出口非洲機車的運用分析與未來機車開發設想

李廉楓

(南車資陽機車有限公司技術中心,四川資陽641301)

隨著發展中國家經濟的發展,運量將大幅增加,鐵路裝備的需求量也隨之大幅增加,美國GE和EMD、德國西門子、法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪等世界知名公司利用已搭建完善的機車技術和產品平臺大力開發國際市場,其產品以先進、可靠的優勢贏得世界各國青睞。

近年來,我國鐵路實行快速發展戰略,通過自主創新,機車的設計水平和制造質量有了極大提高,同時,各機車制造公司積極開拓國際市場,大量出口自主開發的新型機車,積累了出口非洲、亞洲、拉美等國家機車開發的大量經驗,以較低的價格、高的性價比、最短的交貨期以及良好的售后服務贏得廣大發展中國家鐵路用戶的青睞,內燃、電力機車等軌道裝備紛紛出口到亞洲、非洲、拉美等國家。

1 主要出口機車

非洲市場是重點開拓的市場之一,已有5種型號50余臺內燃機車在非洲鐵路上運用,除了CKD8C型內燃機車不能滿足納米比亞鐵路運用外,其余4種車型均很好的滿足用戶要求,其中,SDD1和SDD1A型內燃機車已經成為蘇丹鐵路的主型機車,成為未來蘇丹鐵路采購內燃機車的首選產品,資陽公司也成為蘇丹鐵路機車用戶合作伙伴。資陽公司已出口非洲機車的主要技術參數見表1。

表1 已出口非洲機車主要技術參數

2 出口機車運用分析

2.1 機車運用數據統計

根據出口蘇丹機車的質量信息進行統計分析,按照發生故障的部件統計情況見表2,按照故障來源情況統計見表3。由于原始資料的收集不詳細完整,統計結果并不能全面反映部件發生故障的絕對數值,也不能進行諸如零部件可靠性和壽命等內容更深入的分析,但可以大體地反映影響機車整體性能和可靠性的因素,為今后提高機車可靠性奠定一定的基礎。

2.2 機車運用故障原因分析

從表2、表3中可以看出,外購件故障是影響機車整體性能的重要原因,約占44%,外購件故障主要有以下兩方面的原因:

表2 部件故障統計

表3 故障來源統計

(1)產品不能完全滿足特定的運用環境(高溫、風沙、線路差等)和使用要求;

(2)本身質量問題。

從表2、表3中可以看出,與設計、制造和試驗等環節有關的故障約占36%,其主要原因有以下3方面:①設計理念和結構不能滿足特定的運用環境和使用要求。②制造質量不高,僅螺紋連接造成的故障占總故障次數的10℅。③廠內試驗不充分,質量控制不科學。

為此,應提高機車開發水平,嚴格控制各零部件質量,提高機車整體性能和可靠性。

3 未來機車開發的設想

3.1 非洲鐵路基本特點

(1)自然環境普遍惡劣,既有熱帶沙漠氣候,也有熱帶雨林氣候,氣溫高,最熱季節氣溫可達50℃,風沙大。

(2)鐵路狀況極差,路基差、路軌差,機車設計的動載荷系數在0.7以上。

(3)鐵路運營均采用輪乘制,司機沒有處理突發事件的能力和責任,技術人員的維修能力和水平較低。

(4)非洲各國主要以內燃牽引為主。

(5)機車軸重在13.5 t～18 t之間,功率在1 500～2 000 kW之間,隨著新型線路的修建,未來軸重可能達到21 t,功率3 000 kW左右。

3.2 設計準則

非洲各國或地區鐵路的內燃機車運用條件存在著一定差異,如果針對每個鐵路用戶的運用條件來設計機車,固然能夠保證技術上的運用性能,但是明顯存在著不經濟和質量得不到保證的風險。內燃機車的設計思想就是在避免發生上述風險的前提下,盡可能滿足各個用戶的不同需求,為此應采用以下設計準則:

(1)采用模塊化設計理念;

(2)采用先進、成熟可靠的零部件;

(3)機車平均無故障間隔時間更長,并且維修方便;

