HXN6型混合動力調車機車調車作業適應性、經濟性及環保性研究*

孟玉發, 何國福, 劉順國, 劉 耕

(中車資陽機車有限公司 研發部， 四川資陽 641301)

HXN6型混合動力調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項目《機車車輛前瞻性技術研究—2 000～2 500 kW混合動力機車研制及雙燃料機車技術方案研究》而研制的2 200 kW 混合動力交流傳動調車機車，是功率大且技術處于領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，中間直流環節小時功率為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車作業適應性、經濟性及環保性，因此本文根據試驗數據對該型機車的調車作業適應性、經濟性及環保性進行研究。

1 HXN6型混合動力調車機車主要技術參數

HXN6型混合動力調車機車主要技術參數如表1所示。

2 HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業續航能力、經濟性及環保性研究

2.1 HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業續航能力研究

HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業續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

(1) HXN6型混合動力調車機車高海拔條件下小運轉牽引作業續航能力試驗

2016年某天在蘭州局的武威南-打柴溝，進行高海拔的HXN6 0001機車小運轉牽引作業續航能力試驗，同時驗證該機車在長大隧道內是否降功運行。武威南-打柴溝區段，海拔從1 500 m持續升至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車指令時，利用這個機會用車載柴油發電機組給動力電池補充電能，直到當天9：53分機車發車指令時，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型混合動力調車機車的續航能力完全能滿足高海拔地理環境小運轉牽引作業要求。

(2) HXN6型混合動力調車機車高溫條件下小運轉牽引作業續航能力試驗

2016年夏季環境溫度約32℃，HXN6 0001機車在蘭新線瑪納斯—奎屯區間進行了高溫條件下的小運轉牽引作業運行試驗。機車牽引質量1 940 t，運行距離約108 km，機車出發時動力電池容量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型混合動力調車機車的續航能力完全能滿足高溫地理環境小運轉牽引作業。

(3) HXN6型混合動力調車機車低溫條件下小運轉牽引作業續航能力試驗

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牽引作業，牽引噸位2 154 t，燃油消耗量970 dm3，走行里程260 km，整個運行區間的環境溫度為-27～-38℃，機車動力電池容量SOC在塔河出發時為92%，到達加格達奇時為86%。此項試驗表明HXN6型混合動力調車機車的續航能力完全能滿足低溫地理環境小運轉牽引作業要求。

2.2 HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業經濟性研究

(1) HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業經濟性對比作業區段情況介紹

HXN6 0001機車執行哈爾濱南站經哈東站到綏化區段的小運轉牽引作業運用考核試驗，哈爾濱南站至綏化區段共117 km，當機車從哈爾濱南站向綏化執行牽引時，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。本區段的正常牽引機車以HXN5、DF4C型機車為主，DF4C型機車牽引定數不超過4 000 t，超過4 000 t 的編組只能用HXN5型機車牽引。HXN6 0001機車的牽引定數比照DF4C機車執行。

(2) HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業經濟性對比作業區段動能提供方式

HXN6 0001機車在哈爾濱南站至綏化區段進行小運轉作業時，由于不具備地面電源充電條件，故由純燃油為機車提供能源，機車待命時柴油發電機組為動力電池補充電能，機車牽引時柴油機優先提供動力，當柴油機功率不能滿足要求時，由動力電池補充。

(3) HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業經濟性分析

HXN6 0001機車于2月23日到3月3日，9天共執行17次哈爾濱南站到綏化的小運轉牽引作業，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型混合動力調車機車在執行哈爾濱南站經哈東站到綏化區段的小運轉牽引作業運用考核期間，HXN6型機車比對比機車HXN5型機車節油41.17%，比對比機車DF4C型機車節油47.3%。

2.3 HXN6型混合動力調車機車小運轉牽引作業環保性研究

根據國家環保總局《關于排污費征收核定有關工作的通知》(環發[2003]64號)中有關排放污染物物料衡算的規定的計算方法，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型混合動力調車機車小運轉牽引作業時，在同等作業條件下，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型混合動力調車機車編組及推峰作業適應性、經濟性及環保性研究

