700 kW氢燃料电池混合动力机车司机室设计.pdf

第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 4 7-0 57 0 0 k W氢燃料电池混合动力机车司机室设计马培国1,岳 凯1,李德伟2(1.中车大同电力机车有限公司 技术中心,山西 大同 0 3 7 0 3 8;2.中国中车集团有限公司,北京 1 0 0 0 7 8)摘 要:7 0 0 kW氢燃料电池混合动力机车是我国自主研发的首台氢燃料混合动力机车,开启了氢燃料电池在中国轨道交通领域的应用。7 0 0 kW氢燃料电池混合动力机车,采用动力蓄电池加氢燃料电池系统的混合动力方式供电,并能对制动能量进行回收利用,可实现机车的绿色节能运行。该机车采用中央司机室、双外侧走廊、中间设备布置方式。司机室的设计给司乘人员提供良好的人机界面、便利的操作空间、充分的瞭望条件;同时设置基本的辅助设施,为司乘人员提供安全、可靠、舒适的工作环境;室内设备的布置符合人机工程原理且满足单司机操作的要求。本人通过介绍氢燃料电池混合动力系统、司机室结构设计、司机室设备布置、操纵台、内饰及材料运用等,阐述其司机室设计运用的新理念、新方法、新技术、美学效果及环保等各方面情况。关键词:混合动力机车;氢燃料电池;司机室;结构设计;设备布置;操纵台设计;内饰设计中图分类号:U 2 6 7.9 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 3.0 5.0 0 9D e s i g n o f 7 0 0 k W H y d r o g e n F u e l C e l l H y b r i d L o c o m o t i v e C a bMA P e i g u o,YU E K a i,L I D e w e i(1.T e c h n i c a l C e n t e r,C R R C D a t o n g C o.,L t d.,D a t o n g 0 3 7 0 3 8,C h i n a;2.C R R C C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 7 8,C h i n a)A b s t r a c t:A s t h e f i r s t h y d r o g e n f u e l c e l l h y b r i d l o c o m o t i v e i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d i n C h i n a,t h e 7 0 0 kW h y d r o g e n f u e l c e l l h y b r i d l o c o m o t i v e h a s s t a r t e d t h e a p p l i c a t i o n o f h y d r o g e n f u e l c e l l i n C h i n as r a i l t r a n s i t f i e l d.P o w e r e d b y t h e h y b r i d m o d e o f s t o r a g e b a t t e r y a n d h y d r o g e n f u e l c e l l s y s t e m,t h e l o c o m o t i v e c a n r e c y c l e t h e b r a k i n g e n e r g y,r e a l i z i n g t h e g r e e n a n d e n e r g y-s a v i n g o p e r a t i o n o f t h e l o c o m o t i v e.T h e l o c o m o t i v e a d o p t s t h e l a y o u t o f c e n t r a l c a b,d o u b l e o u t e r c o r r i d o r s a n d i n t e r m e d i a t e e q u i p m e n t.T h e d e s i g n o f d r i v e r s c a b p r o v i d e s g o o d m a n-m a c h i n e i n t e r f a c e,c o n v e n i e n t o p e r a t i o n s p a c e a n d s u f f i c i e n t o b s e r v a t i o n c o n d i t i o n s f o r d r i v e r s a n d p a s s e n g e r s.A t t h e s a m e t i m e,b a s i c a u x i l i a r y f a c i l i t i e s a r e s e t u p t o p r o v i d e a s a f e,r e l i a b l e a n d c o m f o r t a b l e w o r k i n g e n v i r o n m e n t.T h e l a y o u t o f i n d o o r e q u i p m e n t c