機車車輛設計制造歷史沿革與未來展望

摘" 要：文章詳盡介紹了機車設計及制造的歷史沿革，并對其未來發展進行了展望。考慮到鐵路運輸在國民經濟生產及發展過程中所起到的重要作用，針對機車設計及制造過程而開展的研發進程依然有著重要而深遠的意義，為此仍需不斷吸收國外先進技術，并進行歸納總結，以持續提高我國機車車輛技術水平。

關鍵詞：機車車輛;蒸汽機車;內燃機車;電力機車;鐵路運輸

中圖分類號：TK40" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0093-03

Abstract： The historical evolution of locomotive design and manufacturing is introduced in detail， and its future development is prospected. Taking into account the important role of railway transportation in the production and development of the national economy， the research and development process for the design and manufacturing process of locomotives still has important and far-reaching significance. For this reason， it is still necessary to continue to absorb and sum up advanced foreign technology， so as to continuously improve the technical level of China's rolling stock.

Keywords： rolling stock; steam locomotive; diesel locomotive; electric locomotive; railway transportation

機車車輛作為其他鐵道車輛的動力來源，在鐵路運輸中扮演著重要角色。考慮到該類設備的設計及制造過程有著悠久的發展史，為此對其進行了重點研究，并基于此對未來機車車輛的設計及發展進行了展望[1-3]。

1 機車設計制造發展史概述

1881-1949年間，針對我國機車車輛的設計主要是以機車使用部門為主而進行的，如1881年金達設計的中國第一臺蒸汽機車“中國火箭”號;20世紀30年代，應尚才主持設計“聯盟”型蒸汽機車等;1958年以后，由于鐵道部既管理機車使用部門，又管理機車制造業的原因，我國機車的設計主要是以制造部門為主而開展的。

20世紀40年代以后，在美國、加拿大、英國、法國、日本、德國等發達國家，針對機車車輛的設計主要是以機車使用部門為主進行的。

例如，日本新干線列車的開發由鐵道客運公司（JR）和制造公司及研究所密切合作進行。首先進行最初的技術開發（設計任務書和總體方案），確定主要技術和要素技術;然后確定設計的規格，主要是確定制造階段使用的材料和零部件的規格，以及試驗時的試驗方法和標準。設計主要在鐵道客運公司與制造廠之間進行[4]，一部分仿真等在研究所進行。列車由數家工廠生產，但必須按照同一結構進行供貨。

在德國，機車車輛設計主體是機車車輛使用部門，各制造商均可參加設計工作，并主要提供施工圖紙（即零部件圖紙等）。最終的產品圖紙是一套，由機車車輛使用部門保管。例如，德國的ICE列車是由數家制造廠生產，如SIEMENS，原DWA，原ADTRANZ等，上述車型都是按同一圖紙制造的。列車使用部門（DB）可以按照同一工藝、設備、工裝來對ICE列車進行維護保養和檢修，而不管這列車是哪個制造廠制造的。

在我國，將來對于使用或采購什么車型，一定要由機車使用部門決定。機車的設計主體也應該轉變為機車使用部門，而制造廠和專業研究所是配合實施的單位。

2 針對機車車輛的采購進程

早在2003年6月，鐵道部方面就已提出：在中國，針對鐵路機車的采購不僅要面向國內市場，而且要面向國際市場，要貨比三家，選擇質量好的產品。這是非常正確的機車采購政策，為此不能一味地走機車采購低成本戰略，不能只考慮我國的民族機車工業發展。鐵路的機車采購要滿足于鐵路運輸發展的需要，要指導我國機車制造業向技術先進、質量可靠的方向發展。

機車使用部門購置機車時，既要考慮購置費用，又要考慮使用成本（包括能源費用、人工費用、維修費用和管理費用等）[5]，從機車整個壽命期成本來權衡、選購產品。

機車的采購戰略，主要是圍繞降低機車整個壽命期成本（LCC）提出的各種優化要求而開展，主要如下：

（1）機車的簡統化、模塊化和標準化最終目的。就是要降低機車整個壽命期成本（LCC）。因此，我國鐵路機車必須要簡統化、模塊化和標準化。至少每個鐵路局或者每條干線使用的機車要進行簡統化。

