基于電力接觸網(wǎng)和蓄電池組的雙動(dòng)力鋼軌銑磨車

岳紅強(qiáng)，安 杰，劉 博，劉青松

（北京拓博爾軌道維護(hù)技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引言

鋼軌銑磨車是鋼軌維護(hù)的重大智能裝備。鋼軌投入使用后，表面會(huì)逐漸產(chǎn)生形變和微裂紋等病害，惡化后形成肥邊、剝落等缺陷，新開通的線路在使用3～9個(gè)月之后，即產(chǎn)生波浪磨耗、魚鱗紋等損傷。這會(huì)加劇列車和軌道震動(dòng)，造成部件損壞，給軌道運(yùn)營(yíng)的安全性、舒適性帶來(lái)重大不利影響。

對(duì)鋼軌進(jìn)行科學(xué)維護(hù)會(huì)有效保障鐵路安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，重載鐵路經(jīng)過(guò)定期鋼軌維護(hù)，可將鋼軌壽命從通過(guò)重量4億噸提高到22億噸，大大降低了鋼軌更換造成的材料、人力及運(yùn)力損失。鋼軌銑磨車是專門用于軌道維護(hù)保養(yǎng)的重大智能裝備，能有效修復(fù)鋼軌波浪磨耗、魚鱗紋等損傷，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命。

目前市場(chǎng)上主流鋼軌銑磨車依然采用內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。其有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)非常成熟，生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本和使用成本都較低，維修方便；第二，燃機(jī)在電氣化區(qū)段和非電氣化區(qū)段都可以運(yùn)行，非常靈活。

但是，它具有較為突出的缺點(diǎn)：第一，在地鐵等封閉環(huán)境中運(yùn)行，需要低噪聲和低排污量，而采用內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力則會(huì)產(chǎn)生大量噪聲和煙塵；第二，鋼軌銑磨車在作業(yè)過(guò)程中，需要低震動(dòng)甚至無(wú)震動(dòng)，而采用內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力則會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，影響鋼軌銑磨的效果。因此，以內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的鋼軌銑磨車，就無(wú)法滿足上述的要求了。

目前越來(lái)越多的地鐵和高鐵都采用電力接觸網(wǎng)供電，因此采用電力為動(dòng)力的鋼軌銑磨車更具有優(yōu)勢(shì)了。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本文提出了一種基于電力接觸網(wǎng)和蓄電池組雙動(dòng)力鋼軌銑磨車。既能適用于地鐵等封閉環(huán)境中運(yùn)行，低震動(dòng)甚至無(wú)震動(dòng)的。

1 雙動(dòng)力鋼軌銑磨車整車結(jié)構(gòu)形式

本文提出的雙動(dòng)力鋼軌銑磨車如圖1所示，該鋼軌銑磨車由動(dòng)力車和作業(yè)車組成。每節(jié)車各設(shè)一個(gè)司機(jī)室，配備一銑一磨兩個(gè)作業(yè)單元，雙動(dòng)力鋼軌銑磨車分為牽引車和動(dòng)力車兩節(jié)，動(dòng)力車在圖1左側(cè)，作業(yè)車在圖1右側(cè)。每節(jié)車輛采用框架式整體承載式的車體結(jié)構(gòu)，由底架、車體、側(cè)墻、活動(dòng)車頂、司機(jī)室等組成。

圖1 車輛總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the rail milling train

雙動(dòng)力鋼軌銑磨車從電力接觸網(wǎng)或蓄電池兩種直流電源接入，經(jīng)變換后實(shí)現(xiàn)整車電牽引系統(tǒng)的控制，并為銑磨作業(yè)裝置及車上輔助設(shè)備供電，采用交流電傳動(dòng)，滿足自牽引運(yùn)行行駛及銑磨作業(yè)的動(dòng)力需要。每節(jié)車采用兩臺(tái)兩軸轉(zhuǎn)向架，動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架軸列式 B0-B0，作業(yè)車轉(zhuǎn)向架軸列式 B-B。

銑磨裝置和打磨裝置分別安裝在作業(yè)車和動(dòng)力車的車下，鋼軌銑磨車具有0.3~3km/h范圍內(nèi)的低恒速作業(yè)功能，作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的銑削鐵屑可被高效率回收。

