HXD2X型交流傳動電力機車集成平臺

李澍芩

(中國北車集團 大同電力機車有限公司,山西大同037038)

由于中國鐵路線較長,且考慮到機車跨線路運輸向長大交路發展,鐵路運輸對貨運機車的等級提出了不同需求,在2007年3月12日與鐵道部簽訂了500臺大功率交流傳動6軸(9 600 kW)貨運電力機車。該機車以HXD2型8軸大功率交流貨運電力機車技術平臺為基礎,機車總功率達到9 600 kW,單軸功率為1 600 kW,軸式為C0-C0,是目前世界上單軸功率最大的電力機車,整車設計水平達到國際一流。2009年6月同車公司按照市場招標機車的需求著手研制7 200 kW交流傳動6軸電力機車,并于2009年12月完成該型機車的樣機試制,于2010年5月和鐵道部簽訂了220臺大功率交流傳動HXD2C型6軸、7 200 kW 電力機車采購合同。至此,同車公司HXD2X型交流傳動電力機車技術平臺已經搭建并逐步完善。

HXD2X型機車的設計堅持采用標準化、系列化、模塊化、信息化的開發原則;機車的主要結構基本相同,各大部件采用技術成熟、可靠的產品;其中HXD2C型系列機車牽引電傳動系統和制動系統可以搭載國內、國際知名公司的成熟產品,實現了部件的通用、互換,滿足鐵道部電傳動系統和制動系統單獨招標的技術要求,為提高機車整車質量及保證其技術的先進性奠定了基礎。HXD2X型機車平臺上的6軸機車預留了牽引旅客列車的設備和功能接口,可以根據需要增加相應設備;預留遠程無線數據通信設備和功能接口,可實現機車狀態及信息的車地及時通訊,并可實現機車的遠程重聯控制。表1為該集成平臺開發制造出來的各型HXD2X機車的技術參數。

1 機車總體設計

HXD2X型機車總體布置的設計采用同一種整體設計集成式平臺,機車在滿足用戶功能的前提下不但簡化了設計輸出,同時還方便了制造,縮短了新產品的研制周期,保證了產品的可靠性、通用性,方便了機車的檢修維護。

表1 同車公司HXD2X型平臺各類機車的技術參數

每臺(節)機車的兩端分別是司機室(生活間),見圖1,通過中間走廊貫通。不論是8軸機車還是6軸機車,牽引傳動中質量最重、體積最大的牽引變壓器均吊掛在車體底架中部的下方,這種布置能夠有效地降低機車的重心,提高機車的性能指標。

圖1 HXD2X型機車車內設備布置系統集成平臺

機車牽引電傳動部分的能量變換裝置及其冷卻裝置布置在車內中部,冷卻系統采用油、水復合冷卻塔,分別為牽引變壓器和變流裝置冷卻散熱。這樣能夠最大限度的節省空間,確保了機車牽引電傳動部分的通用互換。輔助系統、控制系統、列車運行監控系統的車載設備成組、成屏柜組成通用化的模塊,分別布置在機械間兩端;制動系統和風源系統按照管路走向最短的原則,采用通用模塊,集中布置在車內機械間。這樣,對于HXD2X型的機車車體可以簡化為相同機車車體結構,使得電氣和機械接口較為統一。在每組通用的模塊中,都能夠體現相同的系統接口和功能。這種系統化布置的本身,不僅有效地節省了空間,降低成本,同時還具有安裝和維修簡單,增加了設備的通用性、互換性,提高了機車運行的安全性,所以是一種具有各種裝備的現代化的機車總體設計。

2 牽引電傳動及其復合冷卻系統

HXD2X型機車牽引電傳動系統綜合考慮了國內、國外牽引電傳動系統現有成熟產品的運用,不同公司的產品雖然在內部實現方式不同,但牽引變流器、牽引變壓器、牽引電機等可以完全滿足該平臺的設計要求。同時,對于牽引電傳動系統的每一個功能單元,都確定了一個固定的空間位置,由此可以實現搭載不同供應商的電傳動系統。

機車的牽引電傳動系統是圍繞整個能量轉換系統,按功能進行空間優化布置,由于機車采用先進的軸控方式,因此每個牽引變流柜中包括2組或3組相同的牽引變流器,每個牽引變流器由一個4象限變流器、三相逆變器以及中間直流回路組成,正常運行過程中,各牽引變流器單獨工作,向牽引電機供電。在牽引變流柜的正下方,安裝著牽引變壓器。牽引變流器和牽引變壓器發熱元件的熱量由散熱器進行油路和水路的冷卻循環,再由通風機進行強迫風冷,形成獨立的變流、變壓通風冷卻模塊。

牽引變流柜采用模塊化結構設計,集成度高,性能可靠,電磁兼容性好。功率模塊技術先進、工藝性好、質量輕,且冷卻管路采用快速接頭設計,功率模塊更換方便,無需進行放水等作業。

