左建樂，牛敏，王耀，朱家鑫，廖家偉，楚曉衛(wèi)

（中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 前言

隨著盾構(gòu)機(jī)和TBM 在隧道施工領(lǐng)域的應(yīng)用，其高效、安全、環(huán)保、非開挖的優(yōu)點(diǎn)使得地鐵隧洞、山嶺隧洞、輸水隧洞等建設(shè)得以快速發(fā)展。為了適應(yīng)軌道交通建設(shè)，規(guī)劃設(shè)計(jì)的大直徑城際地鐵隧道等項(xiàng)目越來越多，大直徑隧道直徑一般9m 以上，其區(qū)間距離長(zhǎng)、坡度大、開挖產(chǎn)生的渣土量多且運(yùn)輸難度較大。盾構(gòu)機(jī)/TBM 施工過程中所需的各種各樣的材料或備件，一般由機(jī)車編組從洞外運(yùn)輸至后配套臺(tái)車區(qū)域，再由吊機(jī)卸載到指定工位。對(duì)于大直徑TBM，后配套臺(tái)車通常為多層設(shè)備布置，還需要把物料從下層吊運(yùn)到上層。因此，有軌運(yùn)輸裝備需要在滿足大運(yùn)量和高效率的同時(shí)保證安全可靠。

目前，有軌運(yùn)輸裝備主要采用動(dòng)力集中的方式，由一臺(tái)牽引機(jī)車和若干非動(dòng)力的渣車、砂漿車和管片車組成。集中動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備由一臺(tái)牽引機(jī)車提供動(dòng)力，隨著隧道開挖直徑變大，運(yùn)輸?shù)脑恋任锪弦苍龆啵枰蠊β屎宛ぶ氐臓恳龣C(jī)車以滿足施工需求；牽引機(jī)車粘重增大造成動(dòng)力集中有軌運(yùn)輸裝備存在一些不足：（1）機(jī)車黏重大，輪壓大，對(duì)軌道的沖擊大；（2）機(jī)車粘重大，克服機(jī)車配重消耗能量多；（3）僅機(jī)車輪對(duì)為主動(dòng)輪，粘著牽引力不穩(wěn)定；（4）僅機(jī)車輪對(duì)為主動(dòng)輪，具備電制動(dòng)、基礎(chǔ)制動(dòng)，其他車輛只有基礎(chǔ)制動(dòng)，整體制動(dòng)性能差。針對(duì)以上不足，本文通過探究有軌運(yùn)輸裝備分散動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)，為盾構(gòu)機(jī)/TBM 進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工提供一種更加安全可靠的有軌運(yùn)輸技術(shù)參考，使得隧道施工物料有軌運(yùn)輸效率提高，成本節(jié)約。

2 有軌運(yùn)輸裝備分散動(dòng)力的發(fā)展概況

目前，全球范圍內(nèi)，多數(shù)高速鐵路列車和城市軌道列車都采用分散動(dòng)力系統(tǒng)，早期歐洲多數(shù)國(guó)家采用的集中動(dòng)力動(dòng)車組，自從日本新干線開始大規(guī)模采用分散動(dòng)力動(dòng)車組，日本已發(fā)展了三代高速電動(dòng)車組。第一代為0 系全動(dòng)車16 輛編組；第二代為1982 年東北新干線用200 系；第三代為300 系，采用GTO 元件VVVF 三相異步傳動(dòng)，以上日本高速動(dòng)車組均采用分散動(dòng)力方式。近30年來，德國(guó)研制成功ET-400 型電動(dòng)車組，每3 輛車為1組，均為動(dòng)力車，由3 組組成1 列共9 輛車。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，分散動(dòng)力動(dòng)車組表現(xiàn)出了更優(yōu)秀的性能，隨著電機(jī)性能提升、電力電子技術(shù)的發(fā)展、電氣設(shè)備可靠性的提升，分散動(dòng)力動(dòng)車組的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。