該鋼軌銑磨車銑磨作業(yè)一次成型，恢復(fù)鋼軌橫斷面輪廓形狀、提高鋼軌的縱向平順性、消除軌面部分側(cè)磨、波磨、碾壓層、表面細(xì)小裂紋、剝離等缺陷，從而提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適度、降低運(yùn)行噪音和振動(dòng)、延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命。

2 雙動(dòng)力鋼軌銑磨車電氣系統(tǒng)

雙動(dòng)力鋼軌銑磨車驅(qū)動(dòng)方式為電力驅(qū)動(dòng)，鋼軌銑磨車電力主取電方式為接觸網(wǎng)受電弓取電，鋼軌銑磨車電力副取電方式為鉛酸蓄電池取電。當(dāng)受電弓供電時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)；當(dāng)受電弓斷開時(shí)，蓄電池處于放電狀態(tài)，自動(dòng)切換到蓄電池供電。外供電調(diào)試時(shí)可以邊調(diào)試邊進(jìn)行蓄電池充電。

2.1 雙動(dòng)力鋼軌銑磨車總體電氣方案

雙動(dòng)力鋼軌銑磨車主取電方式是電力接觸網(wǎng)供電，電力接觸網(wǎng)供電是指通過(guò)沿軌道線路上架設(shè)的特殊電線向行走在線路上的電動(dòng)列車不間斷地供應(yīng)電能。電動(dòng)列車?yán)庙敳康氖茈姽c接觸網(wǎng)滑動(dòng)摩擦接觸而獲得電能，受電弓是城市軌道交通車輛的受流裝置，安裝在與車體頂部，當(dāng)受電弓升起時(shí)，弓和網(wǎng)接觸滑行，從接觸網(wǎng)受取電流，通過(guò)車頂母線傳送到車輛內(nèi)部，供車輛設(shè)備使用，電流經(jīng)過(guò)車輛輪對(duì)、鋼軌（或回流裝置）回到變電所，形成閉合回路。

如圖2所示，雙動(dòng)力鋼軌銑磨車主取電采用接觸網(wǎng)供電，滿足不銑磨作業(yè)時(shí)機(jī)車高速牽引用電、銑磨作業(yè)時(shí)低恒速牽引及銑磨作業(yè)用電、機(jī)車輔助設(shè)備的用電的需求，副取電方式采用蓄電池供電，當(dāng)線路故障或檢修失電時(shí)，采用蓄電池為機(jī)車臨時(shí)供電，滿足機(jī)車牽引用電，可以開回車庫(kù)中，同時(shí)也可以滿足機(jī)車輔助設(shè)備的用電，蓄電池供電時(shí)不進(jìn)行低恒速銑磨作業(yè)。接觸網(wǎng)供電時(shí)，蓄電池放電電路斷開，接觸網(wǎng)可以給蓄電池充電，蓄電池處于充電狀態(tài)，同時(shí)設(shè)計(jì)有車間庫(kù)電接口，鋼軌銑磨車開回車庫(kù)中后，可以插入庫(kù)電進(jìn)行鋼軌銑磨車的調(diào)試，維修，同時(shí)可以為庫(kù)電可以給蓄電池充電，以防止鋼軌銑磨車長(zhǎng)期停放未使用時(shí)蓄電池缺電，鋼軌銑磨車前期調(diào)試時(shí)也要用到庫(kù)電。

圖2 雙動(dòng)力能源供總體電氣方案Fig.2 The overall electrical scheme of the dual power energy supply system

2.2 雙動(dòng)力鋼軌銑磨車電氣系統(tǒng)

圖3 雙動(dòng)力鋼軌銑磨車電氣系統(tǒng)方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrical system for the double powered rail milling train

如圖3所示，雙動(dòng)力鋼軌銑磨車電控系統(tǒng)主要功能是從接觸網(wǎng)或蓄電池兩種直流電源接入，經(jīng)變換后實(shí)現(xiàn)整車電牽引系統(tǒng)的控制，并為銑磨作業(yè)裝置及車上輔助設(shè)備供電。整車電控系統(tǒng)由觸網(wǎng)開關(guān)柜、直流變換柜、牽引變頻柜、輔助變流柜、輔助電源柜、蓄電池管理柜、控制柜、充電機(jī)、銑磨系統(tǒng)電氣柜等幾部分組成。主要控制柜介紹如下：