（2）為了提高運輸的效率，必須提高機車的可靠性，提高機車的利用率，減少機車的維修成本。規定出有關高安全性、高完好率及最低成本的技術框架條件[6]，也是為了降低機車整個壽命期成本。

（3）就中期方面而言，針對制造廠現有機車型譜中的機車，要求它們必須達到標準化，我國鐵路在這方面已經開展了許多工作。

（4）就長期方面而言，為了滿足機車修理、組裝與保養（RAMS）的要求，針對機車及其部件的各種接口，必須使其實現模塊化和“制造廠家交叉標準化”。其核心要求，就是各種接口要實現“交叉標準化”[7]。這將促進機車制造業的“中國模塊化規劃和標準化”的實現。中國機車界在這方面已經開展了許多工作。例如，鐵道部運輸局裝備部進行的機車司機室的模塊化設計;內燃機車，如柴油機、轉向架、主發電機、牽引電動機等部件的模塊化設計制造;電力機車，如主電路標準化設計，整流采用兩段橋或不對稱三段橋，牽引電動機電壓統一為1000V。機車車體采用統一結構。

（5）機車應具有較高的運行可靠性和合理的耐久性，以及較低的整個壽命期成本[8-9]。

（6）要求機車制造廠提供良好的現場維修服務，不僅僅是保修期內的服務。

3 合作研制新型機車產品

世界機車制造業的發展趨勢可通過各公司之間的合作而實現，主要包括跨國合作、技術合作、產品生產合作等方面。例如20世紀90年代，德國西門子公司與美國GM公司的EMD公司（電氣動力部）合作開發出交流傳動貨運內燃機車[10]。

在20世紀90年代，美國GE公司開發的AMD103型準高速內燃機車和GM公司開發的DE30AC型準高速內燃機車的車體及轉向架均是與德國西門子公司合作開發制成的。

1995年，德國ADTRANZ公司與美國GE公司合作研制“藍虎”輕型交流傳動內燃機車[11]，于1996年制造出樣車，又于1997年投入運行試驗。該機車由ADTRANZ公司負責總的機車系統設計、合成和組裝試驗。該機車裝用GE公司的7FDL系列柴油機及其輔助系統、主發電機、牽引電動機、牽引逆變器和控制裝置、動力制動裝置、司機室電子裝置和診斷系統。另外，GE公司還負責子系統的試驗[12]。1997年，巴基斯坦購買了30臺“藍虎”型機車，1998年正式交付，并投入使用。

1998年，株機廠、株洲所與西門子（中國）公司簽訂合資興建交流傳動電力機車企業的合同。1999年1月，我國第一家合資生產交流電傳動電力機車和交流傳動設備的企業——株洲西門子牽引設備有限公司在株洲掛牌開業。該公司是株機廠、株洲所與德國西門子（中國）公司合資興辦的，借助西門子在交流傳動方面的優勢[13-14]，開發投產采用IPM或IGBT或IGCT等新一代電力電子器件的新型交直交傳動的電力機車。這將推動我國交流傳動技術的發展。

21世紀初，美國GM公司和俄羅斯柳迪諾沃內燃機車廠聯合研制了TЭPA1型交直流傳動內燃機車，該機車的車體、走行部、空氣制動儀表和設備由斯柳迪諾沃內燃機車廠制造，柴油機、牽引傳動裝置、輔助設備和微機控制系統則由GM公司制造[15]。2003年，俄羅斯鐵路已經定購了兩臺這種機車，并在俄羅斯西伯利亞鐵路局進行運行試驗。

4 機車新產品展望

4.1 開發新產品的試驗

早在20世紀60年代，我國機車新產品得以成功試制，雖然并未開展相關試驗驗證，但考慮到當時的歷史進程，即已開始投入批量生產使用。由于產品技術水平尚不完善，造成大批量機車在機務段出現慣性故障，影響了鐵路運輸效率和運輸效益，由此給機務部門增加了大量的負擔[16]，并造成非常大的浪費。如1969年以后生產的韶山1型電力機車、1974-1978年間生產的東風4型內燃機車、1989-1991年間生產的韶山4型電力機車、1997-1998年間生產的東風4D型內燃機車和1996-1998年生產的東風11型內燃機車等機車曾經都出現了這種嚴重問題[17]。

