電動(dòng)軌道車與內(nèi)燃軌道車優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

李錦先

摘 要：文章以江蘇今創(chuàng)車輛有限公司生產(chǎn)的JMY420型內(nèi)燃軌道車和中國(guó)南車株洲電力機(jī)車有限公司為深圳地鐵生產(chǎn)的電動(dòng)軌道車為例，對(duì)以電力和內(nèi)燃機(jī)作為牽引動(dòng)力的軌道車優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)軌道車；內(nèi)燃軌道車；優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

引言

目前世界上城市軌道交通行業(yè)方興未艾，而國(guó)內(nèi)的發(fā)展更是如火如荼。用作正線救援、廠內(nèi)調(diào)車、運(yùn)輸?shù)碾妱?dòng)軌道車，集成軌道檢測(cè)、限界檢測(cè)以及接觸網(wǎng)檢測(cè)等功能在國(guó)外部分地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)城市軌道行業(yè)還處于發(fā)展的初期，對(duì)地鐵類工程車的需求量較少，因此沒(méi)有專門為城軌系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品，而是采用既有的為工礦企業(yè)、碼頭等開(kāi)發(fā)的小型內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車作為地鐵工程維護(hù)車。

1 兩種軌道車簡(jiǎn)介

內(nèi)燃軌道車以卡特柴油機(jī)作為動(dòng)力源，然后通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)、萬(wàn)向軸、液力變速箱、車軸齒輪箱傳到輪對(duì)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)車前進(jìn)。車上的制動(dòng)系統(tǒng)以JZ-7制動(dòng)機(jī)為核心的空氣制動(dòng)，此外還有液力制動(dòng)。

電動(dòng)軌道車則是受電弓從接觸網(wǎng)受流或蓄電池作為電源，然后電流經(jīng)過(guò)高速斷路器、牽引回路高壓箱、線路電抗器、牽引逆變器，牽引逆變器將直流電源逆變?yōu)榭煽厝嘟涣麟姾笙虍惒綘恳妱?dòng)機(jī)供電，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱驅(qū)動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而使得機(jī)車前進(jìn)。制動(dòng)系統(tǒng)以DK-1制動(dòng)機(jī)為核心的電空制動(dòng)，同時(shí)可以利用電機(jī)實(shí)施再生制動(dòng)+電阻制動(dòng)。

2 牽引傳動(dòng)方式比較

內(nèi)燃軌道車與電動(dòng)軌道車的牽引方式從以下幾點(diǎn)進(jìn)行比較。

2.1 噪音

內(nèi)燃軌道車在開(kāi)動(dòng)時(shí)，柴油機(jī)會(huì)發(fā)出很大的噪音，高達(dá)100分貝，這嚴(yán)重影響工作人員和維護(hù)作業(yè)人員的身體健康，在高架及地面的路段還會(huì)影響周圍居民生活，造成不良的社會(huì)影響。而電動(dòng)軌道車采用電機(jī)牽引，電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，沒(méi)有柴油機(jī)燃油點(diǎn)燃爆發(fā)的過(guò)程，因此電機(jī)發(fā)出的聲音與之相比幾乎可以忽略，避免了柴油機(jī)的噪音問(wèn)題。

2.2 廢氣排放

燃油燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物等有害氣體，再加上燃燒不充分而產(chǎn)生的煙霧等，在地下隧道這種相對(duì)封閉的作業(yè)空間難以擴(kuò)散排出，不利于作業(yè)人員的身心健康，對(duì)隧道內(nèi)的機(jī)械設(shè)備造成損害，同時(shí)嚴(yán)重的污染了城市的空氣。而電動(dòng)軌道車則接近零排放，按其30年的使用壽命來(lái)計(jì)算，每替代一臺(tái)內(nèi)燃軌道車將直接減少二氧化碳排放量近2100噸。在目前國(guó)家大力提倡節(jié)能減排，計(jì)劃到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40～45%這一目標(biāo)已作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃的背景下，用電動(dòng)軌道車替代內(nèi)燃軌道車，不失為一個(gè)明智的選擇。從應(yīng)對(duì)導(dǎo)致全球溫度日益上升的溫室效應(yīng)方面來(lái)說(shuō)，亦可作出貢獻(xiàn)。

