冶金企业纯电动机车的应用研究_罗俊.pdf

冶金企业纯电动机车的应用研究罗俊，陈强（阳春新钢铁有限责任公司，广东阳江529600）摘要：鉴于节能环保、高度信息化的纯电动机车相对于内燃机车具有降本、减排及智能化的应用优势，以冶金企业电动汽车为研究对象，基于新能源纯电动机车在国内的发展、应用情况，对阳春新钢铁与中冶矿装联合研发YCXE-1/72T 型机车的过程、应用情况进行研究，并探讨该纯电动机车在冶金企业应用的特点及未来发展方向。关键词：新能源；纯电动机车；碳排放；成本中图分类号：TF758；U469.72文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0094-030引言近两年来，在国家政策持续扶持下，我国新能源纯电动汽车产业迎来井喷式发展。纯电动机车是新型产品，由传统的内燃机车转向架、车体、空气制动等技术结合新能源汽车电池、电控、电机三电技术，并采用模块化设计，使新能源电动汽车具备高度信息化的特点。相对内燃机车，能有效改善司乘人员作业环境，保养、维修工作量小，节能效果显著，大幅度降低机车运维成本，减少碳排放，并随着辅助驾驶等软件系统的完善，能有效结合铁水智能管控信息化系统、微机联锁系统，为冶金企业铁路运输实现远程驾驶、无人驾驶、铁水运输作业的大数据整合创造条件。1国内新能源机车发展情况近年来，新能源汽车在国家政策的扶持下，发展势头良好，驾控舒适、节能环保、维护简单、智能化程度高、人机交互友好的优点深入人心。但新能源机车发展较为缓慢，国内各大传统内燃机车厂家的新能源机车项目均还在研发试制、小范围试运行阶段，据多方走访了解查证得出：截至 2017 年，国内工矿企业与各铁路局内燃调车机车保有量大约 6 000 台1，而内燃机车设计全生命周期约为 2530 年，据此测算，国内年均更替机车约 200 多台/次，市场规模小，导致配套企业不多，有意向研发、生产厂家也难以像新能源汽车产业巨头一样，通过生产规模的扩大化来摊薄研发及生产成本。同时，经过多年行业整合，国内主要机车厂家大多被中国中车并购，行业相对封闭，创新动力不强。此外，兼顾调车作业与小运转作业的特点，国内主要机车生产厂家对于新能源机车的研究方向多以混动为主，如中车资阳于 2010 年 12 月完成了国内首台 CKD6E5001 号混合动力调车机车的研制，采用600 kW 发动机加 400 kW 电机驱动，机车总功率为1 000 kW，在武钢、日钢集团等单位进行运用考核，但并未量产实现市场化，中车资阳后续研发的 HXN6 大功率型机车，混合工况可发挥 1 860 kW 的轮周功率，在市面上也应用较少。2国内冶金企业纯电动机车应用情况国内冶金行业在环保、成本压力及创新动力的驱动下，各企业特别是北方钢企对于机车的新能源化有着较为强烈的市场需求。在此影响下，国内冶金行业与相关厂家已开始进行调车用纯电动机车的研究、试制，根据相关新闻媒体报道，南京钢铁与相关厂家联合研发的“南京钢铁号”电动机车，山东斯泰重工为山东永锋钢铁生产的“永锋号”电动机车，以及阳春新钢铁有限责任公司（全文简称“阳春新钢铁”）与中冶京诚矿山装备有限公司（全文简称“中冶矿装”）合作研发的 YCXE-1/72T 型“CD001 号”电动机车等，均开始小规模地投入运营。此外，据了解，沙钢、马钢等钢铁企业与相关厂家开展纯电动机车的研究试制活动也在有计划地推进中。3阳春新钢铁纯电动机车研究应用情况阳春新钢铁在役的 4 台太行型内燃机车车龄近30 年，车况老化、故障率高，因原生产厂家已倒闭，重要部位已无备件更替，大修效益、效果均不佳，正面临着机车的更新换代。随着 2017 年后电动重载汽车的逐渐发展，阳春新钢铁在考虑机车更新换代方案时，以降本、减排、创新为导向，将新能源机车作为新购置机车的主要方向。阳春新钢铁通过研究分析电动重卡等类似机车工况的重载电动设备的特点，结合阳春新钢铁调车用机车作业工况，采用纯电动机车将有如下优势：1）调车用机车工作区域相对固定，距检修点、补能点路程短，无里程焦虑；2）采用电动机车能有效避免内燃机车的怠速、低速等不经济的燃油消耗；3）广东省气温适宜，无极端低温气候，适合锂电收稿日期：2022-10-26第一作者简介：罗俊（1985），男，湖南常德人，毕业于湖南工业大学电气工程及其自动化专业，本科，电气工程师，现为阳春新钢铁有限责任公司物流中心设备运行管理室主管，主要从事冶金企业铁路设备设施管理及创新研究工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.036行业纵横2023 年第 5 期池的使用环境；4）为保障牵引力，机车对自重有需求，无需考虑电池重量因素；5）钢铁企业自发电充足，用电成本低。以上特点均适合纯电动机车在阳春新钢铁的应用，同时通过对机车全寿命周期进行分析，纯电动机车运营成本将显著低于内燃机车运营成本，并符合国家减碳战略。因当时市面上并无纯电动机车产品，自 2020 年10 月起，阳春新钢铁联合中冶矿装针对新能源机车的研发工作开展交流，并于 2021 年 4 月达成正式协议，决定由阳春新钢铁提供内燃机车技术、应用管理经验，结合中冶矿装在重载矿用自卸车上已经成熟运用的三电技术，合作研发纯电动机车。双方通过深入探讨，为减少不必要的研发成本，节约研发时间，确定了除电控、电驱系统外，尽量采用成熟的内燃机车设计、规范，并采用边设计边调整边制造的模式。在研发前期，双方就阳春新钢铁调车机车作业工况做了大量的数据分析，确保机车电池容量、电机功率及减速比、自重与关键性能牵引力、制动力等关键参数之间达到较佳平衡点。