一种氢能动力铁路养护设备的制作方法

1.本技术涉及轨道车辆技术领域，具体地，涉及一种氢能动力铁路养护设备。


背景技术：

2.目前大型铁路养护装备普遍以内燃发动机作为动力，在运用过程中，内燃发动机排出大量有毒气体和粉尘，运行噪声也较大，严重污染环境，危害作业人员身体健康；在隧道内这种情况尤为严重，同时发动机排出的废气和热量不能排出隧道，又被发动机吸入，很容易造成发动机过热停机，降低作业效率。另外发动机需要消耗大量的化石能源，而这种能源面临日益枯竭，价格逐年攀升，造成运用成本不断增加。
3.随着“绿色驱动”理念的提倡并推广，目前新开发的铁路大型养护设备逐步采用“内燃机驱动+电驱动”的混合动力驱动方式或者纯电驱动的方式。氢燃料电池利用氢气和空气的电化学反应产生电流来发电，产物只有纯净的水，无其它任何尾气排放，做到了真正意义的零排放，是国内外多年关注、研究、试运行的最具未来生命力的动力技术。但是氢能动力装备在铁路装备车辆的应用实例很少，特别是铁路大型养护设备方面，其中大功率氢能动力机型在国内外暂无相关报道，该领域尚属于全新领域。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术缺陷之一，本技术实施例中提供了一种氢能动力铁路养护设备。
5.根据本技术实施例，提供了一种氢能动力铁路养护设备，包括：
6.氢能动力车，所述氢能动力车上设置有氢能动力系统；
7.至少一节作业车，与所述氢能动力车连接，所述作业车上设置有铁路养护工作装置；
8.所述氢能动力车或作业车上还设置有变流系统、牵引电机和传动系统；
9.所述氢能动力系统为所述变流系统提供电力，所述变流系统将所述氢能动力系统输出的直流电逆变成三相交流电，以驱动所述牵引电机，所述牵引电机通过所述传动系统驱动整车走行及作业动作。
10.如上所述的氢能动力铁路养护设备，整车驱动方式采用静液压驱动方式，所述传动系统包括分动箱、位于所述分动箱上的液压泵、以及与所述液压泵连接的液压马达，所述静液压驱动方式为由所述牵引电机驱动分动箱从而驱动分动箱上的液压泵，液压泵再通过静液压传动驱动液压马达实现整车走行及作业动作；
11.或者，整车驱动方式采用电驱动方式，所述牵引电机为两个，所述传动系统包括液压泵，所述电驱动方式为利用其中一个牵引电机直接驱动整车自运行及作业走行，同时利用另一牵引电机驱动所述液压泵为工作机构的油缸提供动力。
12.如上所述的氢能动力铁路养护设备，所述变流系统通过变流器内igbt功率器件的开断控制，将所述氢能动力系统输出的直流电逆变成三相交流电，以驱动所述牵引电机。
前转向架，8-后转向架，9-司机室，10-后司机室，11-起拨道装置，12-测量系统，13-捣固装置，14-车体构架，15-储氢系统，16-氢燃料电池系统，17-电容储能系统，18-散热系统，19-车体构架，20-前转向架，21-后转向架，22-司机室。
具体实施方式
32.为了使本技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.本技术实施例提供一种氢能动力铁路养护设备，如图1至图5所示，包括：
34.氢能动力车1，氢能动力车1上设置有氢能动力系统；
35.至少一节作业车2，与氢能动力车1连接，作业车2上设置有铁路养护工作装置；
36.氢能动力车1或作业车2上还设置有变流系统3、牵引电机4和传动系统；
37.氢能动力系统为变流系统3提供电力，变流系统3将氢能动力系统输出的直流电逆变成三相交流电，以驱动牵引电机4，牵引电机4通过传动系统驱动整车走行及作业动作。具体实施时，变流系统3可以通过变流器内igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)功率器件的开断控制，将氢能动力系统输出的直流电(例如dc750v)逆变成三相交流电(例如380vac)，以驱动牵引电机4。整车动力源全部来自于氢能。
38.本技术实施例首创性的将氢能动力引入铁路大型养护设备领域，提供了一种氢能动力铁路养护设备，全部采用氢燃料动力，完全实现零排放、零污染、低噪声，消除了使用内燃动力产生废气和噪声对环境的污染，大幅降低了对作业人员身体健康影响；在长大隧道内这种优势更加明显，没有发动机排出的废气和热量，不会因发动机过热停机降低作业效率；不会因为废气集聚及内燃发动机噪声反射造成对施工人员呼吸系统及听觉系统的损伤。采用氢能动力车+作业车的布局模式，方便以后将氢能动力驱动方式扩展运用到各种功能的铁路养护装备上。
