HXN6型混合動力調(diào)車機車調(diào)車作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟性及環(huán)保性研究*

孟玉發(fā), 何國福, 劉順國, 劉 耕

(中車資陽機車有限公司 研發(fā)部， 四川資陽 641301)

HXN6型混合動力調(diào)車機車是中車資陽機車有限公司于2013年承擔中國鐵路總公司科技研究開發(fā)項目《機車車輛前瞻性技術(shù)研究—2 000～2 500 kW混合動力機車研制及雙燃料機車技術(shù)方案研究》而研制的2 200 kW 混合動力交流傳動調(diào)車機車，是功率大且技術(shù)處于領(lǐng)先水平的交流傳動混合動力機車。機車采用外走廊、底架承載式車體，C0-C0軸式，柴油機裝車功率1 250 kW，動力電池裝車容量1 100 kW·h，中間直流環(huán)節(jié)小時功率為2 200 kW，機車最大運行速度為100 km/h的交流傳動混合動力調(diào)車機車。HXN6 0001機車于2016年完成型式試驗和研究性試驗，并于2017年1月在哈爾濱鐵路局開始運用考核試驗。HXN6型混合動力調(diào)車機車型式試驗和運用考核試驗不僅驗證機車是否滿足其技術(shù)條件要求和運用的可靠性，而且更重要地是驗證該型機車調(diào)車作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟性及環(huán)保性，因此本文根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對該型機車的調(diào)車作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟性及環(huán)保性進行研究。

1 HXN6型混合動力調(diào)車機車主要技術(shù)參數(shù)

HXN6型混合動力調(diào)車機車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力、經(jīng)濟性及環(huán)保性研究

2.1 HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力研究

HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力分別通過高海拔、高溫和低溫試驗和運用考核試驗，具體試驗如下：

表1 機車主要性能參數(shù)

(1) HXN6型混合動力調(diào)車機車高海拔條件下小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗

2016年某天在蘭州局的武威南-打柴溝，進行高海拔的HXN6 0001機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗，同時驗證該機車在長大隧道內(nèi)是否降功運行。武威南-打柴溝區(qū)段，海拔從1 500 m持續(xù)升至2 500 m，坡道10‰至13‰之間，還有20 km長的長大隧道。HXN6 0001機車于當天8:05從武威南出發(fā)時機車動力電池容量SOC為95%，牽引1 000 t，機車全程輸出額定輪周牽引功率1 850 kW。于當天9:26機車運行到海拔2 250 m的柳家臺站，此時動力電池容量SOC還剩余24%，HXN6 0001機車在此站讓車并等待發(fā)車指令時，利用這個機會用車載柴油發(fā)電機組給動力電池補充電能，直到當天9：53分機車發(fā)車指令時，動力電池容量SOC達到50%，機車再次滿功率牽引，并順利且不降功通過20 km的長大隧道，于當天10：35機車順利到達試驗終點海拔2 500 m 的打柴溝，此時動力電池容量SOC還剩余20%。此項試驗表明HXN6型混合動力調(diào)車機車的續(xù)航能力完全能滿足高海拔地理環(huán)境小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)要求。

(2) HXN6型混合動力調(diào)車機車高溫條件下小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗

2016年夏季環(huán)境溫度約32℃，HXN6 0001機車在蘭新線瑪納斯—奎屯區(qū)間進行了高溫條件下的小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)運行試驗。機車牽引質(zhì)量1 940 t，運行距離約108 km，機車出發(fā)時動力電池容量SOC為90%，機車到達試驗終點奎屯站時動力電池容量SOC還剩余74%。此項試驗表明HXN6型混合動力調(diào)車機車的續(xù)航能力完全能滿足高溫地理環(huán)境小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)。

(3) HXN6型混合動力調(diào)車機車低溫條件下小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)續(xù)航能力試驗

HXN6 0001機車于1月6日23:00到達塔河站，并于1月7日2:30至8:30完成由塔河到加格達奇小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)，牽引噸位2 154 t，燃油消耗量970 dm3，走行里程260 km，整個運行區(qū)間的環(huán)境溫度為-27～-38℃，機車動力電池容量SOC在塔河出發(fā)時為92%，到達加格達奇時為86%。此項試驗表明HXN6型混合動力調(diào)車機車的續(xù)航能力完全能滿足低溫地理環(huán)境小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)要求。

2.2 HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)經(jīng)濟性研究

(1) HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)經(jīng)濟性對比作業(yè)區(qū)段情況介紹