纯电动机车于 2021 年 11 月设计制造完成（见图1），定型号为 YCXE-1/72T，编号“CD001 号”，整车采用 B0-B0 轴式转向架，车体设司机室、电控间、电池间、空压机间四大功能间，制动系统采用 JZ-7 制动机与施耐德双螺杆式空压机组合的空气制动与能量回馈制动相结合，由管理磷酸铁锂电池组的 BMS 电池管理系统、主控制器 MCU 搭建的机车整车控制系统与电机控制器 TCU 搭建的驱动系统通过 CAN 网络有机结合，实现底层智能通讯控制，完成机车的操控、数据显示、安全监控与故障诊断等功能。机车自重约 72 t，驱动动力由 4 台 151.8 kW 带减速机构的三相交流永磁同步牵引电机提供，单电机驱动单轴轮对，机车持续牵引力 250 kN，最大牵引力 350 kN，与 GK1C 型内燃机车相当，磷酸铁锂电池容量设计为 1 000 kWh（后调整至 800 kWh），能保障 2 个自然日的作业续航，确保机车每次补能时间选在电价谷时，以发挥最大的降本效果。“CD001 号”机车于 2021 年 12 月在阳春新钢铁正式投运，至 2022 年 5 月底，累计作业运行时间4 016 h，运行里程 9 167.4 km，耗电能为 6.014 万kWh，其间运行平稳，满足公司铁水、钢渣运输作业需求，节能降本效果显著，阳春新钢铁共有 4 台作业机车，通过对比 2021 年与 2022 年 15 月该公司机车燃油消耗数据（见表 1），同比节约燃油 57 800 L，累计节约费用约 42.95 万元（电费按 0.55 元/kWh、油费按8元/t 计算）。4纯电动机车在冶金企业的应用效益及效果分析基于 YCXE-1/72T 纯电动机车在阳春新钢铁近半年的应用情况分析，相对于目前冶金企业主流的内燃型作业机车，纯电动机车具备作业环境舒适、操作便捷精准的特点，运行时无工作噪声，易操控，保养、维修工作量小，结合使用遥控系统，司乘人员在挂钩、对位等作业上能提高工作效率，有效降低运维人员劳动强度，通过后期开发辅助驾驶系统及自动提勾、止轮装置，为人力资源优化配置提供了空间。采用内燃机车进行调车作业时，内燃机车柴油机工作时绝大多数时间处于低转速运转状态，联结液偶驱动车轮，做功效率低下，机车待命时柴油机空载消耗燃油，浪费严重。调车机车的作业特点是频繁进行启动、换向、制动的循环作业，造成机车柴油机负荷不稳定、频繁变化，结果导致燃油在柴油机内燃烧不充分、冒黑烟，排放废气中碳化物含量高，对环境造成污染。因柴油机长期处于不良工况，故障率高，维检工作量大。YCXE-1/72T 纯电动机车工况性能对标 GK1C型内燃机车设计制造，交流永磁同步牵引电机可控性好，大扭矩、高转速输出的电驱特点能确保在合适的状态输出动力，停机时不消耗能源，结合制动能量回馈，避免了内燃机车柴油机的低效运行及无效能源消耗，贴合冶金企业铁路运输短途调车作业工况。根据YCXE-1/72T 机车运行报表分析，能耗节约成本高达90%以上。单台纯电动机车预计每年可减少 110 t 燃油消耗，减排二氧化碳 339t。根据冶金工业规划研究院就能耗与减排对 YCXE-1/72T机车的研究报告，该型号机车较功率相近的内燃机车可每公里减少 3.250 1 kgce标准煤的能源消耗，节能减排效果显著。YCXE-1/72T 纯电动机车为模块化设计，结构相对简单，制造成本与内燃机车购置成本相当，但在运维费用上具备较大优势，除节约能耗可节约成本，根据初步估算，备件、材料、油脂、维修工作量等中小修图 1“CD001 号”机车表 1阳春新钢铁每月机车消耗柴油数据L年份1 月2 月3 月4 月5 月202144 90039 26046 90046 30042 300202234 49029 90029 56034 95033 250罗俊，陈强：冶金企业纯电动机车的应用研究95山西冶金E-mail:第 46 卷Design and Management of Modern Investment Casting TechnologyNiu Sen（Linqu Industrial Technology Service Center,Linqu Shandong 262600）Abstract:The casting industry is the foundation of modern equipment manufacturing industry,known as the mother of industry,and is anindispensable part of the development of Chinas modern manufacturing industry.Casting process technology is crucial for product quality,precision dimensions,and casting qualification rate.In response to the current transformation and development needs of small and microinvestment casting enterprises,design and research will be carried out to enhance technical processes in various key links such as moldmaking,shell making,roasting,smelting,and casting,in order to promote the transformation and upgrading of small and micro castingenterprises and achieve high-quality development.Key words:investment casting;casting process technology;industrial