軌道除雪車低溫冷啟動(dòng)系統(tǒng)

張 銜

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司研究院，云南 昆明 650215)

0 簡介

軌道除雪車是根據(jù)原鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃：鐵路防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)深化研究－鐵路線路除雪專用裝備與技術(shù)研究（合同編號(hào)：2011G017-E）要求進(jìn)行研制，主要針對高速鐵路軌道板上表面至軌面以上250mm 的積雪進(jìn)行清除作業(yè)的專用除雪裝備，非除雪工況也可以作為牽引車使用。

1 軌道除雪車工況特點(diǎn)及動(dòng)力配置

軌道除雪車作為高鐵專用除雪裝備，除雪作業(yè)工況的環(huán)境溫度一般在-35℃-0℃之間。作為保障型除雪作業(yè)時(shí)，除雪作業(yè)時(shí)間一般在凌晨1 點(diǎn)至6 點(diǎn)之間，不作業(yè)時(shí)單機(jī)高速自行離開作業(yè)區(qū)段，停靠于站線或?qū)Ｓ镁€待命；作為搶險(xiǎn)型除雪作業(yè)時(shí)，作業(yè)時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場情況確定，需要作業(yè)時(shí)一般從停靠地點(diǎn)單機(jī)自行進(jìn)入作業(yè)區(qū)段進(jìn)行除雪作業(yè)，作業(yè)任務(wù)結(jié)束后根據(jù)調(diào)度命令自行離開作業(yè)區(qū)段。

根據(jù)軌道除雪車的作業(yè)特點(diǎn)和運(yùn)行安全可靠性要求，動(dòng)力系統(tǒng)的配置至少需要滿足以下三點(diǎn)要求：①軌道除雪車必須具備雙動(dòng)力系統(tǒng)，以確保在單機(jī)自運(yùn)行過程中任意一套動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套動(dòng)力系統(tǒng)能夠確保軌道除雪車高速自行離開作業(yè)區(qū)段。②軌道除雪車動(dòng)力系統(tǒng)必須具備良好的低溫冷啟動(dòng)性能，特別是外部無法提供交流電源的情況下也能在-35℃的低溫條件下順利啟動(dòng)。③軌道除雪車的動(dòng)力系統(tǒng)需要在主發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的情況下，提供持續(xù)電源以滿足操作人員的保暖、檢修、照明等需求。軌道除雪車動(dòng)力系統(tǒng)主要包括：2 臺(tái)額定功率為500kW 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、1 臺(tái)額定功率為30kVA 的柴油發(fā)電機(jī)組、以及滿足安裝、啟動(dòng)等需求的相關(guān)部件，其布局情況見圖1。

2 動(dòng)力系統(tǒng)低溫冷啟動(dòng)措施及啟動(dòng)方案

2.1 影響軌道除雪車動(dòng)力系統(tǒng)低溫啟動(dòng)性能的主要因素

軌道除雪車作業(yè)環(huán)境最低的溫度要求為-35℃，非作業(yè)狀態(tài)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組一般處于停機(jī)狀態(tài)且停機(jī)時(shí)間無法確定。停靠于站線和備用線，無法保證啟動(dòng)前有外接電源可以提供。綜合以上情況，影響軌道除雪車低溫冷啟動(dòng)性能的主要因素包括以下幾個(gè)方面：

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)布局圖

①吸氣溫度及氣缸內(nèi)環(huán)境溫度過低（可能達(dá)到-35℃），導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)溫度下降，著火性能差，滯燃期較長，導(dǎo)致冷啟動(dòng)性能不好；②隨著環(huán)境溫度的減低，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油粘度增大，流動(dòng)性變差，增加了曲軸的旋轉(zhuǎn)阻力，使發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能下降。③隨著環(huán)境溫度的下降，啟動(dòng)蓄電池的容量和端電壓均下降，必然導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩減小，從而直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。④由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端與分動(dòng)箱和液壓泵相連，隨著環(huán)境溫度的下降，液壓油粘度增加，驅(qū)動(dòng)泵的啟動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力也隨之增加，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能下降。

2.2 提高動(dòng)力系統(tǒng)低溫啟動(dòng)性能的措施

提高動(dòng)力系統(tǒng)低溫冷啟動(dòng)性能的措施主要包括如下幾個(gè)方面：

①柴油、防凍液、柴機(jī)油必須選擇適應(yīng)低溫環(huán)境需求的型號(hào)，環(huán)境溫度低于-30℃時(shí)，柴油選擇-50#柴油，防凍液選擇FD-2 型長效防凍液，柴機(jī)油選用SAE0W/40 型CG 以上級潤滑油。

②發(fā)動(dòng)機(jī)配置低溫冷啟動(dòng)系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以根據(jù)外界溫度的變化自動(dòng)對進(jìn)氣預(yù)熱，預(yù)熱過程中預(yù)熱等常亮，待預(yù)熱完成后預(yù)熱燈熄滅，發(fā)動(dòng)機(jī)即可啟動(dòng)，增加此套系統(tǒng)可以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)境溫度高于-32℃時(shí)順利啟動(dòng)。其控制原理圖2：

