出口東非某國鐵路內燃機車技術選型及優化提升探討

謝經廣 趙 寧 蔣一誠

(中車戚墅堰機車有限公司產品設計部 江蘇 常州 213011)

1 項目背景介紹

非洲東部某國家鐵路項目由國內工程公司承建，采用中國技術標準，是該區域內最重要的鐵路交通干線，也是諸多內陸鄰國物資進出口的主要通道。該鐵路連接該國首都至港口城市，全長485 km，線路技術等級為國鐵Ⅰ級，軌距為1 435 mm，軸重等級為25 t，采用內燃機車牽引，客運最高速度為120 km/h，牽引17節客車，貨運最大速度為80 km/h，牽引2 600 t貨物，最大坡道12‰。全年氣候潮濕多雨，需要考慮鹽霧腐蝕。

2 機車技術選型的確定

結合對客運機車運行高可靠性要求，機車在牽引1 100 t客車情況下須滿足在線路坡道12‰處持續運行要求，客運列車通過時間期望控制在5 h以內，同時需要考慮運行經濟性。通過機車牽引性能計算和整個線路運行的模擬計算，對2 900 kW等級、3 600 kW等級以及3 600 kW等級直供電三種機車方案進行運行時間、平均速度和油耗的綜合對比分析，確定客運機車采用5 000 hp機車。表1為客運列車線路運行模擬計算的結果。

表1 客運列車線路運行模擬計算

綜合對客運機車選型情況以及線路貨運規劃要求、貨物牽引質量、牽引速度和經濟性、可靠性以及后期維護成本考慮，確定貨運機車與客運機車采用同樣的5 000 hp機車平臺。

為滿足機車在當地運用的條件，結合前期調研情況，需要結合目的地國家氣候環境、環保要求、生活習慣、線路情況、維保能力等多方面情況對機車進行全方位優化改進設計，提升機車適應性和可靠性，為機車在當地成功運用打下基礎。

3 機車總體技術方案介紹及優化提升

兩種機車裝用相同的16V280ZJA型柴油機，其中貨運機車裝車功率控制在3 680 kW，客運機車裝車功率控制在3 610 kW；主傳動系統均采用直流傳動，采用微機控制系統；輔助機組采用變速箱驅動，冷卻風扇通過靜液壓系統進行驅動；貨運機車轉向架采用滾動抱軸式轉向架，客運機車采用架懸式轉向架，有效降低簧下重量，減輕輪軌沖擊力。

3.1 機車主要技術參數

兩種機車技術參數主要在速度等級、軸重、牽引力等方面存在差異，具體如表2所示。

表2 機車主要技術參數對比

3.2 機車總體布置

兩種機車上部布置基本相同，主要為車體及安裝的設備，車體以五道間壁將其分隔為六室：第I司機室、電氣室、動力室、冷卻室、輔助室和第Ⅱ司機室(見圖1)。機車下部兩端為轉向架，貨運機車采用滾動抱軸式轉向架，客運機車為適應更高速度采用架懸式轉向架，中間安裝了兩種不同容積的可拆式燃油箱。

3.2.1司機室

機車前后對稱布置了2個符合規范化要求的司機室，兩司機室操縱功能相同，其中客運機車司機室外形采用了流線的現代化設計。司機室前方和兩側設有玻璃窗，滿足司機瞭望要求。頂部布置了風扇、照明燈、檢修門及空調進出風口。前端操縱臺上布置了用于機車駕駛和控制的設備，包括制動閥、司機控制器、控制開關、按鈕、制動風表、微機顯示屏、監控顯示屏等信息控制設備。另外還布置了冰箱、空調、飲水器、微波爐、座椅、衣帽鉤和滅火器等生活、安全設施。

1—司機室Ⅱ；2—冷卻裝置；3—后傳動裝置；4—柴油機；5—電阻制動裝置；6—前傳動裝置；7—司機室Ⅰ；8—車鉤緩沖器；9—低壓電器柜；10—高壓電器柜；11—主發電機；12—燃油箱；13—轉向架；14—熱交換器； 15—濾清器；16—空壓機；17—干燥器。圖1 機車總體布置圖

3.2.2電氣室

電氣室布置了主要電器元件，其中左側布置了高壓電氣柜和主硅整流柜，主硅整流柜下方為主發電機和主硅整流柜通風機。右側布置了低壓電氣柜、機車三項設備及制動閥類安裝柜、前轉向架牽引電動機通風機，通風機上方布置微機控制柜。電氣室兩側設置了百葉窗，用于滿足通風機進風要求。

3.2.3動力室

動力室內布置了柴油發電機組、前變速箱、勵磁機、起動發電機、測速發電機。在柴油發電機組左側布置了兩組燃油泵電機組、燃油粗濾器，右側設有輔助機油泵電機組。在左右兩側壁上布置了空氣濾清器、滅火器和車體通風機。前間壁上部布置了橫跨電氣—動力兩室的制動電阻裝置，下部左側為勵磁整流柜。后間壁上部為膨脹水箱，下部為儀表箱。

