)室共振問題的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2002，339（5）：6-12，17.

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［4］ G B/T 3318-2006 電力機(jī)車制成后投入使用前的試驗(yàn)方法［S］.

［5］ GB/T 3315-2006 內(nèi)燃機(jī)車制成后投入使用前的試驗(yàn)方法［S］.

［6］ GB 5913-1986 柴油機(jī)車車內(nèi)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)烈度評(píng)定方法［S］.

ZE R7Double Energy Locomotive for the M etro

M A Xiaoning1，LI Xining1，L O U Chao1，W EI Sulai2，Z H O U Mingyu2，K ang Yaqing2
（1 Technical Center，CSR Zhuzhou Electric Loco m otive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 H unan，China；2 Nanjing M etro Group Co.，Ltd.，Nanjing 210002 Jiangsu，China）

This paper presents the generallayout and electrical systems of the diesel-electricity double energy metro engineering locomotive，including the equipmentlayout，the main technical data，the main assembly and the technical characteristics.Theintegrated technology of the low and medium power diesel generator set system is emphatically introduced based on the electric locomotive platform.

double energy metro engineering loco m otive；diesel；electricity；platform；integrated

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.19

1008-7842（2015）05-0083-04

運(yùn)用與檢修

馬曉寧（1970—）男，教授級(jí)高級(jí)工程師（2015-05-13）