為此，新產品研制過程一定要采用科學的技術方法，設計完成后即開始試制，需要將完成的部分零部件在試驗臺上進行試驗，以確認其是否發揮出設計時預想的性能。機車整體落成以后，即開始進行試驗。此外在批量生產前，應通過長時間的運行試驗并據此確認其耐久性。在運行試驗結束并對產品完成改進后，再開始批量生產。為了縮短新產品的研制時間，可以采用現代設計手段及先進的試驗手段，并對原產品進行持續改進。

4.2 新產品開發的繼承性

為了縮短新產品研制時間，以及令機車使用部門使用方便、降低使用成本，新型機車盡可能走原產品不斷改進之路，結構要有繼承性，不要接連地另起爐灶，要向系列化、模塊化發展。即使產品升級換代，也要走原產品不斷改進之路。美國GE公司的ND5型機車的部分零部件圖紙是于20世紀50年代設計的，充分說明ND5型機車的許多部件是逐漸改進到當前的技術狀態的。例如第二代的東風4B型機車升級到第三代的東風6型[18]，從開始研制到出樣車只用了5年（1984年6月-1989年1月），再用2年試制出國產化的機車。再如，從第二代的韶山3型機車升級到第三代的韶山3B型機車，從開始研制到批量生產也只用了5年左右。如果是另起爐灶，從開始研制到批量生產可能需要10年左右的時間。

4.3 新產品開發的拿來主義

自20世紀50年代以后，從我國機車制造業走過的道路看，從當今世界機車制造業發展趨勢看，我國的機車制造廠不能再走技術引進、消化吸收、逐步實現國產化、自主開發的老路。這樣永遠也趕不上發達國家的機車制造技術水平，總比國外落后數年。

基于鐵路機車的相關技術在全世界范圍得以通用，尤其對于我國這樣的發展中國家而言。相對發達國家，我國的機車制造技術也相對落后。由于我國是不可能獨立于世界機車技術之外再創造一套具有中國特色的先進的機車制造技術。從百余年的中國鐵路機車歷史看，中國鐵路機車制造技術的發展完全依賴于世界鐵路機車技術的發展。

我國機車制造業只有實現全方位發展，緊跟世界鐵路機車技術的發展步伐，大力引進先進技術，主動與世界上先進的機車制造企業及制造機車關鍵部件的企業合作，聯合開發制造先進機車，我國的機車制造業才能迅速發展，制造的機車才能迅速達到世界水平，并起到事半功倍的效果。如果全依賴于自主開發制造，結果會導致開發成本過高，并耽誤過多時間。由于當前機車技術發展較快，等充分引進并消化吸收后，再自主開發出來同樣的技術。雖然可以降低成本，但往往相比世界先進技術水平已經落后許多年。因此提出如下建議：

（1）鐵道部機車運用管理部門應著力于采用先進技術，并大量引進先進人才，優先采用先進設備，學習先進管理思想和手段，同時積極學習世界新技術，并且可派出機車使用領域的專家赴北美、西歐等發達國家考察學習機車使用技術。要和發達國家的機車使用部門合作進行機車使用管理。而在采購機車時應主要考慮機車是否具有較高的運行可靠性和合理的耐久性，以及是否降低了整個壽命期成本。

（2）我國的機車制造廠可以從北美、西歐等地機車制造業發達的國家大量引進人才。尤其是中國留學人員，可派遣機車制造技術等方面的專家赴北美、西歐等發達國家考察學習機車制造使用技術。

（3）我國的機車制造廠要主動與北美、西歐等地機車制造技術較為發達的企業合作，合作研制并生產機車。

（4）我國的機車制造廠可主要采用北美、西歐等地機車制造技術發達公司的機車制造技術，研制新型機車。

（5）我國的機車制造廠可以從世界范圍內采購開發生產機車所需的部件，從而利于國內機車制造業的發展。該業務可以面向國內，也可以面向北美、西歐等國家機車制造技術發達的公司。可通過購買如柴油機、電傳動系統、微機控制系統、轉向架等零部件，并結合自己生產的部分零部件，直接研制并生產高性能機車。

5 結束語

考慮到鐵路運輸在國民經濟生產及發展過程中所起到的重要作用，針對機車設計及制造過程而開展的研發進程依然有著重要而深遠的意義。機車車輛依然有著廣闊的發展前景，為此仍需不斷吸收國外先進技術，并進行歸納總結，以持續提高我國機車車輛技術水平。

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