大功率交流傳動內(nèi)燃機車產(chǎn)品技術(shù)平臺的建立

王 強

(鐵道部運輸局裝備部,北京100844)

2005年中國鐵路開發(fā)了HXN3和HXN5型4 400 kW大功率交流傳動內(nèi)燃機車。其中HXN3型機車額定功率4 400 kW,最大起動牽引力620 kN,恒功率速度范圍23～120 km/h,采用世界先進的大功率低排放柴油機、交流傳動控制技術(shù)、32位微機控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊控制和故障診斷、CCBII電控制動等技術(shù),具有持續(xù)牽引力大、低油耗、低排放、低輔助功率消耗、運行速度高、安全性高、操作方便等特點,能夠滿足干線牽引5 000～6 000 t的要求。

當今世界知名軌道交通運輸裝備制造企業(yè),都擁有自己的產(chǎn)品技術(shù)平臺[1],如EMD公司SD9043MAC和GE公司的AC6044CW 內(nèi)燃機車平臺,阿爾斯通公司PRIMATM機車平臺,龐巴迪公司TRAXX機車平臺,西門子公司EurosPrinter電力機車和EuroRunner內(nèi)燃機車平臺等。機車技術(shù)平臺的建立,可以充分發(fā)揮產(chǎn)品的系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢和規(guī)模經(jīng)濟效應,實現(xiàn)機車產(chǎn)品的標準化、系列化、模塊化和信息化,達到風險小、成本低、交貨期短、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠、環(huán)保節(jié)能、滿足客戶不同要求的目的。

通過進一步的系統(tǒng)優(yōu)化和創(chuàng)新,完善并持續(xù)發(fā)展先進的大功率交流傳動內(nèi)燃機車的技術(shù)平臺,可以使我國的內(nèi)燃機車裝備達到并保持國際先進水平。

從機車的總體及柴油機、電氣、車體、轉(zhuǎn)向架、制動、輔助等主要系統(tǒng)的技術(shù)特點入手,闡述和分析機車平臺的基本特點、技術(shù)優(yōu)勢、優(yōu)化和創(chuàng)新要點,系統(tǒng)地梳理產(chǎn)品技術(shù)平臺的建立和發(fā)展。

1 機車產(chǎn)品技術(shù)平臺的特點和技術(shù)優(yōu)勢

1.1 總體結(jié)構(gòu)布置特點

HXN3型機車采用我國干線機車傳統(tǒng)的雙司機室、內(nèi)走廊、整體式承載結(jié)構(gòu),機車上部從前向后分為I端司機室、電器室、電阻制動室、清潔空氣室、動力室、冷卻室及II端司機室,下部包括底架結(jié)構(gòu)、2個3軸轉(zhuǎn)向架、蓄電池箱、主風缸和啟動風缸等。而為了增加車體強度和優(yōu)化布置,機車采用了底架集成式燃油箱、桁架式側(cè)墻的結(jié)構(gòu)(見圖1)。

HXN5機車為單司機室、外走廊、底架式承載結(jié)構(gòu),其承載式底架燃油箱具有更為簡潔的結(jié)構(gòu)和更高的強度,其司機室、輔助室、主發(fā)電機室、柴油機室、散熱器室等均采用模塊化設計,利于批量生產(chǎn)和方便維修(見圖2)。

圖1 HXN3機車總體布置模型

圖2 HXN5機車總體布置模型

1.2 機車主要性能及其技術(shù)優(yōu)勢

從表1所列的機車主要性能數(shù)據(jù)可以看出,與DF8B機車相比,該平臺機車功率提高了29%,最高速度提高了20%,最大牽引力提高了29%,持續(xù)牽引力提高了66%～76%,電阻制動性能更是在最大電制動力及其涵蓋的速度范圍等方面得到了全面提升。

表1 機車主要性能數(shù)據(jù)

1.3 柴油機

1.3.1 柴油機的結(jié)構(gòu)和主要性能參數(shù)(表2)[2]