o n f o r m s t o t h e p r i n c i p l e o f e r g o n o m i c s a n d m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f s i n g l e d r i v e r o p e r a t i o n.B y i n t r o d u c i n g h y d r o g e n f u e l c e l l h y b r i d p o w e r s y s t e m,c a b s t r u c t u r e d e s i g n,c a b e q u i p m e n t l a y o u t,c o n s o l e,i n t e r i o r d e c o r a t i o n a n d m a t e r i a l a p p l i c a t i o n,e t c.,t h i s p a p e r e x p o u n d s t h e n e w c o n c e p t,n e w m e t h o d,n e w t e c h n o l o g y,a e s t h e t i c e f f e c t a n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n o f c a b d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n.K e y w o r d s:h y b r i d e l e c t r i c l o c o m o t i v e;h y d r o g e n f u e l c e l l;c a b;s t r u c t u r a l d e s i g n;e q u i p m e n t l a y o u t;c o n s o l e d e s i g n;i n t e r i o r d e s i g n收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 2第一作者:马培国(1 9 9 0),男,工程师。7 0 0 kW氢燃料电池混合动力机车司机室设计的依据为G B/T 6 7 6 92 0 1 6 机车司机室布置规则,通过充分了解客户的使用需求、使用环境等参数,结合国内人体尺寸标准进行设计。司机室采用模块化设计理念,充分考虑安全、舒适、定制化需求进行搭建。整车采用单司机室、双操纵台、斜对称设备布置方式,司机室结构、设备布置、操纵台、内饰等充分考虑功能与美学相结合的要求,力求司机室具有优秀的安全性、便利第6 0卷第5期2 0 2 3年9月的操纵空间以及舒适的司乘体验。1 氢燃料电池混合动力系统燃料电池是一种通过电化学反应将氢燃料中的化学能直接转换为电和热的发电装置,其唯一产物是水1-2。燃料电池具有能量转换效率高、零污染、噪音低、安全可靠等优点,是氢能源得到利用的关键技术3-4。氢燃料电池混合动力系统由动力蓄电池系统、氢燃料电池系统和储氢系统构成。动力蓄电池系统为机车主要的动力输出源,为机车提供主要的动力输出能量,同时能够吸收机车制动时回馈的能量,从而实现节能运行。氢燃料电池系统为机车主要的能量源,通过将储氢系统内储存的氢气转化为电能,为动力蓄电池充电或提供机车输出,从而实现机车更长的续航时间和里程。储氢系统为机车主要的能量存储源,氢气以高压气体的形式存储在储氢瓶内,通过燃料电池的转化,为机车提供持续的能源供给。由于该机车采用氢燃料电池,故在储氢系统安全性设计有所考虑。在储氢系统顶部对角位置安装氢浓度传感器、氢燃料电池内部安装氢浓度传感器;当储氢系统氢气泄露浓度达到一定数值时,微机显示屏会有故障提示,情况严重时,会关闭燃料电池和供氢系统。为了更加高效地使用氢燃料电池,微机显示屏能够实时显示储氢系统中剩余的氢气储存容量,增强了用户的体验感。2 结构设计7 0 0 kW氢燃料电池混合动力机车(以下简称为机车)司机室外形设计符合标准G B 1 4 6.12 0 2 0 标准轨距铁路机车车辆限界 的要求,图1为司机室的吊装方式,司机室采用模块化结构,通过充分设计验证,创新地采用整体吊装设计,把司机室作为一个模块,可随时根据不同客户使用环境更换。图2为司机室安装结构,在司机室底梁中预埋活螺母,司机室安装骨架对应位置开有安装孔,通过螺栓把司机室安装在整车台架上。通过采取此种司机室结构,可以使机车在检修维护性、环境适应性,设计响应性等方面得到大幅度提升。图1 司机室吊装方式图2 司机室安装结构 司机室钢结构强度计算分为静强度、疲劳强度、模态。司机室钢结构共验证了6种冲击载荷工况、整体起吊工况以及在6种冲击载荷工况下的螺栓静强度。图3为工况1计算结果。图3 工况1计算结果 经计算,所有结果显示:司机室钢结构在6种冲击载荷工况及起吊工况条件下等效应力值均小于对应材料的屈服强度。对司机室连接螺栓验证在6种冲击载荷工况下,各个螺栓所受合力最大值。螺栓静强度在冲击载荷工况下,每条螺栓所受的合力(FT)螺栓的许用拉力(Fa)。为了验证司机室疲劳强度,司机室钢结构共验证了8个工况,司机室疲劳计算结果、司机室疲劳曲线分别如图4、5所示。结果显示:所有焊缝的应力均位于对应的G o o d-m a n疲劳极限图界限内,司机室的疲劳强度满足要求。司机室模态计算结果云图如图6。综上所述,司机室钢结构强度载荷工况验证通过,确保了机车司机室的安全性。