HXN6 0001機車執(zhí)行哈爾濱南站經(jīng)哈東站到綏化區(qū)段的小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)運用考核試驗，哈爾濱南站至綏化區(qū)段共117 km，當機車從哈爾濱南站向綏化執(zhí)行牽引時，最大上行坡道為11.38‰，大部分坡道集中在3‰至6‰之間，累計總長約為29 km；最大下行坡道為7.55‰，大部分坡道集中在3‰至7‰之間，累計總長約為28 km。本區(qū)段的正常牽引機車以HXN5、DF4C型機車為主，DF4C型機車牽引定數(shù)不超過4 000 t，超過4 000 t 的編組只能用HXN5型機車牽引。HXN6 0001機車的牽引定數(shù)比照DF4C機車執(zhí)行。

(2) HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)經(jīng)濟性對比作業(yè)區(qū)段動能提供方式

HXN6 0001機車在哈爾濱南站至綏化區(qū)段進行小運轉(zhuǎn)作業(yè)時，由于不具備地面電源充電條件，故由純?nèi)加蜑闄C車提供能源，機車待命時柴油發(fā)電機組為動力電池補充電能，機車牽引時柴油機優(yōu)先提供動力，當柴油機功率不能滿足要求時，由動力電池補充。

(3) HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)經(jīng)濟性分析

HXN6 0001機車于2月23日到3月3日，9天共執(zhí)行17次哈爾濱南站到綏化的小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)，累計走行里程2 430 km，累計牽引噸位59 834 t，累計燃油消耗約11 850 dm3，平均每萬噸公里油耗為13.86 dm3。對比機車為HXN5 0200機車，在2月23日到2月28日共牽引8次，累計走行里程1 080 km，累計牽引噸位29 555 t，累計燃油消耗約9 400 dm3，平均每萬噸公里油耗為23.56 dm3；對比機車DF4C5135，在3月1日到3月3日共牽引3次，累計走行里程405 km，累計牽引噸位9 153 t，累計燃油消耗約3 250 dm3，平均每萬噸公里油耗為26.3 dm3。

因此，HXN6型混合動力調(diào)車機車在執(zhí)行哈爾濱南站經(jīng)哈東站到綏化區(qū)段的小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)運用考核期間，HXN6型機車比對比機車HXN5型機車節(jié)油41.17%，比對比機車DF4C型機車節(jié)油47.3%。

2.3 HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)環(huán)保性研究

根據(jù)國家環(huán)?？偩帧蛾P(guān)于排污費征收核定有關(guān)工作的通知》(環(huán)發(fā)[2003]64號)中有關(guān)排放污染物物料衡算的規(guī)定的計算方法，計算公式如下：

減少SO2的排放量：

GSO2=2×B×S

式中GSO2為SO2排放量，t；B為燃油降低量，t；S為燃油全硫分含量，%。

減少CO排放量：

GCO=2.33×B×C

式中GCO為CO排放量，t；B為燃油降低量，t；C為燃油中碳含量，%；Q為燃油燃燒不完全值，%。

減少NOX排放量：

GNOX=1.63×B×(N×β+0.000938)

式中GNOX為NOX排放量，t；B為燃油降低量，t；N為燃油中氮含量，%；β為燃油中氮的轉(zhuǎn)化率，%。

通過以上分析，同一型號機車，同一種燃油，GSO2、GCO、GNOX均與燃油消耗量成正比例，因此HXN6型混合動力調(diào)車機車小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)時，在同等作業(yè)條件下，HXN6型機車比對比機車HXN5型機車排放量降低41.17%，比對比機車DF4C型機車排放量降低47.3%。

3 HXN6型混合動力調(diào)車機車編組及推峰作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟性及環(huán)保性研究

3.1 HXN6型混合動力調(diào)車機車編組及推峰作業(yè)對比作業(yè)區(qū)域情況介紹

HXN6 0001機車在哈爾濱南站進行編組和推峰作業(yè)運用考核，并與HXN5B和HXN3B進行對比運用。哈爾濱南站為一等站，按技術(shù)作業(yè)性質(zhì)劃分為編組站、按業(yè)務(wù)性質(zhì)劃分為貨運站，擔負著黑龍江省、內(nèi)蒙古部分地區(qū)貨物列車的中轉(zhuǎn)工作。連接濱洲、濱北、濱綏、京哈、拉濱5條干線，擔負著這5個方向的重、空車改編及直通、直達列車的無調(diào)中轉(zhuǎn)任務(wù)，是哈爾濱鐵路局管轄內(nèi)唯一的路網(wǎng)性編組站。

站場布局為雙向、縱列式3級6場，其中4場為上行編組場、2場為上行到達場。干線機車將貨物拉到2場之后，由2場的調(diào)車機車推至駝峰，經(jīng)過50‰的坡道將車輛溜放到4場。4場的主要任務(wù)是將上行到達場的解體貨物進行編組，摘掛由2場解體之后溜放下的車輛使其組成一整列后，交到上行出發(fā)場由干線列車牽引出站。其中在峰頭作業(yè)的主要車型為HXN5B，而在峰尾作業(yè)的車型主要是HXN3B。