HXN3機車采用的16V265H和HXN5機車采用的GEVO16柴油機,是目前最為成熟和先進的中速機車柴油機,采用動力組工作單元、整體鑄造式機體、全纖維鍛造鋼曲軸、單缸分段式凸輪軸、高壓比廢氣渦輪增壓器、電子噴油泵、多孔式噴油器、集成式燃油噴射及柴油機管理系統(tǒng)等多項先進結(jié)構(gòu)和技術(shù)。

1.3.2 柴油機的技術(shù)優(yōu)勢

16V265H和GEVO16柴油機,是當今世界機車用大功率柴油機的代表產(chǎn)品,在以下3個方面體現(xiàn)出其明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

(1)整體性能先進

與16V280ZJA型柴油機相比較,柴油機功率提升了27%;平均有效壓力和強化系數(shù)均有較大提高;單位功率質(zhì)量輕,達到5.4 kg/kW,有利于機車總體布置;燃油和滑油消耗率低,燃油消耗率降低了4%,滑油消耗率降低到以下;排放性能優(yōu)越,最佳排放可達到EPA TireⅡ水平;柴油機可靠性高,運用周期長,采用動力單元組、單缸分段式凸輪軸等結(jié)構(gòu)使維護更方便。

(2)先進的柴油機控制系統(tǒng)

具有完整的發(fā)動機管理系統(tǒng),一方面柴油機控制系統(tǒng)通過安裝在柴油機上的傳感器來監(jiān)控柴油機的運行參數(shù),控制燃油噴射以維持柴油機轉(zhuǎn)速并優(yōu)化柴油機排放指標;另一方面,柴油機電控系統(tǒng)與機車控制系統(tǒng)交換控制指令、運行信息、診斷及故障處理記錄等;同時,還可以通過與計算機直接連接在線進行柴油機狀態(tài)監(jiān)控和運行診斷,擁有較高的智能化和人機交互能力。

(3)柴油機自動啟停系統(tǒng)

柴油機自動啟停系統(tǒng)是提高機車經(jīng)濟性的又一特色,它可以優(yōu)化機車長時間怠轉(zhuǎn)運行時的經(jīng)濟性,同時這種系統(tǒng)還具有低溫保護功能,當機車處于低溫環(huán)境時,可根據(jù)機車油水溫度等參數(shù)的實時變化,自動控制柴油機的啟停,達到預熱保溫的目的。

表2 柴油機主要性能數(shù)據(jù)

1.4 電氣系統(tǒng)

1.4.1 電氣系統(tǒng)原理

機車電氣系統(tǒng)的主傳動系統(tǒng)、輔助傳動系統(tǒng)均實現(xiàn)了交流化,并具有功能完善的微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。HXN3型機車電氣系統(tǒng)的主要原理見圖3。

機車主傳動系統(tǒng)主要由主發(fā)電機、牽引整流單元、牽引逆變器、牽引電機、電阻制動裝置等組成。主發(fā)電機雙電樞繞組輸出的三相交流電,經(jīng)其集成式牽引整流單元轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?供給牽引逆變器控制牽引電動機。機車的交流驅(qū)動采用架控方式,牽引逆變器由6個相模塊組成,安裝在電器室頂部,由前牽引通風機提供空氣冷卻。牽引逆變器的2塊控制板(MPU)在車載微機EM2000的機箱內(nèi),與機車主控模塊(CPM)實現(xiàn)共總線的快速數(shù)據(jù)交換,同時通過接口模塊進行信號處理和轉(zhuǎn)換來控制安裝在相模塊的逆變器驅(qū)動板。機車配置一個徑向電阻制動裝置,可完成自負荷試驗。通過主傳動系統(tǒng)的交流控制,機車具有優(yōu)秀的牽引和電阻制動特性(見圖4、圖5所示)。

輔助系統(tǒng)由與主發(fā)電機同軸的輔助發(fā)電機供電。輔助發(fā)電機電樞的3組輸出分別為輔助設備、主輔勵磁和蓄電池充電供電。所有的主要用電設備均由微機控制,以便匹配各種情況下的用電負荷。