（1）直流變換柜。雙動(dòng)力鋼軌銑磨車的直流變換柜直流的輸入為1500V直流電壓。雙動(dòng)力鋼軌銑磨車可以接入外部的380V交流電源，例如庫(kù)用電。外部380V交流電源接入后，輔助電源柜的輸出側(cè)三相380V、單相220V均能正常工作。另外，外部380V交流電源接入后，將自動(dòng)切斷KM1，從而斷開蓄電池直流供電回路，以有效充電并避免電池電量浪費(fèi)。

（2）輔助變流柜。輔助變流柜將直流輸入電壓進(jìn)行DC/AC變換，三相輸出電壓穩(wěn)定在380V，單相輸出穩(wěn)定在220V。輔助變流柜的輸出作為輔助電源柜的輸入，由輔助電源柜為銑磨作業(yè)裝置及其它輔助電氣設(shè)備供電。

（3）輔助電源柜。輔助電源柜內(nèi)主要設(shè)備為3個(gè)三相逆變電源。其中：第1個(gè)逆變電源輸出三相380V后濾波，供給銑磨作業(yè)裝置和蓄電池充電機(jī)；第2個(gè)逆變電源與第3個(gè)逆變電源輸出三相380V后濾波并隔離，為空壓機(jī)、液壓站、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)、照明等其它輔助電氣設(shè)備提供三相380V和單相220V電源。為保障系統(tǒng)供電的安全可靠，第2個(gè)逆變電源與第3個(gè)逆變電源互為備用，當(dāng)其中一路出現(xiàn)故障時(shí)，可將其切除，然后將備用逆變電源切入系統(tǒng)。

輔助電源柜將輔助變流柜輸出的380V三相交流進(jìn)行濾波，并經(jīng)變壓器隔離后，輸出三相380V、單相220V兩種規(guī)格的輔助電源供給其他電氣設(shè)備。其中，一路三相380V專供給銑磨作業(yè)單元和蓄電池充電模塊，另一路三相380V供給包括空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)及散熱機(jī)等輔助設(shè)備，單相220V供給整車交流控制電源及空調(diào)、儀表。

（4）牽引變頻柜。雙動(dòng)力鋼軌銑磨車有兩臺(tái)牽引變頻柜，每臺(tái)牽引變頻柜內(nèi)安裝兩個(gè)牽引變頻器，整個(gè)系統(tǒng)共包含4個(gè)牽引變頻器，共同負(fù)責(zé)整車的牽引運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)恒牽引力準(zhǔn)恒速自運(yùn)行以及低恒速作業(yè)。牽引變頻器主電路采用兩電平電壓型拓?fù)洌瑑膳_(tái)牽引變頻柜實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)向架四臺(tái)電機(jī)的分別控制。

（5）控制柜?？刂乒袷菭恳╇娤到y(tǒng)的集中控制器，主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)牽引變流器的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)對(duì)直流變換柜、冷卻系統(tǒng)以及輔助電源柜進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控顯示和操作控制。控制器與車輛控制監(jiān)視系統(tǒng)之間通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，接受控制器的指令，并向車輛控制監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS）反饋相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障報(bào)警信息。控制器還配備有調(diào)試通訊接口，用以協(xié)助進(jìn)行深入的調(diào)試和測(cè)試工作。

（6）蓄電池管理柜。蓄電池管理柜主要用于對(duì)牽引蓄電池的保護(hù)和充放電控制，并在接觸網(wǎng)斷電時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)750V直流母線的不間斷供電。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的鋼軌銑磨車采用柴油內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，有污染，有震動(dòng)，有噪音。本文介紹的雙動(dòng)力鋼軌銑磨車驅(qū)動(dòng)方式能提供足夠大功率的電，負(fù)載所用功率都足夠用。目前，城市軌道地鐵大都采用接觸網(wǎng)供電，取電方便。雙動(dòng)力鋼軌銑磨車具有無(wú)污染，環(huán)保，體積小，無(wú)震動(dòng)，無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。接觸網(wǎng)和蓄電池雙動(dòng)力供電之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，供電系統(tǒng)安全可靠，電能充分利用，節(jié)能，環(huán)保。