變頻牽引技術在鋁液抬包軌道運輸車中的應用①

涂建軍

(中車蘭州機車有限公司, 甘肅 蘭州　730050)

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變頻牽引技術在鋁液抬包軌道運輸車中的應用①

涂建軍

(中車蘭州機車有限公司, 甘肅 蘭州730050)

介紹了LY30型交流變頻調速鋁液抬包軌道運輸車的工作環境、主要技術參數，變頻技術及電器系統等關鍵技術和創新點在強磁場環境中的應用。LY30型交流變頻調速鋁液抬包軌道運輸車通過了試驗和現場運用考核，其性能滿足用戶的要求。

變頻調速； 鋁液抬包； 軌道運輸

1　鋁液軌道運輸車結構綜述

1.1機車結構簡介

LY30型機車由車架總成、走行部、蓄電池箱、電氣系統、牽引傳動系統、空氣制動系統、基礎制動裝置和CH200型自動車鉤等組成，機車總體布置如圖1所示。

電機車由主電路采用免維護蓄電池供應直流電，經牽引變頻器轉換成電壓與頻率可調的三相交流電，供2臺交流鼠籠式感應牽引電動機，每臺電動機轉子通過萬向聯軸節與車軸齒輪減速箱連接，動力經過二級齒輪減速后傳遞到車軸上，從而驅動電機車行走。

車架采用框架式鋼板、型鋼焊接結構，車架上面從前至后安裝司機室、電氣間、蓄電池箱和空壓機室。司機室內設有電控柜與操縱臺，操縱臺上安裝司機控制器、空氣制動單獨操縱閥、操縱按鈕開關、儀表和信號顯示等裝置。司機室前方和兩側均設有玻璃窗(貼膜處理),視野開闊，便于瞭望。

電機車走行部采用無轉向架的二軸型式，軸箱定位采用人字形橡膠彈簧。

電機車設電制動、空氣制動和手制動三種制動形式。電制動為輕載運行時的常規制動；空氣制動為給風制動，作為重載運行時的常規制動使用；手制動為停車制動，防止溜車。基礎制動裝置采取雙側閘瓦制動，配兩套空壓機組。整備時雙機充風，縮短打壓時間，運行時單套空壓機組工作。

電機車兩端裝有CH200型車鉤，用于電機車和抬包平車的連接，同時傳遞機車牽引力以及來自車輛的制動沖擊力。 同時安裝安全鏈，防止車鉤意外脫鉤或車鉤斷裂而造成的安全事故，提高運輸車的運行安全性。

1.2抬包平車布置簡介

抬包平車由車架、走行輪對、基礎制動裝置和CH200型自動車鉤組成。車架上有抬包裝載座，限制抬包在運行中的移動；裝載座內有隔熱墊，隔斷抬包與車架之間的熱傳遞。抬包平車輪對、基礎制動閘瓦桿系懸掛點和鉤緩連接處采取絕緣處理，保證抬包平車車軸間、車與車之間的絕緣。平車制動為給風制動，與電機車同步，基礎制動裝置采取雙側閘瓦制動。