輔助設備供電輸出為三相136～444 V,直接驅(qū)動前后牽引通風機電機、1個主發(fā)通風機電機、2個冷卻風扇變極電機、經(jīng)逆變器控制的2個空壓機電機、1個電器柜通風機電機等。

圖3 HXN3機車主傳動系統(tǒng)框圖

圖4 HXN3機車牽引特性曲線

圖5 HXN3機車電阻制動特性曲線

機車采用32位的EM2000微機系統(tǒng)進行機車的牽引、電阻制動、主發(fā)勵磁、輔助設備、運行邏輯和操縱接口等控制,機車的FIRE顯示系統(tǒng),完成信息顯示、程序安裝、數(shù)據(jù)下載、操作及維護界面、制動機控制、遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)接口等功能,機車采用EMDEC控制器進行柴油機電子噴射控制。

1.4.2 電氣系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

(1)交流傳動系統(tǒng)

HXN3和HXN5機車的交流傳動分別采用架控和軸控,均實現(xiàn)了高達0.413的牽引黏著利用系數(shù);大扭矩的牽引電動機在高性能的牽引逆變器控制下,獲得了優(yōu)異的輪周牽引特性;牽引逆變器均采用風冷,中間直流電壓分別為2 800 V和1 400 V,而HXN3機車牽引逆變器由于結(jié)構(gòu)更為簡單,可以很方便地集成在電器柜內(nèi)。

(2)主、輔發(fā)電機

兩種機車均采用同軸一體化結(jié)構(gòu)的主、輔發(fā)電機,為主、輔各個系統(tǒng)提供電源,HXN3機車牽引整流裝置采用多管并聯(lián)方式,并集成在主、輔發(fā)電機內(nèi)部。HXN5機車牽引整流裝置采用單管方式,并集成在牽引變流室內(nèi)。上述結(jié)構(gòu)使機車總體布置更為簡單,集成度更高,可方便地取消傳統(tǒng)的前后機械傳動裝置。

(3)微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

HXN3和HXN5機車均采用了性能先進功能完善的微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng),其通訊網(wǎng)絡除分別采用了成熟的CAN和ARCNET網(wǎng)絡標準外,都部分地應用了具有更強傳輸能力的工業(yè)以太網(wǎng);無論是前者的EM2000和FIRE系統(tǒng),還是后者的智能顯示單元(DS)和各分散控制模塊,都提供了優(yōu)秀的人機界面、故障診斷處理和記錄、邏輯控制等系統(tǒng)功能。

(4)輔助傳動控制

HXN3和HXN5機車均實現(xiàn)了輔助系統(tǒng)的交流電驅(qū)動,但各有不同的特點。HXN5機車采用了柴油機變頻啟動、風機風扇跳波控制、空壓機變級驅(qū)動等控制模式。

1.5 車體結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)優(yōu)勢

1.5.1 輕量化、高強度

經(jīng)過優(yōu)化設計的車體結(jié)構(gòu)不但質(zhì)量較輕,還大幅度提高了強度,以HXN5機車為例,其可承受的縱向壓縮載荷為3 788 kN,縱向拉伸載荷為3 100 kN,特別適合于重載牽引;機車具有防撞和防爬結(jié)構(gòu)。

1.5.2 底架燃油箱

巧妙合理的底架燃油箱設計,既為車體高承載能力提供了保證,又有效降低了整車總重。

1.5.3 隔離式司機室結(jié)構(gòu)

HXN3機車隔離式司機室結(jié)構(gòu)使司機室成為一個獨立的單元,符合模塊化設計理念。隔離式司機室采用彈性元件衰減了來自于線路和柴油機產(chǎn)生的振動和噪聲,提高了機車的操控和乘坐舒適度(見圖6所示)。

圖6 HXN3機車司機室隔離結(jié)構(gòu)

1.5.4 鉤緩系統(tǒng)