upgradingResearch Progress of Properties of Metal Foams and Their CompositesYin Wenyan,Ma Wei（Lanzhou Resources and Environment Vocational and Technical University,Lanzhou Gansu 730000）Abstract:Foamed metals have attracted much attention because of their excellent pore structure and metal properties,which make themhave excellent characteristics of heat absorption,energy absorption,noise reduction and good thermal insulation.In order to better applyfoamed metal and their composits,taking foamed aluminum as research subject,the structure characteristics,properties and applications ofporous metal foams are reviewed in this paper,and its future and research prospects are also discussed.Key words:foamed metal;energy absorption;compression;noise reduction;filtering维修费约为内燃机车的 30%。纯电动机车的大修成本主要为磷酸铁锂电池组的更替成本，本机车采用磷酸铁锂电池组，理论充放电次数为 2 000 次至 3 000 次，寿命 810 年。更换周期已超过内燃机车大修周期，整体维修费用仍显著低于内燃机车大修费用。5纯电动机车进一步发展空间YCXE-1 型纯电动机车于 2022 年 3 月通过国家工矿电传动车辆质量监督检验中心（湖南）检验认证，湖南省科技成果与技术市场协会就机车关键技术开发及应用进行评价，认定 YCXE-1/72T 型纯电动机车整体技术具备国内领先水平，但纯电动机车作为新事物，在细节上还存在一些待改进的问题，如电控系统的各类电气保护设计，需更贴合冶金企业较为刚性的运输组织模式，目前阳春新钢铁与中冶矿装正进一步对此开展研究工作，如研究设计换电设备、自动提勾装置等，用以消除补能瓶颈，增加机车应用功能。在信息化应用方面，基于 5G 技术、差分 GPS 定位技术的机车运行数据管理系统、遥控驾驶等辅助系统进行开发研究，远期可融合平面调车系统、微机联锁系统，开发出适合地方铁路、厂矿企业调车应用的自动化、信息化控制平台。6结论基于 YCXE-1 机车在阳春新钢铁的良好应用效果，证实了机车的纯电动化契合冶金企业调车用机车工况。纯电动机车具备明显的成本、环保优势，符合国家碳达峰、碳中和的战略决策，也贴合设备设施自动化、信息化的趋势，具备向全行业推广应用的价值，是国内冶金行业调车用机车的发展方向。参考文献1尚勤.HXN6 型混合动力调车机车全寿命周期成本模型及分析D.成都：西南交通大学，2018.（编辑：武倩倩）Research and Discussion on Application of Pure Electric Locomotive in MetallurgicalEnterprisesLuo Jun,Chen Qiang（Yangchun New Iron&Steel Co.,Ltd.,Yangjiang Guangdong 529600）Abstract:Considering the advantages of energy saving,environmental protection,and highly informationized pure electric locomotives incost reduction,emission reduction,and intelligent application compared to internal combustion locomotives,this study focuses on thedevelopment and application of new energy pure electric locomotives in China in metallurgical enterprises.Based on the development andapplication of new energy pure electric locomotives in China,the process and application of the YCXE-1/72T locomotive jointly developedby Yangchun New Iron and Steel and China Metallurgical Mining and Installation Co.,Ltd.are studied,and the characteristics and futuredevelopment direction of its application in metallurgical enterprises are explored.Key words:new energy;pure electric locomotive;carbon emissions;cost（上接第 78 页）（上接第 90 页）96