39.本技术实施例中，整车驱动方式既可以采用静液压驱动方式，也可以采用电驱动方式。
40.当整车驱动方式采用静液压驱动方式时，传动系统可以包括分动箱6、位于分动箱6上的液压泵、以及与液压泵连接的液压马达，静液压驱动方式为由牵引电机4驱动分动箱6从而驱动分动箱6上的液压泵，液压泵再通过静液压传动驱动液压马达实现整车走行及作业动作。
41.当整车驱动方式采用电驱动方式时，牵引电机4可以为两个，传动系统可以包括液压泵，电驱动方式为利用其中一个牵引电机直接驱动整车自运行及作业走行，同时利用另一牵引电机驱动液压泵为工作机构(即铁路养护工作装置)的油缸提供动力。
42.其中，氢能动力系统—变流系统—牵引电机—分动箱—泵驱动元件—执行机构的动力传动方式也是本技术的创新之一。
43.氢能动力车1和作业车2连接组成氢能动力作业车组，可双向自运行及作业走行。整机布局，包括一节氢能动力车1加至少一节(轨道养护)作业车2，作业车2也可以扩展成2节、3节及更多节；氢能动力车1与作业车2的位置可以根据需要变化，可以将作业车2布局在
氢能动力车1后面，也可以几节作业车2与氢能动力车1按需要随意组合顺序。作业车2可以是任何功能的铁路养护装备，也可以是几种功能的铁路养护装备的集成。
44.氢能动力车1与作业车2之间可以通过车钩连接，或者通过牵引杆进行关节轴承铰连接。优选的，氢能动力车1和作业车2各采用两个两轴转向架，其中动力转向架可以布置在氢能动力车1上，或者布置在作业车2上，或者在氢能动力车1和作业车2上都布置动力转向架，动力转向架用于驱动整车实现自运行；动力转向架可以采用静液压驱动或电驱动。
45.氢能动力系统可以采用本领域的各种常规技术，例如可以包括储氢系统、氢燃料电池系统、电容储能系统和散热系统。
46.优选的，氢能动力车1还可以包括司机室、车体构架和制动系统等，作业车2还可以包括司机室、车体构架、制动系统和电气控制系统等；变流系统3、牵引电机4、传动系统优选位于作业车2上。
47.下面以氢能动力铁路养护设备为氢能捣固车为例，对本技术实施例的技术方案进行详细说明。
48.氢能捣固车由氢能动力车1及作业车2(即捣固作业车)组成。图1-2为氢能捣固车的整体结构图。整车为两节车体，按作业方向从前往后的顺序，前车为捣固作业车2，其功能是实现线路的起道、拨道、抄平及捣固作业，也可根据需要增加砟肩夯实、道砟清扫等扩展功能；后车为氢能动力车1，其功能是将压缩氢气转化为电能，为整车提供驱动力。
49.氢能捣固车两端配备车钩与缓冲装置，可与其他轨道列车进行编组连挂。氢能动力车1与捣固作业车2之间可以通过车钩连接，也可通过牵引杆进行关节轴承铰连接。
50.氢能动力车1的氢能动力系统总功率可以为360kw，由4个功率为90kw的氢燃料电池系统组成，可为变流系统提供dc750v的交流电。变流系统含两套独立逆变系统，一套将dc750v直流电逆变为ac600v三相交流电，驱动牵引电机，带动液压泵，为整车液压系统提供动力；另一套将dc750v直流电源逆变为ac380v/50hz的三相交流电，经交流配电箱，为车上空调、插座、充电机等ac380v负载提供能量。所述控制系统如图3所示。
51.氢能动力车1，主要组成如图4所示，主要由储氢系统15、氢燃料电池系统16、电容储能系统17、散热系统18、车体构架19、前转向架20、后转向架21、司机室22组成。
52.储氢系统15，由若干组高压储氢瓶组成。高压氢瓶储存并提供氢气，氢气通过压力调节装置(截止阀、压力调节器和泄压阀)调节氢气进气口压力，调压后氢气进入到氢燃料电池系统16。经过反应后，剩余的氢气通过氢气循环泵循环回氢气入口，继续参加反应。高压储氢瓶的数量根据整车功率匹配。
53.氢燃料电池系统16通过电化学反应将燃料中的化学能转化为电能，产生的电力通过dc/dc转化为750v直流电对外输出，同时也有部分能量为燃料电池自身的bop系统和散热系统18提供动力，也可以为电容储能系统17充电。氢燃料电池系统16可以包含冷却水泵，冷却水泵将冷却液泵入电池堆，冷却液将反应产生的热量带出电池堆。
