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氢动力火车及其在降低噪音和振动方面的好处

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Kerrick Lannon-Paakspuu(多伦多大学机械工程研究生)、Gord Lovegrove博士(英属哥伦比亚大学教授)、Vishnu Kumar(英属哥伦比亚大学工程师)、Mohamed A. Hegazi(英属哥伦比亚大学研究员)和Andreas Hoffrichter博士(密歇根州立大学教授)，探讨氢作为轨道车辆推进的环保能源载体及其在降低噪声和振动方面的优势。

图1 -科拉迪亚iLint hydrail客运列车在德国北部运行。图片来源:Andreas Hoffrichter博士

铁路是能源效率最高、排放影响最低的交通方式之一。在过去的几十年里，该行业已经降低了其空气质量，影响排放重要的是，新的机车达到了美国环境保护局(美国环保局)的第4级排放标准，同时现代机车的燃料消耗也减少了，这对温室气体排放有直接影响。

在美国和加拿大，铁路公司及其股东对零排放的期望越来越高。北美地区使用的许多机车，包括那些用于转轨和短途铁路运营的机车，都是由过时的柴油-电力内燃机(ICE)系统驱动的。例如，加拿大近72%的火车头的排放水平达到美国环保局的第2级或更低，50%的火车头为非第2级1．历史上，完全电气化是为了减少化石燃料燃烧产生的排放，但架空电线和相关基础设施(传输线、变电站等)的安装和维护成本过高2．

氢气被证实全球

氢燃料电池/电池混合推进技术，也被称为hydrail，作为一种创新的电气化技术，在世界范围内被证明完全消除了除纯水以外的使用点(铁路站场、码头等)的排放。除了零排放，水力发电的运行静音，这是对内燃机柴油电力同行的噪音和振动的一个重大改进。在过去的20年里，一些概念验证和服役的液压铁路系统已经得到了验证，作为一项具有吸引力和经济可行性的技术，它正在获得越来越多的关注，特别是在铁路行业的低功率、短途应用中。

氢气系统中使用的氢燃料电池通过组合氢气和氧气，热量和水来将化学能转换为电能。现有碳氢池技术的表现值得其在各个行业的使用权;目前在铁路行业的交换机和旅客列车中使用特别有吸引力，在欧洲和中国的操作示例。虽然只有在使用过程中发光，但通过生命周期分析已经证明了Hydili，以大大减少排放，并在良好的柴油机基础上与柴油电气相比，在寿命中提高效率14、15．

龙龙服务

尽管在欧洲已经有了一段时间的应用程序，但在北美的引入一直滞后，尽管有多个概念项目的证明3、4、5,16岁．2018年，经过五年多的现场测试和阿尔斯通的设计改进6.图1，科拉迪亚iLint水铁客运列车(图1)在德国北部投入使用。这是2019年国际Hydrail大会(IHC 2019)的特色中心议题。该项目取得了巨大成功，在接下来的5年里，又订购了60辆列车。阿尔斯通计划于2021年春季在北美展示iLint，俄罗斯最近为其货运业务推出了一款调车机/切换机车。

北美市场的Hydrail

北美的研究人员一直在为北美市场开发类似的氢技术。在英国 - 哥伦比亚大学，Okanagan校区，由Gordon Lovegrove博士领导，Okanagan谷电气区域乘客铁路（超过PR）被设计为氢燃料电池供电（Hydil）区域客运列车连接小型和农村社区，over 300km, between the U.S. border and Kamloops. Preliminary estimates of societal noise reduction benefits have been projected at $12 million annually in this small region13.．根据北美地区的推算，如果客运和货运铁路采用水力发电系统，每年可获得240亿美元的收益。

对过时的柴油-电力机车进行简单的改装也是可行的，并且已被证明是改造现有客运列车的一种经济有效的方法7.．此外，由于高浓度的柴油颗粒和氮氧化物，北美的铁路围场切换器机车对周围社区的空气质量和健康风险的影响不成比例8.．它们只占北美车队柴油机车总数量的3%，但占所有铁路排放的5%以上。早在2009-2010年，北美铁路行业就考虑过用hydrail作为调车场的概念验证机车，并在洛杉矶BNSF地铁地区进行了成功的测试(图2)。9.．虽然这款机车的主要优点是零排放，但由于它没有柴油噪音、振动和尾气，因此得到了火车工程师的积极响应。当地社区无疑也会受益。然而，必须解决技术的经济可行性等挑战。十年过去了，这一代水力发电技术已经克服了它最初的缺点，因此现在在某些应用中，经济性更有意义了。