2.3 能源利用率

內(nèi)燃機(jī)的能量利用率為35～45%，再加上液力傳動(dòng)箱、萬(wàn)向軸等方面的耗損，機(jī)車總效率低于33%，而電機(jī)的能源利用率高達(dá)89%，加上其傳動(dòng)方式為直接輸出到車軸齒輪箱，傳動(dòng)行程短，損耗小，機(jī)車總效率在85%以上。兩者相比，可知電動(dòng)軌道車的能源利用率是內(nèi)燃軌道車的2.58倍以上。如果考慮到中后期部件老化帶來(lái)的影響，這個(gè)倍率將更大。

3 制動(dòng)系統(tǒng)比較

JMY420型軌道車的制動(dòng)方式有兩種：以JZ-7制動(dòng)機(jī)為核心的空氣制動(dòng)和液力制動(dòng)。電動(dòng)軌道車的制動(dòng)方式同樣有兩種：以DK-1制動(dòng)機(jī)為核心的空氣制動(dòng)和再生制動(dòng)+電阻制動(dòng)。

3.1 JZ-7制動(dòng)機(jī)與DK-1制動(dòng)機(jī)

JZ-7型空氣制動(dòng)機(jī)是我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的，在鐵路內(nèi)燃機(jī)車上廣泛應(yīng)用的制動(dòng)機(jī)。它以壓力空氣為動(dòng)力來(lái)源，用壓力空氣的壓力變化來(lái)操縱機(jī)車的緩解及制動(dòng)。DK-1電空制動(dòng)機(jī)以空氣為動(dòng)力來(lái)源，用電來(lái)操縱制動(dòng)裝置的制動(dòng)、緩解等作用。通過(guò)參考資料[2]中的具體性能對(duì)比可知，DK-1制動(dòng)機(jī)與JZ-7制動(dòng)機(jī)相比，反應(yīng)時(shí)間更迅速：充風(fēng)快、停車快，控制性能更靈活，運(yùn)用更方便。由于控制部分基本上都是電氣控制，因此無(wú)空氣排放時(shí)的噪音，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單、便于掌握、便于檢修，改善了作業(yè)環(huán)境。

3.2 液力制動(dòng)和再生制動(dòng)+電阻制動(dòng)

液力制動(dòng)作為空氣制動(dòng)的一種補(bǔ)充，是通過(guò)向與機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反的變扭器充油，使得傳動(dòng)油與使得機(jī)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)油的熱能，再散發(fā)到空氣中。這樣，在制動(dòng)的過(guò)程中，依然要消耗柴油機(jī)發(fā)出來(lái)的能量。再生制動(dòng)則是將牽引電機(jī)的電動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)工況，將機(jī)車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能通過(guò)轉(zhuǎn)換電器和受電弓反饋給供電觸網(wǎng)或者通過(guò)轉(zhuǎn)換器后到車載蓄電池組，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)的制動(dòng)方式。再生制動(dòng)是一種綠色、環(huán)保的制動(dòng)方式，能夠起到節(jié)約能源的作用。而電阻制動(dòng)即是利用直流電機(jī)可逆的工作原理，將牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)工況時(shí)發(fā)出的電能消耗于制動(dòng)電阻，利用電機(jī)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩使機(jī)車減速的一種電制動(dòng)形式。電阻制動(dòng)僅僅消耗機(jī)車的動(dòng)能，而不需額外消耗其他能量，再加上獨(dú)立性強(qiáng)，可以與接觸網(wǎng)不發(fā)生聯(lián)系，易于調(diào)節(jié)、控制。作為輔助制動(dòng)方式，再生制動(dòng)+電阻制動(dòng)與液力制動(dòng)相比，有著相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

4 控制系統(tǒng)比較

控制系統(tǒng)作為車輛的控制和通信系統(tǒng)，主要完成通信管理、功能控制、故障診斷、事件記錄等功能。電動(dòng)軌道車為分布式列車電子控制系統(tǒng)，采用不同功能的模塊化設(shè)計(jì)，如車輛控制模塊、事件記錄模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊等。內(nèi)燃軌道車采用的是PLC為中心，外加繼電器的控制系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)可靠性

與內(nèi)燃軌道車相比，電動(dòng)軌道車的模塊化使車輛的電氣設(shè)備間接口標(biāo)準(zhǔn)化，模塊間的通訊也是采用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)通訊線，而內(nèi)燃軌道車則是采用常見(jiàn)的電線連接，電動(dòng)軌道車的電氣接觸更加優(yōu)良，加之電動(dòng)軌道車比內(nèi)燃軌道車的車身震動(dòng)要小得多，因此電動(dòng)軌道車系統(tǒng)運(yùn)行可靠性更高。此外電動(dòng)軌道車控制模塊、通信等采用冗余機(jī)制，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)切換等功能，進(jìn)一步提高其可靠性。