1.3鋁液軌道運輸車編組方式

鋁液抬包軌道運輸車由一輛機車和四輛抬包平車組成，最后一輛抬包平車設有調車員站位臺。圖2為機車與抬包平車編組圖。

2　軌道運輸車的特性

2.1機車工作環境

2.1.1環境空氣

環境空氣中含有氧化鋁粉塵、氟化鋁粉塵、電解質粉塵、炭粒粉塵、氟化氫氣體、瀝青煙等有害物質。

1.司機室；2.電氣間；3.蓄電池箱；4.牽引電機及走形部；5.輪對；6.空壓機室圖1　機車總體布置

2.1.2環境溫度

電解車間通道空氣溫度通常不超過50 ℃，極端情況不大于65 ℃。電解車間室外歷史記錄最低溫度為-31.6 ℃。

2.1.3電磁場

電流強度 ：500 kA；

最大磁場：500 Gs。

2.1.4介質溫度

電解質或鋁液溫度 ：940～970℃；

通常抬包表面本體溫度：≈150℃(最高溫度不超過250℃)。

2.1.5線路條件

坡度：平坡；

軌距：標準軌距1435 mm(曲線地段加寬10 mm)；

道床形式：整體道床和碎石道床；

鋼軌型號：50 kg/m；

道岔型號：7#單開道岔。

2.2主要技術參數

2.2.1機車

整備質量：≤30 t；

牽引電機功率：75 kW×2；

傳動形式：DC-AC；

控制方式：微機控制；

持續速度：12 km/h；

最高速度：25 km/h；

起動牽引力：67 kN；

持續牽引力：39.4 kN；

車輪:Φ840 mm輾鋼整體車輪；

軌距:1435 mm；

軸距:2600 mm；

軸重：≤15 t；

鉤緩裝置:CH200型自動車鉤；

制動方式：電制動、空氣制動和手制動；

最小通過曲線半徑：30 m(通過速度6 km/h)；

車鉤中心高(距軌面):600±10 mm；

外形尺寸(長×寬×高)：

6230 mm×2500 mm×2800 mm。

2.2.2抬包平車

輪徑:840 mm；

軌距: 1435 mm；

軸距:2400 mm；

軸重：不大于21 t；

車鉤中心高(距軌面):600 mm；

鉤緩:CH200型車鉤；

平車外形尺寸(長×寬×高)：

5270 mm×3050 mm×1000 mm(不包括裝載座高度，鋁液抬包裝載座高度為200 mm)。

2.3機車電氣系統

2.3.1電氣系統

電機車的電氣系統由主回路、控制回路及輔助回路三部分組成。

(1)主回路由蓄電池組、直流斷路器、牽引變頻器、制動單元、三相交流異步牽引電動機等組成。

電機車整備狀態時，蓄電池電流經開關電源系統給變頻器濾波電容充電。在一定的控制方式下，變頻器將直流電逆變成三相交流電。電機車牽引采用兩臺三相交流異步牽引電動機，當電機車處于牽引狀態時，牽引電動機作為電動機將電能轉化為機械能；當電機車處于制動狀態時，牽引電動機作為發電機將機械能轉化為電能。

(2)控制回路由司控器、變頻器控制器等組成。主令電器由司控器、按鈕開關、斷路器等組成，由司機給出方向指令和控制指令，通過變頻器和驅動器的通斷進行調壓、調頻，控制牽引電動機使其輸出滿足電機車牽引性能的轉矩和轉速。

電機車控制系統主要功能有：主電路的通斷、牽引(前進、后退)控制、緊急制動及保護功能、制動能量反饋及耗散功能等。

(3)輔助回路包括空壓機組控制電路、照明電路、車載空調和監視器電源等。

空壓機組控制電路，采用壓力繼電器控制空壓機變頻器在規定壓力范圍內啟動或停止，同時設置空壓機組手動開關。在電機車整備時，空壓機組雙機工作，縮短總風缸充風時間；當電機車運行時，空壓機組單機工作。總風缸壓力始終保持在450～800 kPa的范圍內，當壓力低于450 kPa時空壓機組電機啟動，達到800 kPa定壓時空壓機組停止工作。

電機車司機室安裝頂置式車載冷暖型空調，滿足500 Gs磁場環境、+50 ℃環境溫度及空氣中含有腐蝕性氣體-氟化氫和粉塵等有害物質的特殊使用要求。

鋁液軌道運輸車頂部安裝監控攝像頭，電機車司機室安裝監視器，實現司乘人員在推送作業時(倒行)的輔助瞭望。同時配備聲光報警裝置對現場工作人員進行安全警示。

隨機配備無線對講裝置及車載臺，用于司乘人員、作業人員、股道自動化控制中心之間的相互聯系。

2.3.2變頻調速器

變頻器選用丹佛斯變頻器，該變頻器結構采用功率器件與主板控制器件分離結構，IGBT功率器件與主板安裝于兩個防護箱中，IGBT功率器件與主板驅動回路間采用光電隔離控制，IGBT功率器件與主板間完全物理隔離；整車儀表全部采用數字儀表。

選用DC/DC隔離電源變換器，IGBT功率器件電源與控制主板電源分別由不同的DC/DC隔離電源變換器供電，這樣就使得功率器件與控制主板間完全物理隔離，相互沒有影響。

變頻器外部做防磁處理，采用鎳合金材料做磁屏蔽防護層，二層防護，二層之間采用空氣隔離方式。磁屏蔽防護層為橢圓形環形結構，對接處采用連續焊接，避免出現漏磁。在磁屏蔽設計中，應保證提供低磁阻路徑的屏蔽體形，本設計采用橢圓桶狀的“最低磁阻路徑”設計，避免磁力線旋轉90°。

