新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)在長(zhǎng)大隧道施工中的應(yīng)用

楊君華

（中鐵隧道股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

我國(guó)隧道里程在世界名列前茅，使用TBM法施工的長(zhǎng)大鐵路隧道（秦嶺隧道、桃花鋪隧道、磨溝嶺隧道、中天山隧道、引紅濟(jì)石、引大濟(jì)黃、引洮供水隧洞、引漢濟(jì)渭、遼西北供水、引松供水），由于電瓶車(chē)的續(xù)航能力和高原適應(yīng)性滿(mǎn)足不了施工要求，均采用了內(nèi)燃牽引機(jī)車(chē)作為水平運(yùn)輸編組的原動(dòng)機(jī)。

近年來(lái)，由于空氣環(huán)境質(zhì)量污染越趨嚴(yán)重，國(guó)家提倡環(huán)境保護(hù)，綠色減排，誕生了新能源汽車(chē)。在隧道施工行業(yè)，誕生了隧道施工用鋰電池牽引機(jī)車(chē)。

針對(duì)高黎貢山隧道高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、高地震烈度的特征，以及川藏鐵路高海拔、寒冷的特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)勘探資料，如何解決空氣稀薄、寒冷條件下的運(yùn)輸需求和如何保障空氣稀薄的隧道內(nèi)施工人員的環(huán)境質(zhì)量；以及隧道內(nèi)使用內(nèi)燃機(jī)車(chē)產(chǎn)生尾氣污染，導(dǎo)致施工空氣質(zhì)量極差，且購(gòu)置成本高、噪聲污染大。

本文針對(duì)高黎貢山隧道TBM掘進(jìn)段長(zhǎng)距離大斷面的運(yùn)輸施工特點(diǎn)進(jìn)行研究，有必要研究一種綠色能源動(dòng)力、充電時(shí)間短、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)、制動(dòng)可靠的新能源鋰電池機(jī)車(chē)，適應(yīng)于長(zhǎng)大隧道高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、高地震烈度，以及川藏鐵路高海拔、寒冷的工況，提高施工效率，加快工程進(jìn)度，保證施工安全。

1 工程概況

新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)依托中鐵隧道集團(tuán)承建的大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM掘進(jìn)段為試驗(yàn)工程。大瑞鐵路二分部全長(zhǎng)13.92km，設(shè)計(jì)變更后施工范圍：平導(dǎo)工程11518.58m(其中TBM施工10623m)；I線正洞工程13260m(其中TBM施工12546m)。正洞隧道開(kāi)挖直徑9030mm。

2 新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)總體方案

根據(jù)工地施工組織，考慮到新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)的使用需求，確定采用45t新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)進(jìn)行出渣作業(yè)。45t新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)采用鈦酸鋰電池作為動(dòng)力源，經(jīng)逆變后供給兩臺(tái)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。

3 45t新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

45t新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1

圖1 牽引機(jī)車(chē)組成圖

4 45t新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)的組成

45t新能源鋰電池牽引機(jī)車(chē)主要由車(chē)體、走行裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、鋰電池及其電源管理系統(tǒng)、空壓機(jī)等組成，如圖1。

5 牽引性能測(cè)試

重載試驗(yàn)，機(jī)車(chē)運(yùn)行速度為14.4km/h（滿(mǎn)足長(zhǎng)大隧道機(jī)車(chē)運(yùn)行速度要求）。

隧道坡度：雙側(cè)壁道岔處和軌排處為20‰，平導(dǎo)TBM斜坡軌處為24‰（最大坡度）。

編組類(lèi)型:7節(jié)16m3側(cè)卸車(chē)（全部滿(mǎn)渣）+1節(jié)15t材料車(chē)。

負(fù)載重量:255.6t。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，在水平運(yùn)輸軌道24‰的坡度下，機(jī)車(chē)啟動(dòng)牽引能力達(dá)到255.6t。

6 續(xù)航能力測(cè)試

（1）輕載續(xù)航能力測(cè)試。

隧道最大坡度：20‰，隧道持續(xù)坡度：9‰。

編組類(lèi)型：機(jī)車(chē)牽引3臺(tái)16方側(cè)卸車(chē)+1臺(tái)15t材料車(chē)或機(jī)車(chē)牽引3臺(tái)16方側(cè)卸車(chē)+1臺(tái)6方罐車(chē), 最大負(fù)載重量為117.8t。

根據(jù)輕載工況測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，累計(jì)作業(yè)1804.4km，45t鋰電池牽引機(jī)車(chē)充滿(mǎn)電輕載可持續(xù)行駛約60～80km。

根據(jù)初期復(fù)雜工況測(cè)試統(tǒng)計(jì)，45t鋰電池機(jī)車(chē)充滿(mǎn)電輕載續(xù)航能力為60～80km。

（2）重載續(xù)航能力測(cè)試。

隧道最大坡度：20‰，隧道持續(xù)坡度：9‰。

編組類(lèi)型一:6節(jié)16m3渣車(chē)（5.5節(jié)滿(mǎn)渣）+一臺(tái)8方罐車(chē)+一臺(tái)管片車(chē)。