4.2 智能化

電動(dòng)軌道車電氣化程度比內(nèi)燃軌道車的要高得多，其控制、數(shù)據(jù)采集及故障診斷功能豐富。模塊化設(shè)計(jì)，便于診斷系統(tǒng)快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)出故障點(diǎn)，易于維修。而內(nèi)燃軌道車在出現(xiàn)故障時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確定位，整個(gè)故障維修過(guò)程通常要耗時(shí)2小時(shí)以上，在正線運(yùn)行時(shí)尤為不利。

5 綜合成本比較

5.1 運(yùn)營(yíng)成本

采購(gòu)成本內(nèi)燃軌道車約300萬(wàn)，電動(dòng)軌道車約700萬(wàn)。應(yīng)用時(shí)在理想狀態(tài)下，內(nèi)燃軌道車柴油機(jī)功率為313千瓦，燃油消耗率208克/（千瓦·時(shí)），目前柴油價(jià)格為7.51元/升，也即8.94元/千克，所以柴油機(jī)功率消耗價(jià)格為1.86元/（千瓦·時(shí)），而深圳市110千伏級(jí)別的工業(yè)用電按高峰期用電價(jià)格算也僅0.9721元/（千瓦·時(shí)），如果再考慮到整車的綜合效率，則差距更大。同時(shí)，隨著不斷的開(kāi)采，石化能源將逐漸變得稀缺，價(jià)格也必將更加昂貴，而新能源開(kāi)發(fā)效率的提升，未來(lái)的電價(jià)將會(huì)相對(duì)平穩(wěn)的多。

5.2 維護(hù)成本

內(nèi)燃軌道車車上除了電氣部分外，還有柴油機(jī)、液力傳動(dòng)箱等，在使用年限達(dá)到五年左右時(shí)，柴油機(jī)等部件將會(huì)老化，需要進(jìn)行大修程維護(hù)，若不及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，將會(huì)給運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)椴裼蜋C(jī)等部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前公司尚無(wú)具備對(duì)進(jìn)口柴油機(jī)進(jìn)行大修程的維修保養(yǎng)的能力與條件。以竹子林車輛段的鋼軌打磨車為例，2011年上半年因?yàn)樗美匣p，造成冷卻水進(jìn)入柴油機(jī)內(nèi)部，使得機(jī)車無(wú)法正常運(yùn)營(yíng)，就是因?yàn)橐呀?jīng)達(dá)到年限卻因?yàn)闂l件及能力無(wú)法滿足而沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行維修而造成的，后來(lái)只能委外維修，價(jià)格高達(dá)30萬(wàn)元人民幣。而電動(dòng)軌道車基本上是電氣部分的維修、更換，維護(hù)的復(fù)雜程度要大大的降低。加上其多個(gè)重要部件均與電客車相同，而深圳地鐵在2014年已經(jīng)具備了電客車各部件的大修維修能力，因此可大幅度節(jié)省委外維修費(fèi)用。根據(jù)參考資料[1]的分析，電動(dòng)軌道車全壽命周期的成本將比內(nèi)燃軌道車的低700萬(wàn)以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

作為國(guó)內(nèi)第一輛的電動(dòng)軌道車，截至目前已經(jīng)安全運(yùn)營(yíng)了2年多，該車故障率相比內(nèi)燃軌道車要低很多，加上排放、噪音等優(yōu)勢(shì)，日常中深得維護(hù)、運(yùn)用部門的喜愛(ài)。而在深圳地鐵7、9、11號(hào)線的設(shè)備采購(gòu)中，共計(jì)劃采購(gòu)6輛電動(dòng)軌道車，顯示了其強(qiáng)大的生命力。相信電動(dòng)軌道車將成為我國(guó)城市軌道交通行業(yè)的里程碑，引領(lǐng)城市軌道行業(yè)發(fā)展新方向。

參考文獻(xiàn)

[1]楊志華，陳成，毛如香.地鐵工程維護(hù)車的新發(fā)展-電力蓄電池雙能源工程車[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33（4）.

[2]劉豫湘，陸縉華，潘傳熙.DK-1型電空制動(dòng)機(jī)與電力機(jī)車空氣管路系統(tǒng)[M].中國(guó)鐵道出版社.

[3]遲卓剛，張貴良.內(nèi)燃機(jī)車制動(dòng)機(jī)[M].中國(guó)鐵道出版社.