卡特柴油機在攀鋼內(nèi)燃機車動力改造中的研究及應(yīng)用

金造權(quán)

（攀枝花鋼釩有限責(zé)任公司物流中心，四川 攀枝花 617000）

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

鐵路運輸在國民經(jīng)濟發(fā)展中，在國家物流運輸系統(tǒng)中扮演著重要角色。攀鋼物流中心現(xiàn)配備內(nèi)燃機車48臺，其中180型柴油機機車27臺，約占56%，最早于1987年投用，平均使用年限已超過20年，絕大部分機車已進入報廢期。目前該類機車柴油機嚴(yán)重老化，故障頻繁，其中柴油機故障占機車故障80%以上，且備件采購困難，維護檢修成本較高。

資料表明，歐美一些發(fā)達國家對舊車均采取局部改造的方式使舊車換新顏。通過充分挖掘舊車潛力，從而達到降低了投資成本的同時提高使用效率的目的。美國從上世紀(jì)末就開始著手實施機車改造工作，一般舊改新的投入成本為新造機車總價的40%～60%左右，通常情況下，經(jīng)改造后的機車可以繼續(xù)使用約15年，接近一臺機車的一個壽命周期。

而國內(nèi)對老舊機車進行改造的研究較少，而通過采購新型柴油機對原舊機車進行改造，一方面可節(jié)約高額固定資產(chǎn)投資，另一方面可延長機車的使用壽命10年以上。因此，對工礦企業(yè)來說，改進舊機車動力系統(tǒng)延長其使用壽命的研究和探索是十分必要的。

2 內(nèi)燃機車動力系統(tǒng)改造的設(shè)計思路

改造對象采用攀鋼1987年購置的DFH5型內(nèi)燃機車，首先根據(jù)DFH5型內(nèi)燃機車的動力及傳動配置參數(shù)篩選與之匹配的柴油機，然后需要根據(jù)新型柴油機的參數(shù)配置對原機車未改造的傳動、電氣、循環(huán)系統(tǒng)等進行驗算，滿足機車整體輸出功率不降低，同時兼顧減少故障點以及節(jié)能降耗的目的。

2.1 DFH5B機車基本參數(shù)（表1）

表1 DFH5B型機車基本參數(shù)

2.2 柴油機選型

本次機車改造的基本原則就是在滿足機車性能前提之下，做到最大限度的不變動。液力傳動箱最好不做變動調(diào)整，因此柴油機的轉(zhuǎn)速及功率要盡可能的與原裝12V180ZJ型柴油機保持一致。在綜合考慮性價比、可靠性等因素后，傾向裝用CAT公司的3508C-DM8758型柴油機（特性曲線如圖1）完全滿足了DFH5B機車的裝車要求。

圖1 3508C-DM8758型柴油特性曲線

該型柴油機是V型、8缸、增壓、空氣中間冷卻、電子控制噴射、缸徑170mm、行程190mm的高速柴油機。該型柴油機擁有先進的電子系統(tǒng)，新的電子控制泵噴嘴燃油系統(tǒng)，以及改良的活塞和凸輪軸，比一般同級柴油機節(jié)省10～20%的油耗。再加上采用的排氣裝置，更能降低排煙，有效地減少排氣中有害氣體的含量，使其排放達到EUROII標(biāo)準(zhǔn)水平。

CAT3508C型柴油機擁有先進的電子監(jiān)控系統(tǒng)，通過外接軟硬件，建立柴油機運行模型、檢查運行狀態(tài)并自行診斷、顯示故障的起因，從而確保柴油機更加安全可靠地進行工作。

2.3 功率計算

（1）機車輔助功率。

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萬向軸η萬=0.993；圓柱齒輪η圓=0.985；錐齒輪η錐=0.97；耦合器η耦=0.95。