機車采用了具有自動對中功能的高強度車鉤和緩沖器,更適應于重載牽引的要求。

1.6 轉(zhuǎn)向架

1.6.1 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)特點

HXN3機車上裝有兩臺高牽引力、快速3軸HTSC型轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架采用一系鋼彈簧,二系橡膠堆懸掛方式、輕量焊接構(gòu)架、4連桿式牽引裝置、內(nèi)順置交流牽引電動機、斜齒輪傳動和焊接齒輪箱、滾動抱軸半懸掛系統(tǒng)、單拉桿分體式軸箱、單側(cè)踏面制動單元及高性能合成閘瓦等結(jié)構(gòu)。

1.6.2 轉(zhuǎn)向架技術(shù)優(yōu)勢

(1)輕量型構(gòu)架設計

HXN3機車構(gòu)架采用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,滿足了低總重(整個構(gòu)架總重2.7 t)、高強度的要求,對內(nèi)燃機車的總重控制具有重要意義。

(2)高性能的驅(qū)動裝置

機車驅(qū)動裝置具有傳遞最大103 kN,持續(xù)95～100 kN牽引力的能力;HXN3和HXN5機車主動齒輪分別采用了內(nèi)錐式(與齒輪一體的短軸嵌入電機軸)和齒輪軸式(直接在電機軸上加工成型),這樣,既可以采用大傳動比(5.31),又滿足了空間尺寸的要求。

(3)整體性能優(yōu)越

HXN3轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)成熟、簡單、性能好、可靠性高,分體式軸箱、全密封軸箱軸承等設計便于維修維護。

1.7 機車制動系統(tǒng)

1.7.1 制動系統(tǒng)組成

空氣制動系統(tǒng)主要包括電空控制單元(EPCU)、集成處理模塊(IPM)、繼電器接口模塊(RIM)、單獨制動閥和自動制動閥。制動系統(tǒng)中風源部分為兩個由交流電機驅(qū)動的螺桿式空壓機、干燥器及各種風缸、管路及閥類,干燥器置于第1和第2總風缸之間。

1.7.2 制動系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

機車采用國際先進的微機控制空氣制動系統(tǒng)CCBII。空氣制動系統(tǒng)的自診斷、故障顯示及人機對話功能被集成到機車顯示單元中(FIRE和DS)。該制動系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡控制技術(shù)的電控空氣制動系統(tǒng),除緊急制動外,所有的邏輯均由計算機控制,是當今世界上最先進的機車制動系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)減壓準確、反應迅速、保養(yǎng)少,并具有安全、可靠、集成度高的特點;采用在線可更換單元的設計理念,維護簡單;整個系統(tǒng)功能可擴展性好。

1.8 機車輔助系統(tǒng)

1.8.1 冷卻水系統(tǒng)的特點和技術(shù)優(yōu)勢

HXN3和HXN5機車均采用頂置式大片散熱器、高性能外轉(zhuǎn)子壓風式冷卻風扇,既提供了良好的散熱性能,又有利于機車的設備布置;HXN5機車的分離式冷卻系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的管理下優(yōu)化了機車冷卻性能,有效地減小散熱器的體積。

1.8.2 機油、燃油系統(tǒng)的特點和技術(shù)優(yōu)勢

HXN3和HXN5機車的機油、燃油系統(tǒng)具有更高的過濾精度,同時,其設計保證了機車可實現(xiàn)更長的維護時間間隔(大于92天)。

1.8.3 通風系統(tǒng)的特點和技術(shù)優(yōu)勢

機車配置了柴油機進氣,牽引電機、主發(fā)電機、電器室、動力室、牽引逆變器通風,濾清器排塵等完善的通風及其濾清系統(tǒng)。柴油機進氣濾清采用了鋼板網(wǎng)、旋風筒式過濾器、袋式玻璃纖維過濾裝置3級過濾;空氣濾清系統(tǒng)的設計也使機車能夠滿足最少92天的維護時間間隔。

2 機車產(chǎn)品技術(shù)平臺的系統(tǒng)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新

