隧道电动牵引车升级改造研究

廖培杰

摘要：为满足地铁施工需求，45T电动牵引车升级改造为55T电动牵引车，同时为提升工效，减少工序时长，电动牵引车的动力源电池由铅酸电池改为锂电池。经过论证和改造实施，55T锂电池电动牵引车组满足现场生产施工需求。

关键词：隧道电动牵引车；铅酸电池；升级改造；锂电池

1  工程背景

电动牵引车广泛用于地铁施工，根据不同地铁项目的需求选择合适的电动牵引车组。本工程为厦门市轨道3/4号线土建工程5标二工区共建段-机场西盾构区间，区间长度约为3577米，隧道最大坡度约为28‰，盾构开挖直径6980mm，管片内径6000mm，外径6700mm，管片宽度为1500mm。现有的电动牵引车为牵引能力为45T的铅酸电池机车，已使用超过5年，经过初步计算判断，无法满足掘进过程中一次运输一环的材料使用要求。

2  总体方案确定

机车及后配套车辆将使用于地铁隧道盾构施工，本次坡度取值为地铁盾构区间通常最大设计坡度30‰。

2.1  电动牵引车编组参数确定

2.1.1  每环渣土量

Q 实方＝πR 开挖2•L=3.14×3.492×1.5≈57.37m³

在掘进过程中由于下陷、加水、加澎松剂或聚合物等因素，实方变虚方的系数增大，松散系数按K=1.4计算：

每环立方为：Q 虚方＝K•Q 实方＝1.4×57.37=80.32m³

考虑到重载上坡时渣土车满载会出现溢渣现象，装载系数按0.9计，选择容量规格为18m³的渣土车，每节渣土车实际装载量：

18×0.9 = 16.2m³

每环出土所需渣土车数量为：80.32/16.2=4.96节≈5节

所以每环一次性出渣，每组列车需要配备5节18m³ 渣土车，每节渣土车重量9.6t。

渣土比重按1.8计算。

每环渣土重量：G=80.32m³×1.8t/m³=144.576t

2.1.2  每环管片重量

管片外径：R1=3.35m，管片内径R2=3m，管片宽:L=1.5m。

每环管片的体积：V=π（R1+ R2）（R1－R2）•L=10.47m3

管片比重取按2.5t/m³计算：

每环管片的重量：G=10.47×2.5=26.18t

建议采用2节15t管片车，每节管片车重2.1t。

2.1.3  每掘进一环所需注浆量

刀盘开挖半径：R1=3.49m，管片外径：R2=3.35m ，管片宽度：L=1.5m，充盈系数为1.6，浆液比重：1.5t/m³。

注浆体积：S=π（R1+ R2）（R1－R2）L×1.6=4.51*1.6=7.22m³，

建议采用 1节10立方的砂浆车，每节车重5.5t。

2.1.4  编组重量计算

当机车在牵引后配套车辆出渣时编组重量最大，且考虑最不利状态时，即渣土车满载，砂浆车满载，管片车满载状态。

5台18立方的渣土车（满载）+2台15t管片车（满载）+1台10立方砂浆车（满载）=5×9.6＋144.576+2×2.1+26.18+5.5+10*1.5≈243.5t

当机车在牵引后配套车辆掘进上坡时最大牵引重量为243.5t。

2.2  机车牵引力计算

计算式：

F = Pμg

Q = P{gμ-[(ω+i )g+1.075a]}/[(ω+i )g+1.075a]

式中：

F:电机车起动牵引力

Q:电机车重载上坡起动牵引吨位

P：电机车粘重55t

ω:阻力系数0.0135

i:重载上坡线路坡度0.03（30‰）

g:重力加速度9.81m/s2

a:列车起动加速度0.02 m/s2

μ:电机车起动粘着系数0.285

表1  45T机车和55T机车牵引吨位对比

项目	45T机车	55T机车
起动牵引力F	125.8KN	153.7KN
重载上坡起动牵引吨位Q	235.7t	288.1t
是否满足＞243.5t	不满足	满足

结论：45吨机车不能够满足牵引需求，需升级改造为55吨机车。

2.3机车电池的选择

根据使用经验及调查分析，比较铅酸电池机车于锂电池机车的优缺点：

表2  铅酸电池机车及锂电池机车的性能对比[1]