(4)經濟合理的壽命周期成本。

3.3 設計思想與關鍵技術

3.3.1 交直流傳動內燃機車的完善與升級

內燃機車交直流傳動技術在我國設計、制造和運用已經非常成熟,特別是和諧號機車的發展,一些交流傳動機車的配套技術和裝置隨后也將被移植到交直流傳動機車上,從而使得交直流傳動機車更加完善,目前,交直流傳動內燃機車主要有以下3個特點:

(1)交直流傳動技術成熟、部件可靠

從以上機車運用分析結果也可以看出,機車的交直流傳動系統各部件是相當可靠的,在蘇丹惡劣的環境下運用已近5年,還未出現由機車交直流系統部件直接引起的故障,采用滾動抱軸承結構的交直流牽引系統除了牽引電機定期更換碳刷之外,相比交流牽引不需要其他額外的維護。

(2)價格優勢

即使隨著交流傳動技術快速發展,兩種型式內燃機車的差價在進一步縮小,交直流傳動內燃機車價格約為交流傳動內燃機車價格的70%,在價格指標方面還有相當的優勢。

(3)特定的運用條件限制了交流傳動機車性能的發揮

目前,非洲大部分鐵路較落后,軸重低,且牽引噸位不高,運行速度不高于60 km/h,交流傳動內燃機車并不能很好地發揮應有的優勢,交直流傳動內燃機車完全能夠滿足非洲國家鐵路運用的需要。

根據目前的發展形勢來看,在未來10年左右的時間內,直流傳動內燃機車在非洲還有很大的需求市場。因此,很有必要以現有出口內燃機車為原型,積極深入用戶現場調研和分析,并進行系統性的整改、簡化、優化、完善等工作,以期達到以下目標:

(1)機車更符合用戶的使用要求;

(2)提高機車整體可靠性;

(3)操作更簡單,維護量更少;

(4)降低制造成本和售后服務成本,增加利潤。

3.3.2 交流傳動技術

在交直流傳動內燃機車完善升級的同時,還必須加大交流傳動內燃機車的研制,以獲得更有前景的未來市場。

相比交直流傳動內燃機車,交流傳動內燃機車具有更高的牽引力、恒功速度范圍廣、更大的黏著力和制動力,因而特別適合于重載、快速、存在長大坡道的鐵路線路。從機車整體性能和運用維護角度,內燃機車的交流傳動系統較之直流傳動系統有許多優越之處,這一點為世界鐵路行業所公認,傳動方式交流化是未來機車發展的趨勢。非洲鐵路需求交流傳動內燃機車的主要原因有以下兩點:

(1)非洲經濟發展的實際需求

隨著世界格局的變化,發達國家為尋求更大的發展空間,積極加強同非洲各國進行廣泛的合作,非洲經濟的快速發展,非洲鐵路將面臨很大的壓力,需要現代化高效率的鐵路和牽引裝備,以滿足高速、重載運輸的需要。

(2)鐵路交流傳動技術運用優勢的引導

隨著交流傳動技術快速發展和普及,兩種傳動型式內燃機車的差價在進一步縮小,特別是美國等發達國家知名公司對國際機車市場的引導和積極開拓,非洲等不發達國家在電傳動機車采購中也逐步傾向于交流傳動內燃機車。

根據目前的發展形勢,大約5年后,交流傳動內燃機車將至少占居未來非洲內燃機車采購數量40℅～50℅的份額,因此,積極開發低成本的、高可靠性的內燃機車交流傳動系統有著深遠的市場價值。

3.3.3 徑向轉向架

機車徑向轉向架是80年代末至90年代初國際上發展起來的新型機車轉向架,既適合重載貨運,又適合于客運;既適應于山區線路,又適合于干線運輸。世界上應用較好的徑向轉向架主要有德國的E120機車、瑞士的460機車、美國的SD70M-AC機車以及南非的3 000 VDC機車等,其中,美國GM公司設計制造的徑向轉向架屬于3軸、高黏著、重載、貨運內燃機車,是目前世界上徑向轉向架運用最成功的例子。至今,國外已有3 000臺以上的裝用徑向轉向架的機車在成功運用。

國內機車在徑向轉向架的開發和運用方面也做了大量有價值的工作,主要在 DF4D、DF7D、DF8B等成熟車型的機車上進行徑向技術改造,在中國鐵路上有近30臺采用徑向轉向架技術的內燃機車在成功運用。