3.2 HXN6型混合動力調(diào)車機車編組及推峰作業(yè)動能提供方式

HXN6 0001機車在哈爾濱南站編組及推峰作業(yè)時不具備地面電源充電條件，故由純?nèi)加蜑闄C車提供能源，機車待命時柴油機停機，機車牽引時由純電池提供動力，當動力電池容量SOC低于40%時，機車自動起動柴油機，柴油機工作在720 r/min的經(jīng)濟區(qū)域為動力電池補電，當SOC達到70%時，柴油機自動停機。

3.3 HXN6型混合動力調(diào)車機車調(diào)車編組作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟性及環(huán)保性研究

(1) HXN6型混合動力調(diào)車機車調(diào)車編組作業(yè)適應(yīng)性研究

HXN6 0001機車于2月20日至6月17日，在哈爾濱哈南站4場—6場，進行了編組作業(yè)工況考核，共計換算走行17 853 km，累計編組作業(yè)690 h，累計牽引噸位4 727 336 t，順利完成在哈爾濱鐵路局的編組作業(yè)運用考核試驗。

為了進一步驗證HXN6 0001機車編組作業(yè)適應(yīng)性要求，2017年6月27日中國鐵路總公司運輸局機務(wù)部在哈爾濱機務(wù)段組織了機車半年運用考核情況座談會。小運轉(zhuǎn)、推峰和調(diào)車編組作業(yè)全部均達到滿意的效果，因擔心2 200 kW 的HXN6 0001機車相比3 300 kW (4 400 HP)的HXN3B和HXN5B型機車，其功率偏小，只有一項最困難的作業(yè)工況，即哈南站2場牽引6 000 t從峰下上行到達駝峰的極限工況沒有組織試驗。為全面驗證HXN6 0001機車編組作業(yè)適應(yīng)性，哈爾濱機務(wù)段于2017年6月29日在哈南站2場安排了HXN6 0001機車牽引6 025 t 上行到達駝峰的牽引試驗，試驗結(jié)果完全滿足作業(yè)要求。具體試驗情況如下：

哈爾濱鐵路局哈南站2場的上行到達駝峰牽引為逆向駝峰牽引，二場的駝峰也是哈南站坡度最大的駝峰。其駝峰縱斷面圖如圖1。

圖1 駝峰縱斷面圖

6月29日上午12：00，HXN6 0001號機車在哈南站二場進行調(diào)車牽引作業(yè)，車次42002，該車次牽引6 025 t 從4場02道經(jīng)由3.2‰的道岔區(qū)，進入16.7‰的中間坡和50‰的加速坡逆向上到達坡頂，再進入駝峰2場08道。該次作業(yè)用時8 min，機車通過坡頂用時約2 min，坡頂通過速度為15 km/h。HXN6 0001號機車牽引試驗的速度曲線和柴油機轉(zhuǎn)速曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 HXN6型機車速度曲線

圖3 HXN6型機車柴油機轉(zhuǎn)速曲線

此次作業(yè)司機控制器手柄到達2檔位時機車啟動，司機控制器手柄逐步提升，1′30″后司機控制器手柄到達8檔位，此時柴油機轉(zhuǎn)速1 000 r/min，機車速度為11 km/h，此時進入道岔區(qū)。20 s之后，機車速度14 km/h進入50‰的坡道，20 s之后機車以15 km/h速度駛出50‰坡道。

HXN6 0001機車此次作業(yè)為哈南站調(diào)車作業(yè)最嚴酷的工況，牽引噸位為哈南站二場駝峰調(diào)車的極限噸位，2場駝峰調(diào)車HXN5B在此處牽引過5 000 t多，一般情況下司機控制器手柄6檔位通過峰頂，通過速度同樣為15 km/h左右，此區(qū)間限速20 km/h， HXN6機車牽引6 025 t，與HXN5B機車相同的速度和相同的時間完成調(diào)車牽引作業(yè)。

因此，通過HXN6 0001機車在哈爾濱鐵路局的編組作業(yè)試驗證明，HXN6型機車完全滿足大型編組站調(diào)車編組作業(yè)要求。

(2) HXN6型混合動力調(diào)車機車調(diào)車編組作業(yè)經(jīng)濟性研究

HXN6 0001機車從2月20日至6月17日在哈爾濱哈南站4場—6場，進行了編組作業(yè)工況考核，累計牽引噸位4 727 336 t，累計燃油消耗40 700 dm3，平均油耗為86.095 dm3/(萬t·km)。對比車型為HXN3B 0102號機車，在同一考核期間累計牽引4 982 416 t，燃油消耗約61 200 dm3，平均油耗為122.832 dm3/(萬t·km)。因此，HXN6 0001機車在4場調(diào)車編組作業(yè)期間，HXN6相比HXN3B節(jié)油率為29.91%。