圖2 HXD2X型機車的牽引變流器

HXD2X型機車牽引傳動系統的復合冷卻裝置有兩種型式,圖2所示為阿爾斯通牽引電傳動系統,系統中牽引變流器及牽引變壓器的散熱器為獨立散熱器,通過空間組合使其形成串聯通路,由一組通風機進行強迫風冷,見圖3a;除阿爾斯通牽引電傳動系統外其余供應商電傳動系統的牽引變流器及牽引變壓器的散熱器采用復合散熱器,牽引變流器的水管與牽引變壓器的油管在外部分別與復合散熱器相連組成冷卻回路,同樣由一組通風機進行強迫風冷,見圖3b。無論是那種復合冷卻裝置都能夠最大限度地減少連接的油路和水路,最大限度的節省空間。

3 輔助系統

HXD2X型機車的輔助系統主要由輔助電源、充電機、輔助負載和相應的輔助電器等組成。該系統采用冗余設計,確保機車的正常運行。每臺機車輔助電源包括4路輔助變流器輸出的三相交流電源和DC 110 V電源,輔助負載有3種:三相交流400 V負載、交流230 V和直流110 V負載。

圖3 HXD2X型機車冷卻系統風路

HXD2X型輔助系統的集成模式分為2種,一種模式是除輔助負載外,其余設備都被集中在輔助變流柜中,輔助變流裝置采用DC-AC的變換模式實現電源的變換輸出,其輸入電源取自牽引變流器中間回路,每臺機車有4組輔助變流器裝置。這種模式適用于HXD2/HXD2B機車。

另一種模式是輔助變流裝置集成在主變流柜中,輔助變流裝置采用AC-DC-AC的變換模式實現電源的變換輸出,其輸入電源取自牽引變壓器的二次交流繞組,每臺機車兩個輔助繞組,這種模式適應于 HXD2C型系列機車(圖4)。

無論是那種模式輔助系統的機車都有兩組輔助變流器裝置,一組為變頻變壓型(VVVF),一組為定頻定壓型(CVCF),互為冗余,當其中任意一組故障時,另一組為所有的負載提供電源。

高度集成的輔助系統模塊,可以提高控制系統的工作效率,減少故障,具有相同的安裝方式,使得機械接口大大減少,同時還方便了設備的檢修及維護。

4 制動系統

HXD2X型機車制動機采用Eurotrol制動機,該制動機是在SAB WABCO微機控制電空制動機基礎上為滿足中國鐵路要求開發出來的,是符合UIC標準的新一代機車制動系統。

制動機系統包括制動柜、制動控制器、顯示屏、基礎制動裝置等。

HXD2X型系列機車的制動機平臺上的主要部件——制動控制器、顯示屏、制動柜、基礎制動裝置可以搭載法維萊系統和克諾爾系統,不同供應商的系統達到了功能及安裝接口的完全統一,增強了互換性。

圖4 HXD2X型機車的輔助系統

HXD2X型機車的風源系統每臺機車由2臺螺桿壓縮機、雙塔干燥器、總風缸等組成,對于6軸機車這些部件與制動系統的部件集中在2個氣動柜模塊、1個制動柜模塊和1個壓縮機模塊組件中,這4個模塊集成在Ⅱ端機械間內;對于8軸機車,每節機車制動系統與風源系統組成制動柜模塊、氣動柜模塊和干燥器模塊,這3個模塊集中布置在機車Ⅰ端機械間左側位置。靈活合理的模塊組合使得HXD2X型機車制動系統的功能更加完善、布置更加合理,有效的減少了管路走向,方便了設備的檢修維護(圖5)。

圖5 HXD2X型機車制動系統模塊

5 機車車體

HXD2X型機車車體以HXD2機車為基礎,可實現對所有類型的機車完全相同的車體。在主體結構參數上(車體長、寬、高)保持了高度的一致性,除8軸機車結構參數不同外,6軸機車的主體結構參數完全相同(表1)。

車體的設計,具有超載承受能力,車體兩端車鉤處能夠承受3 000 kN壓縮載荷,2 500 kN拉伸載荷,靜強度符合UIC566標準。

車體的主要模塊包括底架、司機室、左右側墻、臺架等,如圖6所示。

圖6 HXD2X型機車車體的模塊化結構

為了適應不同電傳動系統的需求,同時滿足相關設備的通風冷卻要求,只需對臺架的設備安裝接口以及頂蓋和側墻的通風口做適應性更改。這種創新的平臺設計措施,提供了部件布置的靈活性。

6 司機室的人機工程學及操縱臺

HXD2X型機車平臺上具有高度統一的司機室,不論是8軸機車還是6軸機車,司機室的結構、設備、功能等完全相同。司機室設計滿足UIC651的要求,前窗視野開闊,符合中國境內信號瞭望的要求。司機采用中央駕駛,司機座位和操縱臺的布置符合人機工程學原理,可減少司機的疲勞感并簡化駕駛動作。司機室設計具有4個特點:①較大空間(擋風玻璃和司機室后墻間距約2.2 m);②具有一套圍繞司機的合理空調通風系統;③司機室的總體設計滿足隔熱降噪的要求;④活動坐椅可滿足司機在任何緊急情況下逃生的要求;