雖然分散動(dòng)力動(dòng)車組已有長(zhǎng)足的發(fā)展，技術(shù)也趨于成熟，但將分散動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用于隧道施工物料有軌運(yùn)輸卻剛剛起步。2023 年7 月7 日，我國(guó)首臺(tái)分散動(dòng)力式新能源電機(jī)車在重慶發(fā)布，將應(yīng)用于重慶軌道交通15 號(hào)線06 標(biāo)項(xiàng)目。通過跨界技術(shù)創(chuàng)新，借鑒分散動(dòng)力動(dòng)車組技術(shù)路線而研發(fā)的分散動(dòng)力式新能源電機(jī)車及后配套設(shè)備極大提高了盾構(gòu)渣土及管片等物料運(yùn)輸效率，為盾構(gòu)機(jī)/TBM 進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工有軌運(yùn)輸提供了新思路、新技術(shù)，使得隧道施工物料有軌運(yùn)輸效率提高，成本節(jié)約。進(jìn)行有軌運(yùn)輸裝備分散動(dòng)力的特點(diǎn)和性能深入研究，對(duì)隧道掘進(jìn)施工有軌運(yùn)輸?shù)膬?yōu)化、發(fā)展和推廣具有重大的作用。

3 有軌運(yùn)輸裝備分散動(dòng)力的特點(diǎn)

與隧道施工常規(guī)有軌運(yùn)輸裝備不同，分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備最主要的特點(diǎn)是除牽引機(jī)車具有動(dòng)力外，渣土車也具有動(dòng)力。即常規(guī)有軌運(yùn)輸裝備將動(dòng)力系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)集中安裝在牽引機(jī)車上，由牽引機(jī)車提供驅(qū)動(dòng)力而拖動(dòng)渣土車、砂漿車和管片車；分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備將動(dòng)力系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)分別安裝在牽引機(jī)車和部分渣土車上，由牽引機(jī)車和動(dòng)力渣土車共同提供驅(qū)動(dòng)輪而拖動(dòng)非動(dòng)力渣土車、砂漿車和管片車。兩種裝備形式示意圖如圖1 所示。

圖1 常規(guī)動(dòng)力與分散動(dòng)力形式

分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備與常規(guī)有軌運(yùn)輸裝備主要區(qū)別在動(dòng)軸質(zhì)量分配的差異，但卻在穩(wěn)定性和黏著性等方面存在較大差異，現(xiàn)把兩種形式的特點(diǎn)比較情況列于表1。

表1 常規(guī)動(dòng)力與分散動(dòng)力特點(diǎn)比較

從表1 中分析，分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備各項(xiàng)性能都優(yōu)于常規(guī)有軌運(yùn)輸裝備。因?yàn)轲ぶ禂?shù)和動(dòng)軸的質(zhì)量決定了牽引力的大小，所以，采用常規(guī)動(dòng)力集中方式必然導(dǎo)致軸重增加，才能得到較高的黏著系數(shù)。動(dòng)力分散方式的黏著較為穩(wěn)定。一是因動(dòng)軸數(shù)量多，每軸的牽引力可以比較低，即使黏著系數(shù)較低也不受影響；二是因中間車可有效利用穩(wěn)定的黏著特性。

4 有軌運(yùn)輸裝備分散動(dòng)力的應(yīng)用

某軌道交通地鐵項(xiàng)目采用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工，掘進(jìn)施工物料的運(yùn)輸采用有軌運(yùn)輸方式，編組配置機(jī)車、渣車、砂漿車和管片車。其項(xiàng)目信息如表2。

表2 某軌道交通地鐵項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)

根據(jù)項(xiàng)目信息，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)所開挖的渣土方量和重量為：

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)所需填充的砂漿方量和重量為：

由以上計(jì)算，運(yùn)輸物料需要7 臺(tái)25m3渣土車、1 臺(tái)13m3砂漿車和2 臺(tái)25t 管片車。則在掘進(jìn)一環(huán)時(shí)，進(jìn)洞和出洞所機(jī)車牽引的重量見表3。

表3 掘進(jìn)一環(huán)機(jī)車牽引重量表

由表3 可知，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工物料出洞時(shí)是運(yùn)輸重載工況。由此，上述項(xiàng)目機(jī)車黏重和動(dòng)力選型時(shí)，以出洞牽引重量G1=392.86t 為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

方案1：常規(guī)有軌運(yùn)輸裝備，僅機(jī)車提供動(dòng)力；

方案2：分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備，將部分渣土車配置動(dòng)力，利用渣土黏重，與機(jī)車共同提供動(dòng)力。根據(jù)以下公式：

