內電共平臺機車技術方案探析

摘? 要：介紹了內電共平臺機車技術的設計思路，分析了電傳動系統的拓撲結構，針對各系統的結構和功能性特點，進行了功能性模塊劃分，最后提出了內電共平臺機車的應用模式。

關鍵詞：內電共平臺;拓撲結構;功能模塊;機車應用模式

0? ? 引言

我國鐵路干線幅員遼闊，電氣化率已達到60%以上，但在東北、西北、高原等偏遠地區仍無法實現電氣化，只能維持內燃運輸。機車運用部門除了要考慮機車的安全性、可靠性外，在機車購置維修成本、備件存儲方面也面臨重要選擇。基于這種情況，開展內燃機車和電力機車融合設計，滿足共用一個機車平臺的要求，實現模塊化簡統設計，不僅有利于制造企業的發展和生產，對于運用部門的使用、檢修和維護也極其重要，是未來機車的一個發展方向[1]。

1? ? 內電共平臺機車技術的設計思路

內電共平臺機車的設計研發理念就是在既有內燃機車和電力機車平臺基礎上進行設計，實現共用一個機車平臺，對機車各系統在兼顧差異性基礎上進行融合，實現內燃機車和電力機車相同功能模塊的共用互換，不同功能模塊考慮如何實現模塊的替換安裝及空間合理利用。

2? ? 內電共平臺機車的電傳動系統拓撲結構

2.1? ? 既有內燃機車電傳動系統拓撲結構梳理

我國交流傳動內燃機車主要有HXN3/HXN5系列機車、3000馬力混合動力系列機車，電傳動系統的主拓撲結構為：柴油機→主發電機→三相整流模塊→機車牽引變流系統+制動電阻→機車牽引電機[2]。

2.2? ? 既有電力機車電傳動系統拓撲結構梳理

我國交流傳動電力機車主要由HXD1、HXD2、HXD3等系列機車構成，分為兩種拓撲結構：（1）采用主輔一體化和TCN網絡拓撲結構形式;（2）采用主輔獨立繞組供電模式，車內設備采用RS485總線形式，外重聯采用以太網形式。主電路拓撲結構為：網側受流設備→主變壓器系統→機車牽引變流系統→機車牽引電機。

2.3? ? 內電共平臺機車的電傳動系統拓撲結構

2.3.1? ? 拓撲結構

基于我國既有內燃機車和電力機車等機車產品平臺特點，進行電傳動系統拓撲結構的優化組合設計，形成以下內燃機車電傳動系統的拓撲結構：柴油機→主發電機→三相整流模塊→機車牽引變流系統+制動電阻→機車牽引電機。

內電共平臺下的電力機車電傳動系統拓撲結構基于既有電力機車，并兼顧內燃機車，使整車牽引變壓器由6個牽引繞組和2個輔助繞組構成，滿足牽引變流器和輔助變流器獨立繞組供電模式，實現機車軸控運行。變流系統由兩個變流柜構成，每個變流柜由3個獨立的牽引變流器、一個輔助變流器及一組輔助電源的L/C濾波裝置共同集成構成。

2.3.2? ? 牽引變流系統

在電力模式下，如圖1所示，電能由接觸網提供，經受電弓等高壓設備進入主變壓器，并通過主變壓器牽引繞組進入變流回路，并最終供給牽引電機。輔助直接從中間直流環節取電，進行電源變換后送給輔助負載。

在內燃模式下，如圖2所示，電能由柴油機主發機組提供，經過整流模塊整流后匯入中間直流環節，一路給三個牽引電機供電，一路送給輔助，與電力模式下一致。

3? ? 機車功能模塊劃分及牽引性能

經過近幾十年的快速發展，鐵路機車產品已日趨成熟。為進一步適應行業的發展趨勢，縮短供貨周期，提高產品的可靠性和設計質量，降低用戶的檢修維護成本，對內電共平臺機車要采用模塊化的設計理念進行研發。