3 设备布置司机室布置在机车中间部位,司机室内斜对称布置两个操纵台,配备前窗、入口门、侧窗、遮阳帘、座椅、847 0 0 k W氢燃料电池混合动力机车司机室设计 马培国,岳 凯,李德伟图4 司机室疲劳计算结果云图图5 司机室疲劳曲线图6 司机室模态计算结果云图灭火器、八显灯和司机室顶灯等设备,同时为司乘人员设置辅助生活设施,图7为司机室设备布置效果图,司机室设备布置符合人机工程原理且满足单司机操作的要求。司机室整体拥有便利的操作及检修和充分的瞭望条件,为司乘人员提供安全、可靠、舒适的工作环境5。图7 司机室设备布置效果图 视野按照G B/T 5 9 1 4.12 0 1 5 机车司机室第1部分:瞭望条件 核算,因其机车特性,其视野能看到左侧高低信号和右侧高信号,右侧低信号看不到,图8为人眼视野图,图9为司机瞭望图,图9红色阴影区域为司机可视范围,故采取在每个操纵台上装显示屏,用于接收路况摄像头与车钩摄像头6反馈的视频信息,弥补机车在工作中的视野问题,保证机车在不同使用场景下的行车安全。图8 人眼视野图图9 司机瞭望图94第6 0卷第5期2 0 2 3年9月4 操纵台设计操纵台设计同时符合G B/T 6 7 6 92 0 1 6 机车司机室布置规则 标准对操纵台外形设计要求,整体造型充分考虑人机工程及瞭望需求7。对司机操作空间进行校核,图1 0为司机操作空间示意图,经校核,能够满足司机的操作需求。图1 1为操纵台设备布置图,操纵台主要分为遮阳板、分体式柜体、仪表座和脚踏等部分。其中台面面板由台面安装骨架、台面面板和装饰盖板组成。制动控制器、司机控制器、按钮开关等面板上的部件安装在台面安装座上,采取嵌入式结构,在防止误操作的同时利于检修维护。空调布置于机车机械间,操纵台前端设置空调出风口,确保司乘人员的舒适性。台面板还具备功能分区,涵盖每一个区域。绝大部分螺钉安装于安装座上,避免了螺钉外露,使得安装后的整体效果有了显著提升。仪表座上的显示屏、速度表、多功能模块、指示灯等预先安装在仪表座骨架上,外面在镶嵌安装P C装饰盖板,通过整体统一配色,使整个仪表台作为一个完整的整体呈现8。操纵台显示屏、开关及外部裸露设备均采用嵌入式安装方式,一是整体美观性更强,二是避免磕碰带来的误操作。上部盖板进行一体化造型设计,无拼接痕迹,提升整体效果。柜体门和围板面板采用曲面设计,骨架采用铝合金材质,通过运用玻璃钢、铝合金等不同质感的材料,加上色彩的合理搭配,使整个操纵台具有更好的视觉和触觉感受。柜体采用了分体式柜体结构,把柜体分为左、右2部分。由于考虑到操纵台整体的安装、造型、美观性,除了需要操作和观察的设备采用了嵌入式的安装外,其他大部分的设备都放到柜体内,通过优化结构,柜体围板与脚踏总成进行单独安装,检修操纵台的前部设备时只需拆装脚踏总成,检修柜内设备只要拆除柜体围板,不用拆除脚踏总成,这样设计极大地提高了检修的便捷性和可达性。图1 2为司机室操纵台分体图,从侧窗吊装进入,安装方式为底架螺栓紧固。图1 0 司机操作空间示意图图1 1 司机室操纵台设备布置图图1 2 司机室操纵台分体图5 内饰设计内饰设计主要以圆滑过渡为主,整体设计简洁大方,内饰板分体设计,在设计中不仅要符合美学的设计思路,同时还要考虑制造工艺简单,安装结构牢固可靠,方便保养和清洁9。图1 3为司机室内饰结构,采用玻璃钢材料制造,运用螺栓与3 M胶带混合方式安装。通过内饰分块设计,在满足功能、确保美观的前提下,结合司机室钢结构及不同复合材料的制造工艺,将机车内饰分为门板、侧弧板、顶板、侧墙板、前墙板5部分,内饰的适应性和维护性方面得到了增强。图1 3 机室内饰结构6 材料运用和色彩设计司机室选择材料的原则就是满足结构强度、造型057 0 0 k W氢燃料电池混合动力机车司机室设计 马培国,岳 凯,李德伟要求、环保要求的前提下,选取符合要求的材料,运用好的装饰材料,尤其是通过运用新材料,通过材料质感、材料属性、材料环保性等因素,可以让司机室整体质感、美感提升。司机室操纵台及内饰方面采用聚酯玻璃钢材料,聚酯玻璃钢材料基体是有机树脂,主要用玻璃钢纤维增强,该复合材料主要优点有质地轻、强度高、耐腐蚀、绝缘效果佳、传热速度慢、防水、成型方便等优点。复合材料在机车车辆中的应用比较广阔,因其与金属材料相比,具有优异的性能,复合材料材质不仅重量轻、强度高,耐腐蚀,具有优良的热绝缘性能,电绝缘性能,透波性能等1 0-1 1。图1 4是司机室内部效果图,在司机室设计中,为了表现更强的质感、为了营造视觉氛围,为了保证美观性的同时兼顾司机室安全性,通过颜色的深浅变化、油漆的光泽度对比、颜色心理学研究,不仅满足司机室操纵台及内饰表面不产生反射效果,提供足够的安全性,还能通过颜色提高司机操作速度等,从视觉上也能给人科技、稳重的心理感觉。图1 4 司机室内部效果图7 结束语7 0 0 kW氢燃料电池混合动力机车司机室是以绿色、环保、节能、创新为设计主题,通过氢燃料电池混合动力系统、结构设计、设备布置、操纵台设计及内饰设计、材料运用等各方面深入进行分析和研究,结合既有经验的标准体系,融合功能与美感,为用户提供了一个超越现有设计的新产品,作为一种全国首台氢燃料电池混合动力机车,在今后生产和应用中还会有许多可以改进的问题,这也是设计过程中的客观规律,任何一个产品都是在使用过程中不断完善、不断进步的,在不断优化司机室设计中,也为后续机车司机室设计供了一种全新的经验和借鉴。参考文献:1 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