式中，F(xiàn)持續(xù)為機(jī)車驅(qū)動(dòng)持續(xù)牽引力，kN；g 為重力加速度，9.8m/s2；為坡道阻力系數(shù)，28‰=0.028；為運(yùn)行阻力綜合系數(shù)，包括滾動(dòng)阻力系數(shù)、軸承摩擦阻力系數(shù)、同軸車輪直徑差引起的滑動(dòng)摩擦阻力系數(shù)、車輪輪緣在直道或彎道時(shí)與鋼軌摩擦的阻力系數(shù)、車輛振動(dòng)或搖晃引起的能耗及空氣阻力、軸對(duì)安裝平行度誤差引起的差滑阻力系數(shù)、曲線離心力引起的側(cè)滑阻力系數(shù)等等（一般取0.006 ～0.012），這里取0.008；G2為機(jī)車、動(dòng)力渣車黏著重量，t；P 為裝備電機(jī)額定總功率，kW；i 為減速機(jī)速比；η為機(jī)械傳動(dòng)效率，這里取0.96；n 為電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)速，r/min；R 為驅(qū)動(dòng)輪半徑，m；F黏著為機(jī)車、動(dòng)力渣車粘著牽引力，kN；為黏著系數(shù)，根據(jù)鐵道研究結(jié)果，軌道干燥時(shí)，黏著系數(shù)在0.2～0.4，考慮隧道施工軌道情況，這里取0.26；v 為裝備額定運(yùn)行速度，km/h。

表4 出洞工況總重量

由表4 看出，分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備將部分渣車配置動(dòng)力，將部分渣土黏重負(fù)載轉(zhuǎn)化為黏著牽引力，使機(jī)車黏重有較大的減輕，對(duì)于車輛輕量化設(shè)計(jì)，節(jié)能增效也有重要意義。表5 列出常規(guī)有軌運(yùn)輸裝備與分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備性能參數(shù)對(duì)比，可作為項(xiàng)目選擇參考。

表5 常規(guī)動(dòng)力與分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備性能參數(shù)對(duì)比表

綜合表4、表5 數(shù)據(jù)，在28‰坡度出洞工況時(shí)，由1 臺(tái)70t 機(jī)車的常規(guī)有軌運(yùn)輸裝備，其總重量479t＞462.86t，富余量小，受黏著性能影響，易發(fā)生牽引力不足而造成打滑；由1 臺(tái)45t 機(jī)車和2 臺(tái)25 動(dòng)力渣車組成的分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備，其總重量511t ＞441.86t，富余量大，且車輛黏重小，尺寸小，運(yùn)行速度快。因此，分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備在實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的同時(shí)可滿足隧道物料有軌運(yùn)輸安全、高效，經(jīng)濟(jì)。

5 有軌運(yùn)輸裝備分散動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，MOSFET、IGBT 等高速功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，利用PWM 電壓調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)交流電壓幅值和相位的精確控制，這就意味著可以通過精確控制交流電機(jī)中定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的幅值和相位實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的精確控制，也就是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。作為動(dòng)力輸出核心的電機(jī)及控制技術(shù)，其輕量化與控制的高效性以及節(jié)能環(huán)保將成為發(fā)展趨勢(shì)。不同類型電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的比較一直是電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，這里給出一組對(duì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的評(píng)估結(jié)果見表6。

表6 車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)評(píng)估表

永磁同步電動(dòng)機(jī)以永磁體提供勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性；又因無需勵(lì)磁電流，沒有勵(lì)磁損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度。永磁同步電機(jī)尺寸相較于三相異步電機(jī)更小，更有利于車輛輕量化設(shè)計(jì)；車用級(jí)別永磁同步電機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制成熟穩(wěn)定，且防護(hù)等級(jí)IP67，更加適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。永磁同步電機(jī)的應(yīng)用將更加促進(jìn)分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備高效節(jié)能，輕量靈活以及穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)語

以上通過對(duì)分散動(dòng)力技術(shù)的初步探究，論述了分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備在隧道施工物料有軌運(yùn)輸?shù)膬?yōu)越性，希望分散動(dòng)力有軌運(yùn)輸裝備在隧道施工有軌運(yùn)輸領(lǐng)域有更好的發(fā)展和應(yīng)用。