內電共平臺機車應按照實現最大一致性的總體布置進行設計，并按照相同功能和不同功能進行模塊化的劃分。

3.1? ? 總體布置

內燃、電力采用統一的總體布置方式，設備采用模塊化設計，最大限度實現部件的通用，對不能通用的部件采用相同安裝接口，實現在同一車體下的安裝，如圖3、圖4所示。

3.2? ? 內電共平臺下的相同功能模塊

（1）制動系統：共用相同的制動柜、基礎制動單元、風源系統等。（2）行車安全系統：共用相同的監控系統。（3）轉向架系統：共用相同的轉向架系統。（4）司機室：兼顧內燃機車和電力機車的控制需求進行兼容設計，滿足通用互換性。（5）通風系統：針對牽引電機通風及變流系統通風，實現該部分的通用互換。

3.3? ? 內電共平臺下的不同功能模塊

根據內燃機車和電力機車各自的電傳動系統拓撲結構，分別將電源變換裝置以動力包形式進行組合、集成和打包設計：對于電力機車，其專用的能量變換裝置集中安裝在機車的中部，構成電氣動力包;對于內燃機車，由柴油機和主發電機等構成柴油機動力包。輔助系統是電力機車和電傳動內燃機車均必須具備的系統，分別構成電氣輔助包及柴油機輔助包。內燃機車和電力機車的輔助包機械安裝接口一致，可實現互換。

3.3.1? ? 電氣動力包

電力機車的電氣動力包由牽引變流器、復合冷卻裝置、高壓設備柜、牽引變壓器集成組合。所有部件均有良好的可維護性，按區域設置維護通道。

3.3.2? ? 柴油機動力包

柴油機和主發電機剛性相連，并在機車上按傳統方式布置。空氣濾清器、柴油機和主發電機有效地整合在一個單元內，把這一部分稱為柴油機動力包[3]。該動力包與機車車體的機械接口與電氣動力包相同。在柴油機動力包下方安裝燃油箱（替換電力機車的主變壓器）。

3.3.3? ? 輔助傳動裝置包

輔助傳動系統以一貫的方式集成在一個空間內，稱之為輔助傳動裝置包，采用相同的機械接口;對于同樣功能的輔助包，也可以采用相同的電氣接口[3]。

高度集成的連接裝置及一目了然的部件布置，加上控制系統的診斷能力，可保證產品在檢驗和維修方面達到前所未有的效果[3]。

3.4? ? 通用互換性

基于相同及不同功能模塊的設計，匯總整理部件的通用互換性，如表1所示。

3.5? ? 機車牽引性能

內電共平臺機車在未來主要的應用環境是快捷貨運，針對此應用環境進行了機車模擬牽引能力計算，如表2所示，結果表明，不論電力還是內燃模式，均能滿足牽引3 000 t列車以時速160 km運行的要求。

4? ? 平臺機車應用模式

平臺下產品可實現不同地域、不同編組的寬廣域快捷貨物運輸，可滿足3 000 t編組運輸需求。

搭建內電共用技術平臺，在同一平臺下實現內燃、電力兩種車型，可以滿足未來鐵路運輸市場對兩種機車的需求，同時也可最大程度上實現部件的通用性，實現內燃機車和電力機車生產的快速轉換，節約生產、維護成本，提升企業市場競爭力。

[參考文獻]

[1] 王勇智，張大勇.交流傳動技術的發展及在我國的開發應用[J].內燃機車，2002（10）：1-4.

[2] 王強.大功率交流傳動內燃機車產品技術平臺的建立[J].鐵道機車車輛，2011，31（2）：11-15.

[3] BUSCHER M，KOCK F，韓才元.龐巴迪公司TRAXX機車集成平臺[J].國外內燃機車，2007（4）：7-15.

收稿日期：2020-06-10

作者簡介：杜靜遠（1986—），男，河北石家莊人，工程師，研究方向：鐵路機車車輛設計。