54.电容储能系统17作为辅助动力，在车辆加速和爬坡时进行快速响应，提供峰值功率，在刹车时回收部分再生制动能量。电容储能系统17可以采用锂电池或者其他蓄电池进行储能。
55.散热系统18通过循环散热装置将冷却液从氢燃料电池系统16带走的热量散发到大气中。
56.车体构架19为氢能动力车1的承载部件，负责承载所有工作装置及功能系统。
57.前转向架20、后转向架21为氢能动力车1的走行部，根据整车布局及驱动需求作为驱动转向架或者从动转向架。当前转向架20、后转向架21作为驱动转向架时，可由分动箱6驱动的液压泵驱动该转向架上液压马达实现高速走行及作业走行。
58.司机室22布置驾驶及作业操控台，驾驶人员在司机室22内进行机器驾驶操作以及部分作业操作。
59.储氢系统15、氢燃料电池系统16、电容储能系统17、散热系统18构成氢能动力系统，将高压氢气转化为电能，为整车运行及作业提供动力。
60.氢能动力系统输出功率根据氢能动力铁路养护机械运行及作业需要进行匹配。进一步的，其各组成部分如储氢系统15、氢燃料电池系统16、电容储能系统17、散热系统18的容量可根据输出功率进行相应的匹配。
61.氢能动力车1的氢能动力系统为作业车2的变流系统3提供电力；变流系统3通过变流器内igbt功率器件的开断控制，将氢能动力系统输出的dc750v直流电，逆变成380vac三相交流电，以驱动牵引电机4。
62.捣固作业车2，主要组成如图5所示，包括变流系统3、牵引电机4、传动轴5、分动箱6、前转向架7、后转向架8、前司机室9、后司机室10、起拨道装置11、测量系统12、捣固装置13、车体构架14等。捣固装置13、起拨道装置11、测量系统12组成铁路养护工作装置。
63.变流系统3、牵引电机4、分动箱6等可以安装在捣固作业车2靠前部位置。如果是除捣固作业车之外的其他作业车型，可根据需要安装在车体构架14前、中、后任意位置。
64.牵引电机4通过传动轴5驱动分动箱6上的液压泵，进而驱动前转向架7、后转向架8以及工作装置如起拨道装置11、捣固装置13等，同时为其他辅助装置或系统提供动力。
65.捣固装置13和起拨道装置11可以布置在前转向架7和后转向架8之间。
66.捣固装置13的振动驱动可由变流系统3直接驱动变频电机来驱动，也可由分动箱6上液压泵驱动液压马达来驱动。
67.捣固装置13的升/降动作、夹持动作可由分动箱6上液压泵驱动液压油缸动作实现。
68.起拨道装置11的升/降动作、夹持动作以及其他辅助动作可由分动箱6上液压泵驱动液压油缸动作实现。
69.测量系统12可以由3个或以上的测量小车构成，分别布置在捣固作业车2两端及前转向架7和后转向架8之间。
70.车体构架14为捣固作业车2的承载部件，负责承载所有工作装置及功能系统。
71.前司机室9布置驾驶及作业操控台，驾驶人员在前司机室9内进行机器驾驶操作以及部分作业操作。
72.后司机室9布置作业操控台，驾驶人员在后司机室9内进行主要的作业操作。
73.可以想到的是，变流系统3可以同时驱动两条传动路线，其中一条直接驱动各电动机从而驱动做旋转运动的执行机构，如车轴齿轮箱、捣固装置振动轴、空压机等；另外一条驱动牵引电机4从而驱动分动箱6上的液压泵，从而为做线性运动的执行机构，即用油缸驱动的工作装置提供动力源。
74.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
75.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
76.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
77.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