圖2 預(yù)熱系統(tǒng)控制原理圖

③柴油發(fā)電機(jī)組采用了交/直流水套水加熱系統(tǒng)，當(dāng)外界可以提供220V 交流電時(shí)，通過外界電源對柴油發(fā)電機(jī)組的防凍液進(jìn)行加熱，待防凍液溫度高于5℃后加熱指示發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。當(dāng)外界無法提供220V 交流電源時(shí)，通過除雪車自帶電瓶(為兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)配置的啟動(dòng)電瓶)通過逆變器為柴油發(fā)電機(jī)組的防凍液進(jìn)行加熱，待加熱指示燈發(fā)送信號(hào)后啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。一旦柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)以后，發(fā)電機(jī)輸出電能對整車所有電瓶充電，柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)動(dòng)后利用柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)動(dòng)后產(chǎn)生的熱量對柴油機(jī)的動(dòng)力間進(jìn)行加熱。其控制原理如圖3。

圖3 柴油發(fā)電機(jī)組預(yù)熱控制原理圖

④選用符合軍用級別標(biāo)準(zhǔn)的的蓄電池作為軌道除雪車的啟動(dòng)電源，確保冷啟動(dòng)電流：-40℃時(shí)，≥680A；且連續(xù)啟動(dòng)三次以后電池端電壓不低于20V。

2.3 低溫環(huán)境冷啟動(dòng)方案

根據(jù)環(huán)境和外部條件的不同，軌道除雪車低溫冷啟動(dòng)的啟動(dòng)方案包括如下二種方式：①當(dāng)環(huán)境溫度高于-30℃時(shí)，利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的低溫冷啟動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后利用柴油發(fā)電機(jī)組的電瓶作為電源對柴油發(fā)電機(jī)組防凍液進(jìn)行預(yù)熱，待防凍液溫度達(dá)到5℃以上后啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。②當(dāng)環(huán)境溫度低于-35℃時(shí)，首先推薦選擇外部電源對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行預(yù)熱，如果無法提供外部電源則選擇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自帶電瓶作為電源對柴油發(fā)電機(jī)組的防凍液進(jìn)行加熱，待防凍液溫度達(dá)到5℃以上后啟動(dòng)柴油發(fā)單機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)以后對發(fā)動(dòng)機(jī)間加熱和電瓶充電，待發(fā)動(dòng)機(jī)間溫度達(dá)到-30℃以上且電瓶端電壓大于24V 以后，啟動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 相關(guān)系統(tǒng)低溫冷啟動(dòng)配套措施

由于低溫環(huán)境對液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)都會(huì)有影響，液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下啟動(dòng)也需采取一定措施配合動(dòng)力系統(tǒng)低溫冷啟動(dòng)方案的實(shí)施。

3.1 液壓系統(tǒng)低溫冷啟動(dòng)配套措施

液壓系統(tǒng)在低溫冷啟動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之前需要手動(dòng)將液壓系統(tǒng)裝換至溢流加熱模式，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之初液壓油不會(huì)直接進(jìn)入液壓泵，而是通過溢流加熱系統(tǒng)對管路和液壓油箱內(nèi)的液壓油進(jìn)行溢流加熱。如果柴油發(fā)電機(jī)組處于啟動(dòng)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組通過220V 電熱棒對液壓油箱內(nèi)部的液壓油進(jìn)行電加熱。待液壓油箱內(nèi)的液壓油溫高于-5℃后液壓系統(tǒng)自動(dòng)切換將進(jìn)入正常工作模式。采用上述措施一方面可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)阻力，另一方面也能確保液壓泵和液壓馬達(dá)不會(huì)由于液壓油粘度過大造成損壞。

3.2 氣動(dòng)系統(tǒng)低溫冷啟動(dòng)配套措施

氣動(dòng)系統(tǒng)中的空壓機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，為了防止空壓機(jī)與干燥器之間的管路由于低溫造成管路內(nèi)部結(jié)冰堵塞，一方面需要在進(jìn)入干燥器之前的管路加裝溢流閥防止空壓機(jī)過載，另一方面需要對干燥器之前的管路加裝加熱裝置，確保如果此段管路在正常運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。

4 結(jié)論

經(jīng)鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)報(bào)告表明：軌道除雪車低溫冷啟動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足軌道除雪車的作業(yè)和運(yùn)行工況需求，環(huán)境溫度為-35℃的情況下，動(dòng)力系統(tǒng)能在20 分鐘內(nèi)順利啟動(dòng)并進(jìn)入正常工作模式，目前樣機(jī)已在哈爾濱鐵路局管內(nèi)線路上使用并得到用戶的認(rèn)可。

［1］李人憲.車用柴油機(jī)[M].2 版.北京：中國鐵道出版社，2010.