序号	项目	铅酸电池机车	锂电池机车
1	每台车数量	2组×3箱（共540节）	1组×1箱
2	电池可用充电次数	≮750次	≮2000次
3	电池充电效率	≮60%	≮80%
4	电池温度特性	-10℃～55℃	-20℃～55℃
5	电池持续/最大电流放电	0.5C/1C	1C/2C
6	自放电	85%SOC/1个月	90%SOC/3个月
7	单次充满电时长	12-15小时	≯2.5小时
8	单次充满电行驶里程	地铁施工工况下可运行里程不小于40KM	地铁施工工况下，可运行里程不小于25KM，可进行补充充电，随充随用
9	充电要求	每台车配置3台充电机，建设集中充电站，需循环冷却水，需逐一吊装3箱电池，更换充电	在隧道口附近合适位置安装充电机，防水防撞即可，两台机车可共用1-2台充电机
10	场地设备要求	井口附近地面建设集中充电站，占地约30㎡，且需要吊机进行吊装，需要独立多项配电箱。	井下机车可行驶至10m范围内合适位置2㎡，单独一项配电箱
11	人员配置	司机1名，充电工1名，电池吊运工2名，吊机司机一名	司机1名
12	智能检测系统	无	外部回路有短接、接地或者漏电，以及内部单体温度过高、充电不足等报警显示
13	电池维护	定期检测电解液浓度，添加蒸馏水，充电过程需将电池打开，整箱浸泡在水中冷却	免维护，直接充电[2]
14	故障排除	故障率高，但故障一般可自行排除	故障率低，安全性高，出现故障后大部分故障需要专业人士排除
15	经济性对比综述	每台车用铅酸电池的一次性投入成本略低于锂电池组的成本价格，但是其他使用成本包括充电站建设、电池维护及人工劳务费用，使用成本比锂电池高，另外考虑到充电效率，锂电池相较于铅酸电池节约电能月20%，施工效率上。锂电池机车充电过程中避免重复多次的吊装电池，节约人工的同时提高了工作效率，加速了项目进程。

综合考虑，锂电池机车比铅酸电池机车性能上更优，因此计划将机车动力源改为锂电池。

图1 铅酸电池机车结构图

2.4  55吨电机车匹配牵引电机功率计算

2.4.1  本次升级改造采用45吨电机车升级为55吨电机车的方式，电机功率按照55吨机车匹配的牵引电机进行计算。

2.4.2  机车极限起动粘着牵引力计算，按照极限起动粘着系数前提下，牵引电机需要满足机车起动所需要的最小扭矩进行核算。

1)  极限状态下机车起动牵引力   Fg＝p×μ×g

式中：

Fg——电机车粘着牵引力kN

μ——粘着系数，取0.321（电机车极限起动粘着系数）

p——机车粘着重量，55t

g——重力加速度，9.81N/kg

Fg= p×μ×g=55×0.321×9.81=173.2kN

2） 极限状态下起动单台电机所需最小扭矩

Mmin= Fg×1000×r/i/n/j

式中：

Mmin——单台电机所需最小扭矩N.m

r——机车车轮半径0.42m（车轮直径840mm）

k——单台电机过载倍数1.6（设计过载2.0，使用取值1.6）

j——机车匹配牵引电机数量2台/台车

i——机车齿轮箱总传动比12.99

Mmin=Fg×1000×r/i/j/k=173.2×1000×0.42/12.99/2/1.6=1750N.m

3） 极限状态下起动单台电机所需最小功率

Pmin=Mmin×n/9550

式中：

Pmin——单台电机所需最小功率kW

n——单台电机额定转速737r/min（对应机车最高持续速度8.8Km/h）

Pmin=1750×737/9550≈135kW

2.4.3  结论

55t机车设计匹配135kW牵引电机较为合理，原先45T机车配置的110KW电机需更换。

2.5  其他结构的选定与改造

本次改造是在现有45T电动牵引车的基础上进行，根据原电动牵引车外观尺寸尽量不要有较大改动的原则，电机升级后对应的减速机也将相应升级，同时电池由铅酸电池改为锂电池，控制系统同步升级。具体事项如下：

2.5.1  整机结构部分

电机车（裸车）的零部件凡能拆卸下来的部件全部进行拆解，只保留与车体焊接在一起的零部件，车体内部结构按照技改升级55吨机车布局进行更改、车体除锈打磨，喷涂防锈漆，待其余部件维修或新制完成后，重新装配，整车外形尺寸、轴距保持与原车一致。

