青島地鐵調(diào)車機(jī)車柴油機(jī)功率選擇及建議

王成峰， 王繼強(qiáng)

(青島地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營(yíng)分公司， 山東青島 266041)

在城軌交通行業(yè)，調(diào)車機(jī)車是其運(yùn)營(yíng)保障的重要?jiǎng)恿ΑＶ饕糜谲囕v段廠內(nèi)調(diào)車、正線施工、物資運(yùn)輸，以及正線事故列車救援。從目前各地鐵公司設(shè)備運(yùn)用狀況來(lái)看，內(nèi)燃動(dòng)力的調(diào)車機(jī)車或重型軌道車仍是調(diào)車和救援的主要?jiǎng)恿Α?/p>

國(guó)內(nèi)城市軌道調(diào)車機(jī)車的額定功率多為300 kW和450 kW兩個(gè)等級(jí)，個(gè)別公司也有采用600 kW功率等級(jí)的機(jī)車。內(nèi)燃機(jī)車的功率主要由柴油機(jī)功率決定，一直以來(lái)調(diào)車機(jī)車的柴油機(jī)選型都是地鐵初期規(guī)劃設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，但目前尚無(wú)地鐵配置機(jī)車的具體標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)車機(jī)車選用的柴油機(jī)功率過(guò)大會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，過(guò)小會(huì)影響作業(yè)效率、縮短使用壽命乃至危及行車安全。因此，合理選用柴油機(jī)的功率，對(duì)于提升運(yùn)行效率和確保行車安全是十分必要的。結(jié)合青島地鐵實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算各種運(yùn)用條件下的牽引能力，提出了地鐵調(diào)車機(jī)車柴油機(jī)選型的具體建議。

1 青島地鐵調(diào)車機(jī)車運(yùn)用現(xiàn)狀

目前青島地鐵各線均有2-4臺(tái)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車，其中郊區(qū)長(zhǎng)大線路配備4臺(tái)，市區(qū)線路配備2臺(tái)，整車功率均在300 kW左右。青島地鐵采購(gòu)合同中要求調(diào)車機(jī)車正線滿足單機(jī)運(yùn)行最高速度為80 km/h，單機(jī)牽引110 t軌道車輛(相當(dāng)于2輛30 t滿載的軌道平板車質(zhì)量)或雙機(jī)牽引210 t列車(相當(dāng)于一列地鐵列車空車質(zhì)量)可在35‰坡道上坡停起動(dòng)，并能以不低于8 km/h的速度通過(guò)該坡道，單機(jī)牽引110 t軌道車輛，在平直道上速度可達(dá)50 km/h。

經(jīng)性能測(cè)試及實(shí)際運(yùn)用效果來(lái)看，機(jī)車性能基本滿足設(shè)計(jì)要求，但對(duì)于郊區(qū)長(zhǎng)大線路，如坡道較多，單機(jī)闖坡能力較差。以青島地鐵11號(hào)線為例，在其正線坡道29.1‰處試驗(yàn)，由于是長(zhǎng)大坡道，單機(jī)僅以12 km/h的速度通過(guò)，此時(shí)柴油機(jī)處于較長(zhǎng)時(shí)間的滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，整機(jī)的闖坡、爬坡的性能表現(xiàn)較差。一般情況，各線正線施工作業(yè)，由于機(jī)車功率較低，導(dǎo)致單機(jī)牽引車輛正線坡道運(yùn)行時(shí)速度較低，尤其是在郊區(qū)長(zhǎng)大線路，無(wú)法滿足在天窗作業(yè)時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，即使2臺(tái)機(jī)車連掛軌道檢測(cè)車或平板車，在4 h的正線天窗時(shí)間內(nèi)，剛好實(shí)現(xiàn)折返，作業(yè)時(shí)間裕度極小，成為制約正線施工作業(yè)的瓶頸環(huán)節(jié)。

2 柴油機(jī)型號(hào)選擇

目前，大多數(shù)地鐵軌道車都選用美國(guó)卡特彼勒的電控燃油噴射柴油機(jī)，卡特彼勒柴油機(jī)的使用等級(jí)分為A、B、C、D、E 5級(jí)，如表1所示。同一型號(hào)柴油機(jī)在不同使用等級(jí)條件下的額定功率是不同的，相關(guān)幾個(gè)型號(hào)的柴油機(jī)在不同使用等級(jí)條件下的額定功率如表2所示。

表1 卡特彼勒發(fā)動(dòng)機(jī)的使用等級(jí)