78.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种氢能动力铁路养护设备，其特征在于，包括：氢能动力车，所述氢能动力车上设置有氢能动力系统；至少一节作业车，与所述氢能动力车连接，所述作业车上设置有铁路养护工作装置；所述氢能动力车或作业车上还设置有变流系统、牵引电机和传动系统；所述氢能动力系统为所述变流系统提供电力，所述变流系统将所述氢能动力系统输出的直流电逆变成三相交流电，以驱动所述牵引电机，所述牵引电机通过所述传动系统驱动整车走行及作业动作。2.根据权利要求1所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，整车驱动方式采用静液压驱动方式，所述传动系统包括分动箱、位于所述分动箱上的液压泵、以及与所述液压泵连接的液压马达，所述静液压驱动方式为由所述牵引电机驱动分动箱从而驱动分动箱上的液压泵，液压泵再通过静液压传动驱动液压马达实现整车走行及作业动作；或者，整车驱动方式采用电驱动方式，所述牵引电机为两个，所述传动系统包括液压泵，所述电驱动方式为利用其中一个牵引电机直接驱动整车自运行及作业走行，同时利用另一牵引电机驱动所述液压泵为工作机构的油缸提供动力。3.根据权利要求1所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述变流系统通过变流器内igbt功率器件的开断控制，将所述氢能动力系统输出的直流电逆变成三相交流电，以驱动所述牵引电机。4.根据权利要求1所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述氢能动力车与作业车之间通过车钩连接，或者通过牵引杆进行关节轴承铰连接。5.根据权利要求1所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述氢能动力车和作业车各采用两个两轴转向架，其中动力转向架布置在所述氢能动力车上，或者布置在所述作业车上，或者在所述氢能动力车和作业车上都布置动力转向架；动力转向架采用静液压驱动或电驱动。6.根据权利要求1所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述氢能动力系统包括储氢系统、氢燃料电池系统、电容储能系统和散热系统。7.根据权利要求1-6中任一所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述氢能动力车还包括司机室、车体构架和制动系统；所述作业车还包括司机室、车体构架、制动系统和电气控制系统；所述变流系统、牵引电机、传动系统位于所述作业车上。8.根据权利要求7所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述氢能动力铁路养护设备为氢能捣固车，所述作业车为捣固作业车，所述捣固作业车上的铁路养护工作装置包括捣固装置、起拨道装置和/或测量系统，其中：所述捣固作业车上的转向架包括前转向架和后转向架，所述捣固装置和起拨道装置布置在所述前转向架和后转向架之间；所述测量系统布置在所述捣固作业车两端及所述前转向架和后转向架之间。9.根据权利要求8所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述捣固装置的振动驱动由变流系统直接驱动变频电机来驱动，或者由分动箱上液压泵驱动液压马达来驱动；所述捣固装置的升、降动作及夹持动作由分动箱上液压泵驱动液压油缸动作实现。10.根据权利要求8所述的氢能动力铁路养护设备，其特征在于，所述起拨道装置的升、降动作及夹持动作由分动箱上液压泵驱动液压油缸动作实现。

技术总结
本申请实施例提供一种氢能动力铁路养护设备，涉及轨道车辆技术领域，所述氢能动力铁路养护设备包括：氢能动力车，氢能动力车上设置有氢能动力系统；至少一节作业车，与氢能动力车连接，作业车上设置有铁路养护工作装置；氢能动力车或作业车上还设置有变流系统、牵引电机和传动系统；氢能动力系统为变流系统提供电力，变流系统将氢能动力系统输出的直流电逆变成三相交流电，以驱动牵引电机，牵引电机通过传动系统驱动整车走行及作业动作。本申请实施例采用氢燃料动力，消除了使用内燃动力产生废气和噪声对环境的污染，大幅降低了对作业人员身体健康影响。员身体健康影响。员身体健康影响。


技术研发人员：张宝明 蔡昌胜 罗德昭 叶永钦 袁燕萍 张利杰 常士家 何晋全 李定邦 任博强
受保护的技术使用者：中国铁建高新装备股份有限公司
技术研发日：2022.08.17
技术公布日：2023/1/16