3.1 HXN6型混合動力調車機車編組及推峰作業對比作業區域情況介紹

HXN6 0001機車在哈爾濱南站進行編組和推峰作業運用考核，并與HXN5B和HXN3B進行對比運用。哈爾濱南站為一等站，按技術作業性質劃分為編組站、按業務性質劃分為貨運站，擔負著黑龍江省、內蒙古部分地區貨物列車的中轉工作。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、直達列車的無調中轉任務，是哈爾濱鐵路局管轄內唯一的路網性編組站。

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場的調車機車推至駝峰，經過50‰的坡道將車輛溜放到4場。4場的主要任務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，交到上行出發場由干線列車牽引出站。其中在峰頭作業的主要車型為HXN5B，而在峰尾作業的車型主要是HXN3B。

3.2 HXN6型混合動力調車機車編組及推峰作業動能提供方式

HXN6 0001機車在哈爾濱南站編組及推峰作業時不具備地面電源充電條件，故由純燃油為機車提供能源，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的經濟區域為動力電池補電，當SOC達到70%時，柴油機自動停機。

3.3 HXN6型混合動力調車機車調車編組作業適應性、經濟性及環保性研究

(1) HXN6型混合動力調車機車調車編組作業適應性研究

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，進行了編組作業工況考核，共計換算走行17 853 km，累計編組作業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運用考核試驗。

為了進一步驗證HXN6 0001機車編組作業適應性要求，2017年6月27日中國鐵路總公司運輸局機務部在哈爾濱機務段組織了機車半年運用考核情況座談會。小運轉、推峰和調車編組作業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機車編組作業適應性，哈爾濱機務段于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，試驗結果完全滿足作業要求。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車牽引作業，車次42002，該車次牽引6 025 t 從4場02道經由3.2‰的道岔區，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型機車柴油機轉速曲線

此次作業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，此時柴油機轉速1 000 r/min，機車速度為11 km/h，此時進入道岔區。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機車此次作業為哈南站調車作業最嚴酷的工況，牽引噸位為哈南站二場駝峰調車的極限噸位，2場駝峰調車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車牽引作業。

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

(2) HXN6型混合動力調車機車調車編組作業經濟性研究

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場調車編組作業期間，HXN6相比HXN3B節油率為29.91%。

(3) HXN6型混合動力調車機車調車編組作業環保性研究

① HXN6型混合動力調車機車在哈爾濱哈南站進行調車編組作業時，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型混合動力調車機車調車編組作業時，在同等作業條件下，HXN6型機車比對比機車HXN3B型機車排放量降低29.91%。

3.4 HXN6型混合動力調車機車推峰作業適應性、經濟性及環保性研究

(1) HXN6型混合動力調車機車推峰作業適應性研究

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19天，推峰解體作業582次，累計牽引1 732 503 t，累計作業時間378 h，累計調車換算走行里程7 738 km，已經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要求。

(2) HXN6型混合動力調車機車推峰作業經濟性研究

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，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，HXN6型機車相比HXN5B型機車節油率約24.36%。

(3) HXN6型混合動力調車機車推峰作業環保性研究

① HXN6型混合動力調車機車在哈爾濱哈南站進行調車推峰作業時，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型混合動力調車機車調車推峰作業時，在同等作業條件下，HXN6型機車比對比機車HXN5B型機車排放量降低24.36%。

4 結 論

HXN6型混合動力調車機車在型式試驗和運用考核試驗期間表現出了質量穩定、節能降噪效果突出，機車性能完全滿足小運轉牽引作業和調車作業要求。后期將進一步優化機車微機控制系統、輔助變流系統控制程序，希望使柴油機工作時間更短，并使HXN6型混合動力調車機車在由純燃油提供動力的條件下燃油節油率提高到40～50%，以使HXN6型混合動力調車機車的經濟性和環保性得到極大提升。

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