司機操縱臺采用源于法國技術的單司機值乘的操縱臺,功能區域劃分清晰、合理,充分考慮了人機工程學要求。臺面上操縱臺上的設備環繞司機坐椅布置,臺面上的制動控制器及制動顯示屏可以滿足法維萊或克諾爾等制動系統的要求(圖7)。

圖7 HXD2X型機車司機操縱臺

簡統化的設計,合理的功能區的劃分使得司機操縱更加安全、合理,簡潔;同時縮短了產品的研制周期。

7 控制系統和列車安全裝置(圖8)

HXD2X型電力機車的控制系統由微機控制系統、網絡通信系統和DC110 V電氣控制電路組成。HXD2/HXD2B機車的網絡通信系統是基于WorldFIP總線的微機網絡監控系統,整套微機網絡監控系統采用模塊化設計,具有充分的可擴展性,可按照用戶要求,適當的增加或減少接入FIP網絡節點;HXD2C(A)方案機車(東芝系統)微機網絡列車級網絡采用以太網通訊,車輛級網絡采用RS485通訊,微機網絡控制系統與BCU的通訊采用MVB總線;HXD2C(B)/HXD2C(C)方案機車(時代電器/龐巴迪)控制系統采用基于TCN網絡標準結構形式,通過車輛總線連接車內各相關設備,通過列車總線實現機車重聯控制,列車級網絡通訊采用WTB總線,車輛級網絡通訊采用MVB總線,BCU與BDU(制動顯示屏)之間通訊采用RS485總線。整個系統結構采用了設備冗余和線路冗余方式,確保了控制系統的可靠性。

HXD2X型系列機車不論采用那種網絡結構,其模塊的集成是相同的,它們都具有相同的結構和機械接口,相同的功能要求。

圖8 HXD2X型機車控制系統模塊

HXD2X型機車的DC110 V電氣控制電路,包括有接點電路指控制電源為DC110 V(包括DC24 V)的低壓電氣控制電路、列車超速防護設備、列車通訊設備、無線重聯控制設備等,用于提供部分不接入微機網絡的DC110 V設備的控制功能。列車運行控制系統車載設備、顯示設備、地面信號接收裝置以及由控制機箱組成的2組電器屏柜模塊都具有一致的功能和相同的機械和電氣接口。

8 轉向架(圖9)

HXD2X型系列機車平臺上的走行部包括B0轉向架與C0轉向架,8軸機車采用B0轉向架,6軸機車采用C0轉向架。B0轉向架與C0轉向架的不同的部件有構架、二系懸掛和牽引裝置,除此之外的結構基本相同,因此HXD2X機車走行部零部件的互換性及通用性具有較高的一致性。

圖9 HXD2X型機車轉向架

9 其他裝置

鐵路運輸方面的安全性是影響鐵路安全運輸的重要環節,火災的預防及消防措施又是影響安全性的重要指標。HXD2X型機車在火災的預防及滅火方面的技術有了相對的提高,首先在非金屬材料的防火性能上,對材料的氧指數及煙密度都作了明確的規定;電線電纜采用法國和歐洲的防火標準;HXD2/HXD2B機車設有火災報警系統,當機械間溫度升高,連接到總風管的火災監測管路發生泄漏,相應火災檢測壓力開關動作,將信號送至司機室報警,司機確認是否存在火災后進行相應操作。

HXD2X型機車重要部件都增加了RAMS(全壽命周期)要求,把可靠性、可用性、可維護性、安全性指標首次納入到機車重要零部件中,進而推廣在整個機車產品,提高機車產品的全壽命周期,確保機車安全、可靠的運行。

10 相同部件

統一的機車設計平臺,使得HXD2X型機車上具有最多的相同部件,具有以下優點:(1)高靈活性的系統集成,為機車的設計及制造爭取到了時間;(2)由于減少了接口,提高了部件的通用性、互換性,簡化了維修;(3)簡化了基礎設施,包括配件和工具的數量、種類等;(4)在售后服務、編制檢修維護手冊、培訓方面實現一致性。(5)機車系統集成貫徹以維修為導向的設計理念,采用基于系統功能為基礎的模塊化設計方法,部件的互換性、維修性和可靠性大幅提高。(6)轉向架創造性采用了整體化的抱軸箱、牽引齒輪懸掛簡支結構以及鑄鐵齒輪箱設計,有效提高了機車轉向架運行的可靠性。

11 結論

同車公司HXD2X型平臺上機車總體結構的模塊化設計提高了產品形式的可塑性,拓展了產品種類并加快了新產品的更新速度,有利于提高產品的標準化、系列化、可維護性和可使用性,被認為是通用化水平最高的機車。因此對于HXD2X型平臺上的各型機車及按用戶所需的加裝設備,通過簡單的配置,就可以完成設計,這樣就形成了部件高度一致性的集成平臺。

HXD2X型系列機車平臺,具有最現代化的機車技術,從機車的設計到交付使用,它可以靈活地滿足用戶對產品的不同需求,能夠滿足當前鐵路運輸快速發展的需求。

[1] 張曙光.HXD2型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 張 中.HXD2型大功率交流傳動貨運電力機車牽引電傳動系統[J].機車電傳動2008(6):5-8.