編組類(lèi)型二:7節(jié)16m3側(cè)卸車(chē)（全部滿(mǎn)渣）+1節(jié)15t材料車(chē)。

最大負(fù)載重量為255.6t。

根據(jù)重載工況測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，累計(jì)啟動(dòng)963次，累計(jì)作業(yè)1190.4km。45t鋰電池機(jī)車(chē)充滿(mǎn)電在綜合工況下，重載續(xù)航能力約為55～60km。

圖2 洞內(nèi)重載作業(yè)

7 充電測(cè)試數(shù)據(jù)

在16～30℃的環(huán)境溫度下，630Ah的鋰電池總成充電情況如下表2：

表2 充電記錄

從表2可知，在16～30℃的環(huán)境溫度下，45t鋰電池機(jī)車(chē)從SOC20%到充滿(mǎn)電，需要花費(fèi)約165min，消耗交流電304.3kW·h；從SOC從30%到充滿(mǎn)，需要花費(fèi)約146min，消耗交流電253.8kW·h。充電過(guò)程電池性能穩(wěn)定。

8 經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益

8.1 購(gòu)置成本

35t進(jìn)口小馬機(jī)車(chē)的購(gòu)置成本約為368萬(wàn)/臺(tái)； 45t鋰電池機(jī)車(chē)的購(gòu)置成本約為135萬(wàn)/臺(tái)，充電樁購(gòu)置成本約為11萬(wàn)/臺(tái)（按照兩臺(tái)45t鋰電池機(jī)車(chē)配置1套120kW充電樁進(jìn)行計(jì)算，充電樁購(gòu)置成本為11萬(wàn)，折合配置每臺(tái)機(jī)車(chē)5.5萬(wàn)）。因此，45t鋰電池機(jī)車(chē)一次性固定投入成本約為140.5萬(wàn)元。

通過(guò)以上對(duì)比，45t鋰電池機(jī)車(chē)的購(gòu)置成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于35t小馬機(jī)車(chē)價(jià)格。

8.2 消耗成本

鋰電池機(jī)車(chē)消耗成本由配件消耗、油料消耗、操作維護(hù)人員工資支出組成。電能消耗：機(jī)車(chē)平均重載續(xù)航能力約60km，充電消耗交流電約304.3kW·h，按照云南省一般大型工業(yè)用電電價(jià)（峰時(shí)段0.864元/度，平時(shí)段0.587元/度，谷時(shí)段0.31元/度）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。油料消耗：鋰基脂消耗、中負(fù)荷工業(yè)齒輪油消耗、壓縮機(jī)油消耗配件消耗：鋰電池牽引機(jī)車(chē)配件消耗分為常規(guī)配件和大修配件。常規(guī)配件包含閘瓦、氣源處理三聯(lián)件、空濾芯；大修配件包含制動(dòng)氣缸、傳動(dòng)軸、變頻器、減速機(jī)、主電機(jī)、空壓機(jī)等。操作維護(hù)人員工資支出：1臺(tái)機(jī)車(chē)配置3個(gè)操作司機(jī)和3個(gè)調(diào)車(chē)員，現(xiàn)場(chǎng)維保人員1個(gè)，共需要7人,人均工資約6000元/人，按機(jī)車(chē)每天運(yùn)行30km計(jì)算。

內(nèi)燃機(jī)車(chē)消耗成本主要有配件消耗、油料消耗和操作維護(hù)人員工資支出組成。以大瑞鐵路二分部35t進(jìn)口小馬機(jī)車(chē)消耗作為對(duì)比數(shù)據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)，45t鋰電池機(jī)車(chē)與35t小馬機(jī)車(chē)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 成本對(duì)比總表

對(duì)比結(jié)果顯示，45t鋰電池機(jī)車(chē)使用成本遠(yuǎn)低于35t小馬機(jī)車(chē)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)45t鋰電池牽引機(jī)車(chē)在長(zhǎng)大隧道的工業(yè)性試驗(yàn)測(cè)試，總結(jié)如下：

機(jī)車(chē)?yán)m(xù)航能力強(qiáng)。在持續(xù)坡度9‰、最大坡度24‰（進(jìn)洞上坡）的軌線，機(jī)車(chē)編組重載進(jìn)洞、重載出洞續(xù)航能力達(dá)到55～60km（負(fù)載255.6t），滿(mǎn)足長(zhǎng)大隧道運(yùn)輸要求。

機(jī)車(chē)充電速度快，充滿(mǎn)電僅需165min。

機(jī)車(chē)最高運(yùn)行速度為15 km/h，滿(mǎn)足長(zhǎng)大隧道機(jī)車(chē)運(yùn)行速度要求。

機(jī)車(chē)牽引性能良好。在24‰的坡度下，半坡啟動(dòng)上坡可牽引255.6t負(fù)載。

整車(chē)采用PLC控制系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單、安全可靠；采用變頻器，機(jī)車(chē)啟停、加減速平穩(wěn)；鋰電池?zé)岱€(wěn)定性好滿(mǎn)足高寒氣候需求；整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)安全可靠，反應(yīng)靈敏，制動(dòng)、松閘速度快；機(jī)車(chē)環(huán)保節(jié)能，經(jīng)濟(jì)性好，具有極高的推廣價(jià)值。