隧道施工新能源鋰電池牽引機(jī)車應(yīng)用

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摘要：近年來，隨著國內(nèi)外高速鐵路、公路的發(fā)展，長大隧道越來越多。而長大隧道施工多采用內(nèi)燃牽引機(jī)車，內(nèi)燃牽引機(jī)車雖然行駛距離長、速度快，但對施工環(huán)境會造成一定污染，尤其在獨頭隧道、通風(fēng)不暢的超長隧道施工中表現(xiàn)尤為明顯。為了降低隧道施工環(huán)境污染程度，給作業(yè)人員一個健康的工作環(huán)境，公司開發(fā)了一種續(xù)航里程大、牽引能力強(qiáng)、環(huán)保零污染、電池充電時間短、后期維保成本低、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)、起動及制動性能可靠的新能源鋰電池牽引機(jī)車。新能源鋰電池牽引機(jī)車解決了電機(jī)車?yán)m(xù)航能力差、充電時間長、低溫適應(yīng)性差的問題，而且還降低了維護(hù)成本、提高了施工效率、加快了工程進(jìn)度，并保證了施工安全。

關(guān)鍵詞：新能源；鋰電池牽引機(jī)車；長大隧道；續(xù)航；環(huán)保

我國隧道里程在世界名列前茅，使用TBM法施工的長大鐵路隧道（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），由于電瓶車的續(xù)航能力和高原適應(yīng)性滿足不了施工要求，均采用了內(nèi)燃牽引機(jī)車作為水平運輸編組的原動機(jī)。近年來，由于空氣環(huán)境質(zhì)量污染越趨嚴(yán)重，國家提倡環(huán)境保護(hù)，綠色減排，誕生了新能源汽車。在隧道施工行業(yè)，誕生了隧道施工用鋰電池牽引機(jī)車。針對高黎貢山隧道高地?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，根據(jù)設(shè)計提供的地質(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)車產(chǎn)生尾氣污染，導(dǎo)致施工空氣質(zhì)量極差，且購置成本高、噪聲污染大。本文針對高黎貢山隧道TBM掘進(jìn)段長距離大斷面的運輸施工特點進(jìn)行研究，有必要研究一種綠色能源動力、充電時間短、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)、制動可靠的新能源鋰電池機(jī)車，適應(yīng)于長大隧道高地?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)段為試驗工程。大瑞鐵路二分部全長13.92km，設(shè)計變更后施工范圍：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)。正洞隧道開挖直徑9030mm。

2新能源鋰電池牽引機(jī)車總體方案

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

345t新能源鋰電池牽引機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)

45t新能源鋰電池牽引機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

445t新能源鋰電池牽引機(jī)車的組成

45t新能源鋰電池牽引機(jī)車主要由車體、走行裝置、制動系統(tǒng)、傳動系統(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牽引性能測試

重載試驗，機(jī)車運行速度為14.4km/h（滿足長大隧道機(jī)車運行速度要求）。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）。編組類型:7節(jié)16m³側(cè)卸車（全部滿渣）+1節(jié)15t材料車。負(fù)載重量:255.6t。根據(jù)現(xiàn)場測試表明，在水平運輸軌道24‰的坡度下，機(jī)車啟動牽引能力達(dá)到255.6t。

6續(xù)航能力測試

（1）輕載續(xù)航能力測試。隧道最大坡度：20‰，隧道持續(xù)坡度：9‰。編組類型：機(jī)車牽引3臺16方側(cè)卸車+1臺15t材料車或機(jī)車牽引3臺16方側(cè)卸車+1臺6方罐車,最大負(fù)載重量為117.8t。根據(jù)輕載工況測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，累計作業(yè)1804.4km，45t鋰電池牽引機(jī)車充滿電輕載可持續(xù)行駛約60~80km。根據(jù)初期復(fù)雜工況測試統(tǒng)計，45t鋰電池機(jī)車充滿電輕載續(xù)航能力為60~80km。（2）重載續(xù)航能力測試。隧道最大坡度：20‰，隧道持續(xù)坡度：9‰。編組類型一:6節(jié)16m³渣車（5.5節(jié)滿渣）+一臺8方罐車+一臺管片車。編組類型二:7節(jié)16m³側(cè)卸車（全部滿渣）+1節(jié)15t材料車。最大負(fù)載重量為255.6t。根據(jù)重載工況測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，累計啟動963次，累計作業(yè)1190.4km。45t鋰電池機(jī)車充滿電在綜合工況下，重載續(xù)航能力約為55~60km。

7充電測試數(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：從表2可知，在16~30℃的環(huán)境溫度下，45t鋰電池機(jī)車從SOC20%到充滿電，需要花費約165min，消耗交流電304.3kW•h；從SOC從30%到充滿，需要花費約146min，消耗交流電253.8kW•h。充電過程電池性能穩(wěn)定。

8經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益

8.1購置成本

35t進(jìn)口小馬機(jī)車的購置成本約為368萬/臺；45t鋰電池機(jī)車的購置成本約為135萬/臺，充電樁購置成本約為11萬/臺（按照兩臺45t鋰電池機(jī)車配置1套120kW充電樁進(jìn)行計算，充電樁購置成本為11萬，折合配置每臺機(jī)車5.5萬）。因此，45t鋰電池機(jī)車一次性固定投入成本約為140.5萬元。通過以上對比，45t鋰電池機(jī)車的購置成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于35t小馬機(jī)車價格。

8.2消耗成本

鋰電池機(jī)車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（峰時段0.864元/度，平時段0.587元/度，谷時段0.31元/度）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算。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；大修配件包含制動氣缸、傳動軸、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臺機(jī)車配置3個操作司機(jī)和3個調(diào)車員，現(xiàn)場維保人員1個，共需要7人,人均工資約6000元/人，按機(jī)車每天運行30km計算。內(nèi)燃機(jī)車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)車消耗作為對比數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗情況統(tǒng)計，45t鋰電池機(jī)車與35t小馬機(jī)車進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比見表3。對比結(jié)果顯示，45t鋰電池機(jī)車使用成本遠(yuǎn)低于35t小馬機(jī)車，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

9結(jié)語

通過45t鋰電池牽引機(jī)車在長大隧道的工業(yè)性試驗測試，總結(jié)如下：機(jī)車?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），滿足長大隧道運輸要求。機(jī)車充電速度快，充滿電僅需165min。機(jī)車最高運行速度為15km/h，滿足長大隧道機(jī)車運行速度要求。機(jī)車牽引性能良好。在24‰的坡度下，半坡啟動上坡可牽引255.6t負(fù)載。整車采用PLC控制系統(tǒng)，操作簡單、安全可靠；采用變頻器，機(jī)車啟停、加減速平穩(wěn)；鋰電池?zé)岱€(wěn)定性好滿足高寒氣候需求；整車制動系統(tǒng)安全可靠，反應(yīng)靈敏，制動、松閘速度快；機(jī)車環(huán)保節(jié)能，經(jīng)濟(jì)性好，具有極高的推廣價值。

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作者：楊君華 單位：中鐵隧道股份有限公司