(3) HXN6型混合動力調(diào)車機車調(diào)車編組作業(yè)環(huán)保性研究

① HXN6型混合動力調(diào)車機車在哈爾濱哈南站進行調(diào)車編組作業(yè)時，柴油機工作時間曲線與對比HXN3B 0102機車相比如圖4所示， HXN6柴油機工作時間約占機車工作一天的五分之一時間，相比HXN3B全天柴油機不停(回庫整備除外)，可減少柴油機噪聲的80%的時間。

圖4 HXN6 0001與HXN3B 0102曲線對比圖

② 由于GSO2、GCO、GNOX均與燃油消耗量成正比例，因此HXN6型混合動力調(diào)車機車調(diào)車編組作業(yè)時，在同等作業(yè)條件下，HXN6型機車比對比機車HXN3B型機車排放量降低29.91%。

3.4 HXN6型混合動力調(diào)車機車推峰作業(yè)適應(yīng)性、經(jīng)濟性及環(huán)保性研究

(1) HXN6型混合動力調(diào)車機車推峰作業(yè)適應(yīng)性研究

HXN6 0001機車從3月23日至4月11日在哈爾濱南站2場推峰解體作業(yè)19天，推峰解體作業(yè)582次，累計牽引1 732 503 t，累計作業(yè)時間378 h，累計調(diào)車換算走行里程7 738 km，已經(jīng)滿足運用考核大綱要求不小于300 h，完全滿足大型編組場推峰作業(yè)要求。

(2) HXN6型混合動力調(diào)車機車推峰作業(yè)經(jīng)濟性研究

HXN6 0001機車從3月23日至4月11日在哈爾濱南站2場推峰解體作業(yè)，累計牽引1 732 503 t，累計燃油消耗10 650 dm3，平均油耗為61.47 dm3/(萬t·km)。對比車為HXN5B 0092號機車，期間累計牽引2 141 027 t，累計燃油消耗約17 400 dm3，平均油耗為81.27 dm3/(萬t·km)。因此，在同等條件下推峰作業(yè)，HXN6型機車相比HXN5B型機車節(jié)油率約24.36%。

(3) HXN6型混合動力調(diào)車機車推峰作業(yè)環(huán)保性研究

① HXN6型混合動力調(diào)車機車在哈爾濱哈南站進行調(diào)車推峰作業(yè)時，柴油機工作時間曲線與HXN5B 0092 機車相比如圖5所示，HXN6柴油機工作時間約占機車工作一天的四分之一時間，相比HXN3B全天柴油機不停(回庫整備除外)，可減少柴油機噪聲的75%的時間。

圖5 HXN6 0001與HXN5B 0092曲線對比圖

② 由于GSO2、GCO、GNOX均與燃油消耗量成正比例，因此HXN6型混合動力調(diào)車機車調(diào)車推峰作業(yè)時，在同等作業(yè)條件下，HXN6型機車比對比機車HXN5B型機車排放量降低24.36%。

4 結(jié) 論

HXN6型混合動力調(diào)車機車在型式試驗和運用考核試驗期間表現(xiàn)出了質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能降噪效果突出，機車性能完全滿足小運轉(zhuǎn)牽引作業(yè)和調(diào)車作業(yè)要求。后期將進一步優(yōu)化機車微機控制系統(tǒng)、輔助變流系統(tǒng)控制程序，希望使柴油機工作時間更短，并使HXN6型混合動力調(diào)車機車在由純?nèi)加吞峁﹦恿Φ臈l件下燃油節(jié)油率提高到40～50%，以使HXN6型混合動力調(diào)車機車的經(jīng)濟性和環(huán)保性得到極大提升。

[1] 哈爾濱鐵路局哈爾濱機務(wù)段，中資陽機車有限公司.HXN6型混合動力調(diào)車機運用考核月度簡報[Z].2017-03-06.

[2] 哈爾濱鐵路局哈爾濱機務(wù)段，中資陽機車有限公司.HXN6型混合動力調(diào)車機運用考核月度簡報[Z].2017-04-06.

[3] 哈爾濱鐵路局哈爾濱機務(wù)段，中資陽機車有限公司.HXN6型混合動力調(diào)車機運用考核月度簡報[Z].2017-05-16.

[4] 哈爾濱鐵路局哈爾濱機務(wù)段，中資陽機車有限公司.HXN6型混合動力調(diào)車機運用考核月度簡報[Z].2017-06-17.