表2 不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)在各等級(jí)下的額定功率 kW

柴油機(jī)功率選擇時(shí)，一般考慮兩個(gè)因素。一是機(jī)車連續(xù)工作的時(shí)長(zhǎng)，二是考慮機(jī)車的標(biāo)稱功率。鑒于地鐵調(diào)車機(jī)車連續(xù)工作的工況并不多，另外考慮牽引列車在長(zhǎng)大坡道上運(yùn)行的需要，一般情況柴油機(jī)的使用等級(jí)宜按不低于D級(jí)進(jìn)行選擇[1]，具體選擇時(shí)，機(jī)車制造廠家會(huì)根據(jù)功率裕度、成本等因素來(lái)選擇是D等級(jí)還是E等級(jí)功率。機(jī)車標(biāo)稱功率也是重要的參考因素，一般而言柴油機(jī)裝車功率的94%～96%為機(jī)車的標(biāo)稱功率[2]，因?yàn)椴裼蜋C(jī)裝車使用時(shí)，從其裝車功率中扣除由于使用環(huán)境條件和標(biāo)準(zhǔn)大氣狀況不同，考慮柴油機(jī)可靠性及受傳動(dòng)裝置物理性能限制而降低功率之后，所確定的用于機(jī)車的功率就是標(biāo)稱功率。為安全起見(jiàn)，柴油機(jī)裝車功率傳動(dòng)效率取94%。據(jù)此，對(duì)300 kW調(diào)車機(jī)車，柴油機(jī)額定功率不應(yīng)低于320 kW。由表2可以看出，可配置CAT C13柴油機(jī)，CAT C11柴油機(jī)在E使用等級(jí)下也符合功率要求；對(duì)450 kW調(diào)車機(jī)車，柴油機(jī)額定功率不應(yīng)低于479 kW，宜配置CAT C18柴油機(jī)。

3 牽引力計(jì)算

調(diào)車機(jī)車的功率根據(jù)其功用來(lái)配置，一般而言主要承擔(dān)車輛段內(nèi)牽引地鐵列車進(jìn)行調(diào)車作業(yè)，或牽引軌道平板(吊)車以及其他無(wú)動(dòng)力軌道車輛進(jìn)行線路清潔、施工、檢測(cè)作業(yè)及設(shè)備物資運(yùn)輸?shù)跹b作業(yè)等；也用于事故列車的救援牽引，但使用幾率極小。

3.1 車輛條件

(1)調(diào)車機(jī)車整備質(zhì)量：P=50 t

(2)重力加速度：g=9.8 m/s2

(3)地鐵列車質(zhì)量：G=210 t

(4)2輛30 t滿載的軌道平板車質(zhì)量：G1=110 t

3.2 車輛段內(nèi)單機(jī)牽引地鐵列車調(diào)車作業(yè)所需柴油機(jī)功率計(jì)算

牽引力計(jì)算公式為：

調(diào)車機(jī)車的單位運(yùn)行阻力，N/kN；(車輛型式試驗(yàn)數(shù)據(jù))見(jiàn)式(1)

(1)

式中：v為運(yùn)行速度，km/h。

被牽引地鐵車輛的單位運(yùn)行阻力，N/kN；(按照TB/T 1407中25G型客車取值)見(jiàn)式(2)

(2)

(1)計(jì)算所需的牽引力

根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，地鐵車輛段內(nèi)近似水平軌道，最大坡度只有3‰。計(jì)算車輛段內(nèi)單機(jī)牽引地鐵列車在不同速度下所需的柴油機(jī)功率，在平直道上單機(jī)牽引210 t地鐵列車，以段內(nèi)調(diào)車最高允許速度v=20 km/h運(yùn)行為例，計(jì)算所需的牽引力：

(2.004+0.018 48×v+0.000 243×v2)

×50×9.8+(1.82+0.01×v+0.000 145×v2)

×210×9.8=5.5 (kN)

(2)計(jì)算所需的柴油機(jī)功率

柴油機(jī)功率計(jì)算見(jiàn)式

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)

(3)

式中：Ne為柴油機(jī)有效功率；η為機(jī)械效率。

計(jì)算柴油機(jī)功率時(shí)效率η取值：液力傳動(dòng)箱效率低速時(shí)取0.5，高速時(shí)取0.75， 車軸齒輪箱傳動(dòng)效率取0.92，輔助功率及傳動(dòng)箱油泵消耗0.13，則總效率低速時(shí)：

η=0.5×0.92×(1-0.13)=0.4

高速時(shí)：

η=0.75×0.92×(1-0.13)=0.6

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)=

5.5×1 000×20(3.6×0.4×1 000)=

76 (kW)

式中，v取段內(nèi)調(diào)車最高速度20 km/h。

同理，計(jì)算單機(jī)牽引210 t地鐵列車在各速度下所需的柴油機(jī)功率如表3所示，與CAT C11、CAT C13柴油機(jī)功率對(duì)比如圖1所示。

表3 單機(jī)牽引210 t地鐵列車在各速度下所需的柴油機(jī)功率

通過(guò)以上計(jì)算分析和圖1可以看出，青島地鐵車輛段內(nèi)調(diào)車最高行駛速度為20 km/h，CAT C11、C13柴油機(jī)均能夠滿足車輛段內(nèi)正常的調(diào)車作業(yè)需求。

3.3 正線單機(jī)牽引110 t軌道車輛(2輛30 t滿載的軌道平板車質(zhì)量)作業(yè)牽引能力計(jì)算

按照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范“正線的最大坡度不宜大于30‰，困難地段可采用35‰，出入線、聯(lián)絡(luò)線和特殊地形地區(qū)段的最大坡度不宜大于40‰”的要求，擬定調(diào)車機(jī)車單機(jī)沿35‰坡道牽引110 t時(shí)能起步以不小于8 km/h行駛速度運(yùn)行。