氢动力火车及其在降低噪音和振动方面的好处

图2 -氢混合动力开关机车在洛杉矶地铁地区的BNSF车场进行了测试。图片来源:Andreas Hoffrichter博士

噪音和振动

城市/农村货运铁路界面一直是当地居民担忧的项目。在火车轨道旁边的当地人们经常抱怨噪声，排放和振动的水平和频率来自通过机车。该行业传统上通过建造了昂贵的噪声保护基础设施和减少柴油发动机尺寸，这两者都对铁路行业产生了经济和/或生产率的影响。减少机车噪声仍然是研究的主题。来自柴油动力机车的两个最大的噪音来源来自发动机排气和冷却风扇10.．没有发动机，氢机车本质上消除了柴油发动机发出的最重要的噪音来源。

火车工程师也将受益于液压机车。由于没有柴油尾气、发动机噪音和振动而增加的舒适度将减少慢性疾病和伤害，并通过减少病假来提高生产率。随着噪音水平的降低，潜在的听力损失风险也会降低。出于同样的原因，如果从火车头到水合车的转换成为标准，在铁路调车场工作的其他员工也将受益。

由于空气和噪音污染以及造成的振动，铁路行业往往与负面健康益处相关。V. Kyrlov诺丁汉特伦特大学的研究11.指出，更高的速度列车可能导致超过70dB的振动水平，比在50km / h处运行的列表。这种措施可以随着土壤衰减值而大幅不同。即使在较低的速度下，通过低衰减（γ= 0.005）的土壤中的火车也会导致高达140dB的振动水平，这相当于振动速度为10mm / s。许多货运火车在晚上运营。这些急性振动可能会严重影响生活在轨道附近的社区的睡眠质量和健康状况。哥德堡大学在瑞典对火车振动的健康影响进行的研究12.发现没有睡眠障碍，振动幅度小于0.4mm/秒。然而，睡眠干扰随着振动幅度的增加而稳步增加，导致实验组内入睡困难和疲劳增加。除了睡眠周期紊乱，该实验还报告了心率方面的类似结果，心率也随着振动幅度的增加而增加。这可能会对人类的心脏健康产生不利影响。Hydrail列车可以解决这些问题，因为它是由燃料电池驱动的，发电时不会产生噪音和振动。

概括

氢燃料电池一直被认为是实现减排政策目标的一种解决方案，旨在改善空气质量，同时减少温室气体，以降低气候变化的影响。最近的hydrail概念验证和在役项目已经成功地证明，该技术适用于低功率应用，如区域客运列车和调车场切换机车。除了零排放、改善空气质量和帮助应对气候变化的优势，液压动力汽车不会产生ICE噪声和振动，这是柴油发动机的另一个主要问题，尤其是在城市地区。Hydrail还可以帮助解决噪音和振动问题，从而改善铁路员工和铁路站场和线路附近的社区。在我们迈向清洁能源的未来之际，氢燃料电池提供了一种零排放的替代方案，显著降低了噪音和振动水平。首个hydrail原型机计划在2020年6月1日至5日在基洛纳举行的国际hydrail会议上进行演示。

氢动力火车及其在降低噪音和振动方面的好处

KERRICK LANNON-PAAKSPUU于2018年获得多伦多大学机械工程应用科学学士学位，在那里他学习可持续能源。在2017年和2018年，Kerrick是一个团队的成员，设计和原型的能源收集地砖。他目前正在UBC Okanagan攻读工程硕士学位，以追求他对可持续技术的热情。

氢动力火车及其在降低噪音和振动方面的好处

GORD LOVEGROVE博士是可持续土木工程方面的专家，这源于30多年的实践经验和创新、严谨的科学研究。在领导UBC Okanagan的一个研究小组的同时，高德也是加拿大土木工程师协会(欧安会)技术项目的副主席。高德希望提高社区和交通行业的可持续性，他正在通过他的许多研究项目，如OVER PR、SMARTer Growth communities和ComPASS，来实现这一目标。

氢动力火车及其在降低噪音和振动方面的好处

Mohamed A. Hegazi是UBC研究员和机车动力系统设计，仪器和数据收集的专家。他是UBC可持续运输安全实验室的技术领先，目前正在追求普氏散液的博士学位。他在艾玛，龙池和CSME年度会议等多项活动中提出了他的工作。穆罕默德旨在通过整合现代物联网（物联网）和数据分析来彻底改变铁路行业。目前，Mohamed正在努力在2020年完成的第一个龙头电力原型车辆。