2.3.3牽引電動機

牽引電機為75kW交流鼠籠式感應牽引電動機，具有調速平滑、無級、范圍寬廣和輸出特性硬、精度高、應用效率高、調速過程中沒有附加損耗等特點。牽引電動機還具有自然防空轉性能，瞬時耐電壓和過電流特性強，在起動過程中可較長時間輸出很大的轉矩，使電機車具有良好的加速性能。

牽引電動機考慮到電解車間空氣中含有腐蝕性氣體-氟化氫和粉塵等有害物質的特殊使用要求，采用全封閉結構、自然冷卻方式，防護等級IP55。

為提高牽引電動機工作可靠性和使用壽命，絕緣等級提高至F級，電磁線及絕緣材料的選擇等級高，電磁線的耐電壓沖擊能力強，允許的最高工作溫度可達155 ℃，牽引電動機的允許溫升及散熱形式等可滿足電解車間特殊環境溫度的使用要求。

2.3.4視頻監控系統

攝像頭安裝在司機室頂部和站位臺頂部，攝像頭材料采用能防磁場、氟化氫氣體的玻璃，監視器采用液晶顯示方式，殼體具有磁場防護能力。攝像頭與液晶監視器之間傳輸采用同軸屏蔽電纜，外部鋼管防護。鋁液運輸車之間采用電磁屏蔽航空插頭、插座連接。

監視器系統采用國產產品，鏡頭涂PVC膜，耐酸性氣體的腐蝕。通過前進/倒退手柄及操作面板上開關切換可實現運輸車頭尾視頻轉換，方便司機觀察周圍環境，保證行車安全。視頻監控系統上電后，錄像盒即開始記錄視頻信息，并保存到存儲卡中，需要觀看錄像內容時取出錄像盒中存儲卡即可，存儲卡可記錄不少于3天的視頻內容，存滿后會自動覆蓋最早的視頻內容，始終保存最近幾天的視頻信息。

2.4關鍵技術及創新點

2.4.1電氣系統的磁場防護

電機車能夠在電解車間500 Gs磁場環境中正常使用，其設備可靠性、安全性符合運輸作業的要求。

電氣系統設計：控制主板設計中提高主板電磁兼容的等級，增加相關的濾波電路內置直流電抗器、高頻濾波器、無線電濾波器，消除各通道的干擾雜波，提高控制主板的抗干擾能力；同時在輸出回路中加裝無源濾波器。

所有控制、信號電纜選用屏蔽電纜并充分考慮電解車間工作條件，通過使用屏蔽線和雙絞線達到提高噪音干擾的水平，避免由于干擾造成變頻器的誤動作。線路具有抗高溫、耐腐蝕的性能。其他電氣線路避免和變頻器使用共同的接地線，且在接地時使二者盡可能分開。

圖2　機車與抬包平車編組圖

磁場屏蔽：牽引變頻器柜體采用安全可靠材料二層1.2 mm厚Amumetal合金制作磁屏蔽防護層。磁屏蔽防護層為環形結構，對接處采用連續焊接，避免出現漏磁。

控制柜中的空壓機變頻器、DC24V電源也進行磁場防護，采用安全可靠材料制作磁屏蔽防護層。

磁屏蔽防護部位以外的電氣系統中不使用電磁繼電器。

2.4.2絕緣措施

鋁液軌道運輸車在編組狀態時的全軸距(電機車的第一根軸到第四節抬包平車的最后一根軸)為23.9 m、小于2根鋼軌的連接長度24 m，電機車與抬包平車之間連掛絕緣、抬包平車相互之間連掛絕緣，抬包平車兩根車軸之間絕緣，滿足鋁液軌道運輸車不得跨接三根鋼軌的要求。絕緣方式：連接處加設絕緣墊板、螺栓絕緣套管和絕緣墊圈。

2.4.3具體工藝措施

電機車和抬包平車：鉤緩裝置與車架組成端板連接螺栓桿部加絕緣護套、結合端面加絕緣墊板，絕緣材料采用環氧酚醛層壓玻璃布板、管或棒，材料強度及韌性應能夠承受列車牽引和制動的沖擊；電機車與抬包平車之間、抬包平車相互之間的空氣制動管路連接采用液壓膠管，由此可保證電機車與抬包平車之間連掛絕緣、抬包平車相互之間連掛絕緣。圖3為鉤緩裝置和機車之間的絕緣示意圖。