圖1 單機(jī)牽引列車在各速度下所需的柴油機(jī)功率與CAT C11、C13柴油機(jī)功率對(duì)比圖

(1)坡道阻力

35×(50+110)×9.8=

54.8 (kN)

(2)機(jī)車和車輛運(yùn)行阻力

5×P×g+3.5×G1×g=

6.2 (kN)

(3)總阻力

6.2+54.8=

61 (kN)

(4)計(jì)算所需的柴油機(jī)功率

1.6 他汀類藥物停藥指征 當(dāng)出現(xiàn)以下指征時(shí)，考慮停藥或更換劑量：（1）年齡≥80歲，AST、ALT超過(guò)正常上限2倍。（2）年齡＜80歲，AST、ALT超過(guò)正常上限3倍。（3）CK超過(guò)正常上限5倍且（或）伴有肌痛、乏力、酸困等他汀類藥物相關(guān)不良反應(yīng)。（4）表皮生長(zhǎng)因子受體（eGFR）下降≥50%。

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)=

61×1 000×8/3.6×0.4×1 000=

338 (kW)

調(diào)車機(jī)車單機(jī)沿35‰坡道牽引110 t時(shí)能起步以不小于8 km/h行駛速度運(yùn)行時(shí)所需柴油機(jī)功率為338 kW，CAT C11柴油機(jī)在E使用等級(jí)下才能基本滿足此工況下?tīng)恳阅艿男枰珻AT C13柴油機(jī)在D使用等級(jí)下還留有一定的功率裕度。

3.4 正線雙機(jī)牽引210 t列車救援時(shí)牽引功率計(jì)算

按照設(shè)計(jì)要求，正線雙機(jī)牽引210 t列車(相當(dāng)于一列地鐵列車空車質(zhì)量)可在35‰坡道上坡停起動(dòng)，并能以不低于8 km/h的速度通過(guò)該坡道。

(1)坡道阻力

35×(50+50+210)×9.8=

106.3 (kN)

(2)機(jī)車和車輛運(yùn)行阻力

5×50×9.8+5×50×9.8+5×210×9.8=

15.2 (kN)

(3)坡道上雙機(jī)牽引一列質(zhì)量G=210 t地鐵列車的總阻力

106.3+15.2=

121.5 (kN)

(4)計(jì)算所需的柴油機(jī)功率

N=Ne/η=W×v/(3.6×η×1 000)=

121.5×1 000×8/3.6×0.4×1 000=

675 (kW)

雙機(jī)重聯(lián)沿35‰坡道牽引210 t地鐵列車時(shí)能起步以不小于8 km/h行駛速度運(yùn)行，所需要的柴油機(jī)功率約675 kW。雙機(jī)重聯(lián)牽引，補(bǔ)機(jī)牽引力按100%取值，故1臺(tái)調(diào)車機(jī)車的柴油機(jī)功率應(yīng)為337.5 kW，CAT C11柴油機(jī)只有在E使用等級(jí)下才能基本滿足此工況下?tīng)恳阅艿男枰珻AT C13柴油機(jī)在D使用等級(jí)下還留有一定大功率裕度。

4 選型分析及結(jié)論

目前，青島地鐵各線路調(diào)車機(jī)車配置的是CAT C11柴油機(jī)，選用的E等級(jí)功率。在E等級(jí)功率下，柴油機(jī)100%滿負(fù)載持續(xù)工作時(shí)間不超過(guò)5%，所以在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于線路為長(zhǎng)大坡道需要柴油機(jī)處于較長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，調(diào)車機(jī)車的通過(guò)能力表現(xiàn)較差，較低的行駛速度勢(shì)必影響作業(yè)效率，受制于施工作業(yè)天窗時(shí)間的影響，個(gè)別作業(yè)內(nèi)容甚至無(wú)法完成就必須返回。但如若青島地鐵選擇450 kW調(diào)車機(jī)車，單機(jī)作業(yè)工況功率富余較多，造成了一定浪費(fèi)，地鐵列車救援作業(yè)時(shí)必須要求雙機(jī)牽引，這樣造成的浪費(fèi)就更加明顯。

通過(guò)上述分析，建議青島地鐵選用300 kW功率等級(jí)機(jī)車時(shí)，選取CAT C13柴油機(jī)，以提升調(diào)車機(jī)車牽引車輛通過(guò)長(zhǎng)大坡道的能力，按各工況最大功率需求338 kW計(jì)算，選擇CAT C13柴油機(jī)在D使用等級(jí)下，柴油機(jī)保有4.7%的功率裕度，正線作業(yè)整體運(yùn)行速度將有效提升，有力保障施工作業(yè)安全順利的完成，同時(shí)也避免了柴油機(jī)的過(guò)載運(yùn)行，對(duì)柴油機(jī)起到相應(yīng)的保護(hù)作用。因此，城軌300 kW功率等級(jí)的調(diào)車機(jī)車，在柴油機(jī)選型時(shí)，選用CAT C13柴油機(jī)，是一項(xiàng)對(duì)經(jīng)濟(jì)、可靠的解決方案。