2.1 柴油機技術(shù)平臺的優(yōu)化與創(chuàng)新

柴油機技術(shù)平臺可以在原有高性能16V265H和GEVO16型柴油機基礎上,一方面通過柴油機缸數(shù)、機體、曲軸、凸輪軸、增壓器、機油泵和水泵等的重新配套選型發(fā)展12、8缸等系列化柴油機;另一方面在全面掌握增壓器和電子噴射系統(tǒng)技術(shù)的前提下,研究應用國際先進的增壓器VGT技術(shù)、米勒定時優(yōu)化技術(shù)及選擇性催化還原技術(shù)(SCR)等,進一步提高柴油機的燃油經(jīng)濟性和排放性能;同時,基于大量的研究和實踐,逐步建立我國機車柴油機系統(tǒng)性的可靠性試驗驗證體系;此外,柴油發(fā)電機組的彈性安裝將更有利于機車總體設計和組裝、維護。

2.2 電氣系統(tǒng)平臺的優(yōu)化與創(chuàng)新

應對微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡標準和控制節(jié)點性能持續(xù)升級和改進,如發(fā)展工業(yè)以太網(wǎng)等寬帶大流量網(wǎng)絡技術(shù)用于機車控制,并提高機車及其運用管理平臺的信息化水平。同時,應基于該平臺機車已有的標準重聯(lián)控制接口,借助于成熟的有線和無線網(wǎng)絡技術(shù),建立和完善我國內(nèi)燃機車標準化重聯(lián)控制接口規(guī)范。

從HXN3和HXN5機車的實際效果分析,采用架控和軸控的牽引主傳動系統(tǒng)都能夠獲得良好的牽引和電制動性能。但如何提高機車的全天候黏著性能是交流牽引系統(tǒng)下一步優(yōu)化的重點,現(xiàn)有撒沙系統(tǒng)作用機理和新型增黏技術(shù)的研究與創(chuàng)新將會起到重要的輔助作用。此外,應深入研究交流機車電阻制動的使用與列車運行安全的關(guān)系。

輔助傳動控制應進一步推廣采用逆變器控制模式[3]。相對于變級或跳波的有級調(diào)速控制方式,采用逆變器控制的冷卻風扇具有更寬范圍更靈活的調(diào)速控制,可以進一步減小輔助功率消耗,優(yōu)化冷卻控制特性(如圖7所示);采用逆變器控制的空壓機,可以避免變級驅(qū)動的低供風能力和較高的故障率,提高風源系統(tǒng)的性能和可靠性(如圖8所示);柴油機的變頻啟動方式更充分地發(fā)揮了交流機車主要部件的多功能性,更有利于系統(tǒng)的簡便和可靠。

2.3 車體技術(shù)平臺的優(yōu)化與創(chuàng)新

車體技術(shù)平臺要保持干線機車的雙司機室結(jié)構(gòu)和調(diào)車機車的單司機室外走廊結(jié)構(gòu),根據(jù)需要采用隔離式司機室結(jié)構(gòu)可以有效減小司機室的振動和噪聲,采用整體燃油箱等結(jié)構(gòu)優(yōu)化整體布置,可以通過調(diào)整中部燃油箱處的車體底架設計來滿足不同軸重、不同功率柴油機的設計需要;應進一步研究和應用機車防撞、防爬和吸能結(jié)構(gòu)(裝置),提高機車非常態(tài)情況下的安全防護水平。

圖7 冷卻風扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性(陰影為逆變器控制模式的更寬可調(diào)速范圍)

圖8 空壓機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性(逆變器控制模式可提供柴油機全轉(zhuǎn)速范圍的恒速控制)

2.4 轉(zhuǎn)向架技術(shù)平臺的優(yōu)化與創(chuàng)新

轉(zhuǎn)向架平臺可基于成熟的牽引桿或中心銷方式、大扭矩驅(qū)動裝置、分體式單拉桿軸箱結(jié)構(gòu),根據(jù)不同的機車總體要求對懸掛系統(tǒng)、構(gòu)架強度進行優(yōu)化設計;根據(jù)交流機車牽引力大的特點,深入研究減少車輪踏面和輪緣磨耗的技術(shù)手段;同時,針對山區(qū)小曲線的運用區(qū)間,進一步研究徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)的應用。