VISHNU KUMAR是一名来自印度的机械工程师，也是温哥华UBC大学的领导专业毕业生。他在新加坡一家财富500强公司工作了三年，在那里他获得了技术和管理经验。他还具有制造单元扩展和维护工具停机时间的战略规划经验。Vishnu在温哥华UBC完成了他的工程领导硕士学位，这帮助他从制造业转向可持续能源。目前，Vishnu正与氢动力公司(Hydrogen in Motion Inc)以及UBC奥卡那根大学(UBC Okanagan)合作进行一个名为Hydrail One的项目，该团队正在将一种汽油加速机车改装成加拿大首个氢动力机车，预计将于2020年完工。

博士。Andreas Hoffrichter，博士博士是铁路管理的Burkhardt教授，以及密歇根州立大学广东商务大学铁路研究和教育中心的执行董事。在他的职业生涯中，Andreas在铁路动力和牵引力上发挥了全球领先的研究，重点关注低和零排放解决方案，重点是混合，电池供电和氢气燃料电池选项。His applied research has advanced knowledge and led to the development, demonstration, and implementation of new propulsion methods and well-to-wheel energy and emission assessments for railways, including the development, design, and demonstration of the UK’s first practical hydrogen-powered locomotive. He has served as principal investigator on several projects funded by research councils, various government agencies, industry associations, and companies. This research led to several peer-reviewed publications, conference participations, interviews, and authorship or co-authorship of reports. The quality of his work has been reflected by the prize for the best PhD in the School of Electronic, Electrical, and Computer Engineering in 2013 at The University of Birmingham, and a best paper prize in the Journal of Rail and Rapid Transit.

引用:

  1. Gullo, M，“机车排放监测计划”，加拿大铁路协会，2016。
  2. G. Smith, I. Croy和K. P. Waye，《货运列车对人类的影响:夜间低频振动和噪音对睡眠和心率影响的实验室调查》，Plos One，第8卷，第5期。2、2013。
  3. Hoffrichter, J. Silmon, F. Schmid, S. Hillmansen和C. & Roberts，“由列车模拟确定的大西部干线不连续电气化的可行性”，《机械工程师学会学报》，第F部分:轨道和快速交通学报，第227卷，第2期。3, pp. 296-306, 2013。
  4. R. Akli, X. Roboam, B. Sareni和a . Jeunesse，“混合动力机车的能源管理和尺寸”，在电力电子和应用的欧洲会议，2007。
  5. R. Miller，'燃料电池车的隧道和采矿应用，燃料电池公告，Vol。3，不。22，pp。5-9,2000。
  6. “阿尔斯通Coradia iLint”。(在线)。: alstom.com/our-solutions/rolling-stock/coradia-ilint-worlds-1st-hydrogen-powered-train
  7. Hegazi, Lovegrove, Markley, ‘Influence of battery sizing on fuel cell efficiency and hydrogen consumption in fuel cell/battery hybrid powertrains for retrofitted multiple units: The case of British Class 15x’, School of Engineering, University of British Columbia, Kelowna, Canada, 2015.
  8. “氢动力火车:下一代分流车?”(在线)。可用:https://blog.ballard.com/hydrogen-powered-trains．
  9. S. Hess，A. R. Miller，T.L. erickson，以及J.L. Dippo，Proc的氢燃料 - 细胞机车的示范'。机车维护官员协会会议，芝加哥，2008年。
  10. Tiwari，'柴油机车噪声源，减排策略，方法和标准'，在机车和铁路交通：技术，挑战和前景，A.K.Agarwal，A. Dhar，A. Gautam和A. Pandey，EDS。新加坡：Springer，2017，PP。41-69。
  11. Krylov，“轨道特性对高速列车产生的地面振动的影响”，ACUSTICA，第84卷，第78-90页，1998。
  12. Boozarjomehri, E. Morrison, I. Roth和G. Lovegrove，“北美从柴油机车转向全电力机车:超级电容/电池技术的规划和物流”，在联合铁路会议，费城，2012。
  13. Md Firoz Mahmood Ovi和Askhay Dhawan，“奥卡那根谷电力区域客运铁路的商业案例研究”，英属哥伦比亚大学工程学院，奥卡那根，基洛纳，2019年4月。
  14. Hoffrichter, A.R. Miller, S. Hillmansen和C. Roberts，“铁路电力、柴油和氢牵引的井-轮分析”，交通研究D部分，第17卷，第28-34页，2012。
  15. Hoffrichter, S. Hillmansen，和C. Roberts，“氢动力区域列车的概念推进系统设计”，IET运输电气系统，第6卷，iss。2, pp. 56-66, 2016。
  16. Hoffrichter, P. Fisher, J. Tutcher, S. Hillmansen和C. Roberts，“氢动力原型机车‘氢先锋’的性能评估”，《电源杂志》，第250卷，120-127页，2014。
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