抬包平車：走行部軸箱定位采用橡膠彈簧；制動缸及制動各桿件吊座與車架組成連接螺栓桿部加絕緣護套、結合端面加絕緣墊板，絕緣材料采用環氧酚醛層壓玻璃布板、管或棒，由此可保證抬包平車兩根車軸之間絕緣。

1.CH200車鉤；2.螺栓；3.彈簧墊圈；4.車鉤座絕緣墊；5.螺栓絕緣套管；6.絕緣墊片；7.墊圈；8.螺母；9.車架圖3　鉤緩裝置和機車之間的絕緣示意圖

2.5機車性能

2.5.1牽引性能

鋁液軌道運輸車運輸作業分為空載運行和滿載運行兩種工況。自鑄鋁車間至電解車間運行為空載工況，牽引噸位為100 t(4個抬包平車10 t×4+4個抬包15 t×4)；自電解車間至鑄鋁車間運行為滿載工況，牽引噸位為160 t(4個抬包平車10t×4+4個抬包15 t×4+鋁液15 t×4)。根據用戶牽引噸位需求和線路條件情況，按照TB/T1407-1998《列車牽引計算規程》中有關電牽引機車方面的公式計算，并得出XK30型機車的牽引性能表和牽引噸位表，由下表中數據可以看出，機車牽引性能可以滿足用戶的使用要求。

表1　牽引性能表

表2　牽引噸位

2.5.2制動性能

XK30型電機車設電制動、空氣制動和手制動三種制動形式。電制動為空載運行時的常規制動；空氣制動為給風制動。

依據TB/T 1407-1998《列車牽引計算規程》中相關制動距離的公式進行計算。

設計計算結果如下：

滿載運輸狀態以12 km/h初始速度實施制動時的制動距離為：12.59 m；

空載運輸狀態以15 km/h初始速度實施制動時的制動距離為：13.37 m；

空車運輸狀態以15 km/h初始速度實施制動時的制動距離為：25.55 m(電制動)；

加掛運輸狀態以12 km/h初始速度實施制動時的制動距離為：12.63 m。

(1)電阻制動

機車在高速運行過程中，牽引電機的轉子實際轉速高于定子旋轉磁場的轉速，此時轉子導體中的感應電勢反向、電流反向、電動轉矩反向，電動轉矩(與阻力矩同向)起制動作用，使電動機減速。此時的異步電動機相當于一臺異步發電機。旋轉系統存儲的慣性動能轉換成電能。泵升電壓首先在直流母線電壓上上升，在一定電壓范圍對蓄電池進行充電。當電壓繼續升高，高于限定的值時，通過與直流回路濾波電容并聯的放電電阻，將這部分電能消耗掉，因此也稱再生能耗制動。電阻制動可以避免輪對抱死及減少閘瓦磨耗。

(2)空氣制動

通過操縱臺上的JZ-7型單獨制動閥可完成運行過程中的列車制動與列車緩解。經過實際運用考核表明，該制動系統的性能可靠穩定，可以與其配套的平車正常連掛運用，額定速度單機制動距離不超過10 m。

此外，試驗表明，該機車手制動裝置可以滿足在15‰坡道上停放機車的要求。

2.5.3現場測試數據

2013年9月22日,第一列鋁液軌道運輸車制造完畢,并送達電解鋁生產現場,按照提前制定的鋁液軌道運輸車驗收方案,進行了嚴格的靜態和動態驗收,表3是實際作業環境中實測的牽引和制動性能的主要驗收數據。

表3　實測的牽引和制動性能的主要驗收數據

3　結束語

LY30型機車于2013年7月18日開始交付用戶使用，該機車在全世界電解鋁行業的鋁液運輸中第一次應用，通過近一年多的運用考核，運用情況良好，達到了設計要求和預期目標。在運用實踐中證明，該機車不僅提升和改善了電解鋁液運輸行業中的運輸方式，而且可以預見該機車將會受到電解鋁行業用戶的廣泛歡迎和認可。

[1]朱喜峰.機車總體結構及設計[M]. 成都：西南交通大學出版社，2009.

[2]繞忠.列車牽引計算[M].北京:中國鐵道出版社,1996.

[3]張林成.電解鋁鋁液軌道運輸車的研發和運用[J]. 甘肅科技,2014,30(2):10—12.

2015-09-25

涂建軍(1971—)，男，高級工程師。E-mail:tjj2004@163.com

TM921.51； TF821