2.5.2  走行轮对、轴箱、减速箱部分

走行减速箱更换，行走机构更换：主轴加粗，能承受机车车身55T重量，车轮及轮毂、轴箱体轴承及轴箱换新，万向联轴节更换：满足55T机车新减速箱与电机间传动需求；机车橡胶弹簧换新：满足55T机车满载牵引下减震要求；待车体改造合格后表面油漆并重新装配，进行整机跑合试验及牵引力测试。

2.5.3  空气制动系统部分

空气系统全部新制，升级为双管路排风控制系统，管路换为高压编织钢丝橡胶软管，所有气动元件需要更换，含空压机风源系统及刹车制动气缸等，空压机风源系统升级为0.98m3/min大排量系统。

2.5.4  电气部分

电气驱动系统根据整车检测情况确定维修方案，其中主牵引电机、主变频器按照新造55吨电机标准、技术成熟的135KW变频专用电机及匹配的变频器动力推进系统进行换新配置；所有线缆及其它电器部件如制动电阻器、总断路器、制动电阻、警报灯、前后车灯、顶灯、控制线路及油水分离器等全部换新并进行整车绝缘处理；电气控制系统按照目前成熟的、最先进的PLC智能控制系统重新进行匹配，新增电池断电及故障自动刹车等功能装置，整车按照维修后升级锂电池新能源电池方式设计。

2.5.5  锂电池系统及充电桩

按照标准配置成熟隧道电机车锂电池及充电桩系统，推荐配置国内知名企业标准配置的＞330KWh规格新能源动力锂电池系统及功率为150KW双枪充电桩。

2.5.6  技改升级新能源锂电池系统配重

整车技改升级新能源锂电池系统后，因新能源锂电池能量密度大，电池总重量约3.5吨左右，为达到55吨机车设计重量需为电池系统新增加约20吨配重并进行总体平衡设计安装，其中电池系统配重与机车本体改造为55吨配重各10吨。

2.5.7  防溜车及安全装置

新增电机车防溜车双挂钩装置，车辆间双侧防脱链绳等。

2.5.8  更换、补充完善机车零部件

制动电阻、断路器、警报灯、前后车灯、顶灯、控制线路及油水分离器等全部换新。

2.5.9  性能检测

大部件及整车维修后按照新造机车性能进行检测。

图2  改造后55T锂电池机车结构图

3质量及安全技术措施

（1）本电动牵引车改造为旧车升级改造，车体结构改动较少，但是车架需整体检查加固。另外在现有的结构空间内，电机、减速机、电池及配重的外观尺寸需进行详细考量及合理布置。

（2）根据项目使用需求，本新能源动力电池系统采用磷酸铁锂电芯，具有大容量、高安全性及超长使用寿命、绿色环保等特点。电池模组采用先进集成技术，具有机械连接牢固可靠、内阻小、抗振性好、电芯温度一致性及散热快等优点。

改造后的新能源动力电池系统配置的电池管理系统（BMS），可对系统及单体电池的电压、电流、温度及充、放电、SOC状态等进行实时有效的监测管理，并在某些条件下关断充、放电回路以防止电池损坏，保证电池安全可靠运行。

（3）设备改造完成必须进行性能检测，按新机的标准进行，完成后出具相应的报告。特别是电池系统、电气系统、控制系统及安全装置必须完好、安全、可靠。

（4）主要构件质量把控，例如对于牵引电机，实行供货单位产品出厂前现场试验验收等。

（5）对原本45T机车的单气缸防溜车装置进行改造，改为双气缸双钩防溜车装置并加装助力弹簧，提升应急板钩的可靠性和使用寿命。

4结语

目前锂电池机车相较于铅酸电池机车有操作方便、充电块、功效高、污染少、节能等特点，已陆续推广用于地铁施工项目。本次45T铅酸电池机车升级改造为锂电池机车经过计算分析，过程控制，已较好的完成了设备的升级改造，满足现场的施工需求。经过实际应用及数据收集分析，锂电池机车在施工中发挥了重要作用，工效提升明显，将为后续工程的实施提供技术支撑。

参考文献：

[1]康晓亮.关于盾构机配套45t机车改造的讨论[J].中国设备工程,2021,(04):159-160.

[2]王华. 一种隧道用新能源牵引机车的研究与应用[J]. 建筑机械化,2021,42(4):40-42.