理論分析和國內外應用實踐均表明,采用徑向轉向架技術能有效降低機車輪緣和鋼軌的磨耗、減少曲線黏著降低、改善牽引性能、提高曲線通過能力,而且對提高機車在曲線上的安全性能,效果也比較顯著。國內實際運用測試發現,輪緣萬公里平均磨耗量為0.046 mm,踏面萬公里平均磨耗量約為0.115 mm,即HTCR徑向轉向架機車運行約60萬km后由于車輪踏面的磨耗到限才進行旋輪,是普通轉向架的4倍多。

徑向轉向架以其優良的特性必將在新開發機車和重造機車中普及使用,因此,需充分總結現有研究成果,并繼續加大研發力度,開發適用于準軌、窄軌和寬軌的低成本、結構簡單、維護量少的徑向轉向架。

3.3.4 全壽命周期成本

壽命周期費用(LCC:Life Cycle Cost)是指設備或系統在預定的壽命周期內為購置和維持其正常運用所支付的全部費用,是一個非常重要的經濟參數,已成為現代質量觀念的重要內涵和要素。

對于鐵路運輸企業來說,如何節約運營費用的問題備受關注。近年來,某些國家在采購機車車輛時非常注重壽命周期的費用指標,在采購合同中,不僅對機車車輛有明確的性能要求,而且還要求給出壽命周期的費用計算,并在機車車輛交付使用后對合同規定的壽命周期費用指標進行嚴格的驗證。全壽命周期費用將成為未來機車車輛國際采購中的一項重要指標,如何在保證機車、車輛等產品使用性能的前提下,降低其壽命周期費用,已經成為機車車輛購銷雙方共同關心的問題。

機車壽命周期/安全性(LCC/RAMS)數值直接影響其在市場上的競爭能力,因此,機車制造商除了提升公司自身的設計和制造水平之外,還應向部件供應商提出確保其部件性能的擔保要求。對于機車制造商來說,機車成本至少應包括設計、制造、試驗、運輸、交驗、培訓與售后服務、質保期等階段所產生費用,并受到機車潛在市場的影響,直接影響到公司的實際利潤。所以,機車的開發應立足于機車全壽命周期成本的角度,通過改善可靠性、維修性、可用性和安全性(RAMS),優化機車制造成本和降低全壽命周期費用,以提高機車在國際市場上的競爭力。

為此,公司很有必要就所開發的內燃機車進行壽命周期費用的研究,對于指導公司產品的銷售決策、零部件采購決策等具有重要的現實意義。

4 結束語

非洲各國不具備機車設計、制造能力,與鐵路配套的機車主要來自美國、德國和日本以及俄羅斯,雖然近年來也從中國、印度和南非等國家購買了一些新造機車和二手機車,整體水平仍處于上世紀80年代的水平。

因此,充分考慮非洲鐵路多年的運用習慣,基于LCC/RAMS的思想和方法,以模塊化設計理念開發結構簡單、低成本、高可靠性的徑向轉向架、交直流傳動、交流傳動內燃機車,對于開拓未來的非洲市場有著深遠的經濟意義。

[1] 連級三.電傳動機車概論[M].成都:西南交通大學出版社,2000.

[2] 王華勝,李忠厚,等.內燃機車壽命周期費用模型分析[J].內燃機車,2007,(9):8-13.

[3] 董錫明.機車車輛維修基本理論[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

[4] 李廉楓.出口蘇丹機車的運用與改進[J].內燃機車,2009,(7):36-40.

[5] EN 50126:Railway applications-specification and demonstration of reliability,availability,maintainability,safety(RAMS)[S].

[6] 周 寧.機車3軸徑向轉向架的開發研制[J].內燃機車,2001,(12):1-5.

[7] 楊勇軍.DF8B機車徑向轉向架的試驗與運用考核[J].內燃機車,2004,(2):7-13.

[8] 王坤全.徑向轉向架提速貨運機車的動力學性能、牽引性能和曲線通過性能[J].鐵道機車車輛,2004,24(增刊):26-30.

[9] 張雷,方 義.徑向轉向架對機車減少磨耗的作用[J].內燃機車,2003,(4):1-4.

[10] 李文勇,尤鐵軍,沈鋼.機車3軸徑向轉向架的開發研制[J].內燃機車,2005,(1):2-7.