換算到柴油機曲軸上的功率為：

（a）輔助電機：N電=31kW

（b）控制泵：4馬力

（c）供油泵：N供=20.7馬力

（d）風(fēng)扇：90馬力

N輔=43.4+4+22.15+98.9=168.45馬力

上述幾項同時進行工作機會較少，故取其2/3作為本機車的輔助功率。即N輔=112.3馬力=82.57kW。

（2）傳動箱特性。

（a）變扭器泵輪吸收功率NB：

柴油機裝車功率：N柴=920kW

NB=（N柴-N輔）×η萬×η圓=（920-82.57）×0.993×0.985=819kW

（b）用B45作為起動變扭器，其有效直徑DⅠ=0.485m；B85作為運轉(zhuǎn)變扭器，其有效直徑DⅡ=0.38m

（d）在此泵輪轉(zhuǎn)速下，泵輪吸收功率NB：

式中：γ=830kg/m3（工作油90°時的重度）

起動變扭器取i=0.45時的λB=0.67×10-6作為計算點。

（3）機車功率。

ZJ2011型液傳箱泵輪標(biāo)定吸收功率：714kW

N機=N輔+NB=82.57+714=796.57kW＜920kW

故裝用3508C-DM8758型柴油機，在轉(zhuǎn)速1500r/min時柴油機功率有13.4%的冗余。因此，裝用CAT3508C-DM8758型柴油機功率完全滿足ZJ2011型液傳箱吸收功率等級。

2.4 柴油機輔助系統(tǒng)

（1）柴油機組安裝。柴油機先通過油底殼安裝孔安裝于兩個自制的安裝架上，再通過4個橡膠彈性支座固定于車架上以減少和消除由柴油機傳遞到車架的振動力和由車架傳遞到柴油機的振動。柴油機輸出端與傳動箱的聯(lián)結(jié)選用BC41/7.5/140型高阻尼簧片式聯(lián)軸節(jié)以緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能。

（2）燃油系統(tǒng)。燃油系統(tǒng)主要由燃油箱、油水分離器、燃油管路等組成，并與柴油機本身的內(nèi)部燃油系統(tǒng)形成一個完整的供油系統(tǒng)。根據(jù)柴油機對油品的要求，在燃油進柴油機前的管路中設(shè)油水分離器，以除去燃油中的水分及雜質(zhì)。

（3）進氣系統(tǒng)。車內(nèi)自然吸氣。采用CAT柴油機自帶空濾器，其性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單。但存在進氣溫度過高、空氣清潔度不足降低紙濾器的壽命等風(fēng)險。針對此問題，建議先按此方案實施，機車試運中如若出現(xiàn)上述問題，可以增加防沙網(wǎng)及慣性式空氣濾清器。

（4）排氣系統(tǒng)。排氣采用一個90°彎頭（CAT配件）將增壓器排氣口引向車體頂蓋。根據(jù)CAT公司人員建議，將排氣管道分為獨立的兩路，以排除異物落入排氣管道同時對左右兩邊增壓器等柴油機部件的損壞可能。

（5）冷卻裝置。3508C水系統(tǒng)只有一個進口和兩個出口，高溫水系統(tǒng)設(shè)有恒溫閥，水溫達到84℃時開始動作，92℃時全開參與循環(huán)。初步散熱計算3508C柴油機裝用23節(jié)散熱器（散熱量約41kW/節(jié)）及裝用現(xiàn)車的額定轉(zhuǎn)速1680r/min的φ1280mm的軸流式風(fēng)扇，即能滿足散熱條件。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

主要涉及機車邏輯控制的編程和柴油機調(diào)速系統(tǒng)編程，從新柴油機上引出轉(zhuǎn)速、油壓、油溫等傳感器數(shù)據(jù)線，引入中控電氣柜中的PLC控制單元經(jīng)程序運算后輸出相應(yīng)控制指令，完成相應(yīng)部分改造。

3 改造后效果

（1）運行狀態(tài)穩(wěn)定。柴油機運行低噪穩(wěn)定，整車系統(tǒng)穩(wěn)定；杜絕了最常見的柴油機漏水、漏油、漏氣故障。

（2）節(jié)能顯著。相同轉(zhuǎn)速，原車柴油機為12缸V型180mm缸徑，新柴油機為8缸直列170mm缸徑，機車輸出功率較原車略有增加，且低轉(zhuǎn)速輸出功率增加明顯；通過3個月實測，較改進前單位油耗降低10%～20%。

（3）維護保養(yǎng)方便。柴油機自帶故障診斷提示系統(tǒng)，集成多項柴油機參數(shù)傳感器，可與司機室終端連接，清楚反映柴油機運行各部狀態(tài)；維護頻次少，節(jié)約檢修物耗及人工成本。柴油機部分大、中修可延長近一倍檢修周期。

4 結(jié)語

目前我國工礦冶金企業(yè)在線機車普遍以內(nèi)燃機車為主，許多上世紀(jì)的內(nèi)燃機車仍處于修和換的糾結(jié)之中。結(jié)合攀鋼針對DFH5型內(nèi)燃機車動力系統(tǒng)改造的研究與應(yīng)用實例，探索出一條內(nèi)燃機車改造的新道路。