3.2.4冷卻室

冷卻室上部為V型冷卻裝置，在冷卻裝置上安裝了48組雙流道銅散熱器，內部安裝了2套靜液壓馬達及冷卻風扇。下部中間為后變速箱及后轉向架牽引電動機通風機，一側為機油熱交換器和空氣壓縮機組，另一側為起動機油泵、機油濾清器和空氣壓縮機組。前間壁下部左右兩側裝有靜液壓系統油箱，V型冷卻裝置底部為靜液壓系統油空散熱器。

3.2.5輔助室

輔助室上部為雙塔式風源凈化裝置和輔助膨脹水箱，后間壁設有可通車頂的扶梯，下部中間設有手制動傳動裝置和復軌器。

3.3 機車牽引性能

通過牽引計算表明貨運機車牽引能力可以滿足牽引2 600 t貨物12‰坡道線路運行要求，客運機車可以滿足牽引1 100 t客車12‰坡道線路運行要求。

3.4 適應性優化提升

結合目的地國家氣候環境、環保要求、生活習慣、線路情況和后續檢修維護工作，對機車進行了以下方面的適應性優化提升，具體如下：

(1)平臺簡統優化

統籌分析客貨運機車技術要求，在保證機車性能的前提下，對柴油機及配套輔助系統、主發電機、整流柜、電阻制動、電氣元件、空壓機、空氣干燥器、空調等50多項主要零部件進行同一平臺簡統，優化提升設計，有效提高機車可靠性，降低機車研發風險，并為后續檢修維護打下良好基礎。

(2)線路通過能力

對客運機車牽引能力進行優化提升，將牽引齒輪傳動比從原來76/29更改為65/22，最大起動牽引力從原來245 kN提升到277 kN，提升幅度達到13.1%，持續牽引力從原來的160 kN提高到181.5 kN，提升幅度為13.5%，滿足了長大坡道對機車大牽引力的需求。

(3)環境適應性

針對當地多雨環境，對機車防水和排水進行系統優化提升設計，在加大機車排水能力的同時，對車架等鋼結構部件采用噴砂處理工藝、采用防腐性能更高的達克羅緊固件，并對空壓機設置防機油乳化的控制策略。

(4)安全性

在機車前端增加防撞和防爬結構，通過仿真計算該結構滿足TB/T 2541《機車車體靜強度試驗規范》要求；針對線路存在大型動物入侵的安全風險，優化排障器結構，降低風險發生后機車脫軌的風險。在機車重要部位設置視頻及防火監測系統、使用高可靠性高壓油管并加裝防火罩，設置轉向架軸溫報警系統和通風機失速保護功能等措施，全方位優化提升機車安全性。

(5)環保適應性

對機車各系統所使用的墊片、電纜及車體阻尼漿等從材料上提升環保要求，對機車上木質材料進行特殊處理，滿足出口檢驗檢疫要求。

(6)可靠性

為進一步優化提升機車可靠性，采用可靠性高、壽命長的LED燈具，采用可靠性高的電磁接觸器代替電空接觸器，配備水系統重聯水箱，對砂箱的容積進行提升，有效優化提升機車在長交路運行時的可靠性。

(7)舒適性

配備微波爐、冰箱、桶裝水飲水機和冷暖空調，進一步提升司乘人員舒適性。

(8)智能化

首次在出口機車上配備了自主研發的遠程監測與診斷系統(CRD)，系統整合了機車上的LKJ、TCMS、軸溫等運行信息及故障信息，實現車對地、地對車數據采集處理傳輸。該系統主要包括車載子系統、數據傳輸子系統、地面綜合應用子系統和安全防護子系統等部件，可以對機車狀態數據和故障數據以及機車日志等進行實時存儲，實現了機車定位、故障報警、實時狀態監測、數據點播、機車電子履歷和統計分析等功能，有效支撐機車安全運行、快速定位故障處理要求，也可為機車操縱駕駛提供指導，為以后逐步實現大數據環境下的數據探索、數據治理、機車關鍵部件的可靠性分析和智能故障診斷打下基礎[1]。

4 結束語

上述機車項目在2017年完成了線路運行試驗，試驗結果與前期模擬計算吻合，滿足了線路運行規劃要求，并在當年6月份正式投入運用。目前貨運機車基本保持在每天開行16對列車，客運機車保持在每天開行2對列車，貨運機車共計運行925萬km，客運機車運行207萬km，與國內機車對比，其運用負荷率要高于國內機車，但機車整體運行能夠保證良好狀態，滿足了當地鐵路運輸需求，有效促進了當地經濟發展，受到社會廣泛好評。