2.5 制動系統(tǒng)平臺的優(yōu)化與創(chuàng)新

制動系統(tǒng)平臺可以在目前所采用的體系和構(gòu)架的基礎上,通過對核心軟、硬件自主創(chuàng)新和優(yōu)化設計,進一步提高各模塊的集成度和可靠性;進一步研究干燥器位置對制動系統(tǒng)的綜合影響。

2.6 輔助系統(tǒng)平臺的優(yōu)化與創(chuàng)新

在完善油、水和通風及其濾清系統(tǒng)性能的基礎上,應進一步提高其模塊化程度;分離式冷卻水系統(tǒng)是優(yōu)化內(nèi)燃機車整體布局和冷卻、排放性能的更好解決方案;在現(xiàn)有輔助系統(tǒng)的基礎上,深入研究針對極端高溫、高風沙、高海拔等特殊環(huán)境的適應性技術(shù),為我國西部新建線路做好技術(shù)儲備。

2.7 整車產(chǎn)品技術(shù)平臺的優(yōu)化和創(chuàng)新

在上述各系統(tǒng)平臺優(yōu)化與創(chuàng)新的基礎上,根據(jù)不同的用途、環(huán)境、線路要求,形成成熟可靠的各系統(tǒng)平臺配置技術(shù)方案,并通過良好的標準化、系列化、模塊化的系統(tǒng)集成手段和對核心技術(shù)的持續(xù)研發(fā)能力,開發(fā)基于大功率交流傳動內(nèi)燃機車平臺的系列化交流內(nèi)燃機車產(chǎn)品。這些機車功率可覆蓋2 200～4 400 kW,軸重可以在20～33 t之間,滿足干線牽引、調(diào)車及小運轉(zhuǎn)的需要。同時,基于交流傳動系統(tǒng)及高性能柴油機的技術(shù)優(yōu)勢,還可以開展新型燃料和混合動力機車的研究。

在上述各系統(tǒng)平臺優(yōu)化與創(chuàng)新的基礎上,進一步提高內(nèi)燃機車的經(jīng)濟性仍將是整車性能優(yōu)化和創(chuàng)新的重點。為此,應深入開展機車輪周效率、空載油耗和柴油機燃油消耗率等技術(shù)經(jīng)濟性指標的研究與優(yōu)化;同時,應通過技術(shù)提升系統(tǒng)地優(yōu)化全壽命周期成本,不斷地提高機車可用率、可靠性,延長維護周期和降低維護成本。

3 結(jié)束語

基于自身的技術(shù)優(yōu)勢,建立和不斷發(fā)展?jié)M足市場需求并具有行業(yè)領(lǐng)先水平的產(chǎn)品技術(shù)平臺,是國際先進企業(yè)所普遍采用的策略,同時也是提高我國內(nèi)燃機車的總體設計水平、提升機車整體性能、縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期和成本、降低研制風險、提高機車市場競爭的必然選擇,將為滿足我國鐵路運輸?shù)拈L期需求和實現(xiàn)機車裝備制造業(yè)走出去戰(zhàn)略起到重要作用,為打造世界知名內(nèi)燃機車品牌奠定基礎,內(nèi)燃機車。

[1] 王元珠,韓才元.國外機車車輛產(chǎn)品技術(shù)平臺的發(fā)展[J].內(nèi)燃機車,2007,(2):1-7.

[2] 周宏偉.我國內(nèi)燃牽引動力國產(chǎn)化工作重點及再創(chuàng)新發(fā)展方向[J].鐵道機車車輛,2010,30(1):48-53.

[3] 王 強,韓樹明.逆變器控制交流輔助傳動技術(shù)在CKD8D和CKD9型機車上的應用[J].內(nèi)燃機車,2006,393(11):18-21,29.