大功率交流传动内燃机车产品技术平台的建立

王 强

(铁道部运输局装备部,北京100844)

2005年中国铁路开发了HXN3和HXN5型4 400 kW大功率交流传动内燃机车。其中HXN3型机车额定功率4 400 kW,最大起动牵引力620 kN,恒功率速度范围23～120 km/h,采用世界先进的大功率低排放柴油机、交流传动控制技术、32位微机控制系统、网络通讯控制和故障诊断、CCBII电控制动等技术,具有持续牵引力大、低油耗、低排放、低辅助功率消耗、运行速度高、安全性高、操作方便等特点,能够满足干线牵引5 000～6 000 t的要求。

当今世界知名轨道交通运输装备制造企业,都拥有自己的产品技术平台[1],如EMD公司SD9043MAC和GE公司的AC6044CW 内燃机车平台,阿尔斯通公司PRIMATM机车平台,庞巴迪公司TRAXX机车平台,西门子公司EurosPrinter电力机车和EuroRunner内燃机车平台等。机车技术平台的建立,可以充分发挥产品的系统技术优势和规模经济效应,实现机车产品的标准化、系列化、模块化和信息化,达到风险小、成本低、交货期短、性能优良、质量可靠、环保节能、满足客户不同要求的目的。

通过进一步的系统优化和创新,完善并持续发展先进的大功率交流传动内燃机车的技术平台,可以使我国的内燃机车装备达到并保持国际先进水平。

从机车的总体及柴油机、电气、车体、转向架、制动、辅助等主要系统的技术特点入手,阐述和分析机车平台的基本特点、技术优势、优化和创新要点,系统地梳理产品技术平台的建立和发展。

1 机车产品技术平台的特点和技术优势

1.1 总体结构布置特点

HXN3型机车采用我国干线机车传统的双司机室、内走廊、整体式承载结构,机车上部从前向后分为I端司机室、电器室、电阻制动室、清洁空气室、动力室、冷却室及II端司机室,下部包括底架结构、2个3轴转向架、蓄电池箱、主风缸和启动风缸等。而为了增加车体强度和优化布置,机车采用了底架集成式燃油箱、桁架式侧墙的结构(见图1)。

HXN5机车为单司机室、外走廊、底架式承载结构,其承载式底架燃油箱具有更为简洁的结构和更高的强度,其司机室、辅助室、主发电机室、柴油机室、散热器室等均采用模块化设计,利于批量生产和方便维修(见图2)。

图1 HXN3机车总体布置模型

图2 HXN5机车总体布置模型

1.2 机车主要性能及其技术优势

从表1所列的机车主要性能数据可以看出,与DF8B机车相比,该平台机车功率提高了29%,最高速度提高了20%,最大牵引力提高了29%,持续牵引力提高了66%～76%,电阻制动性能更是在最大电制动力及其涵盖的速度范围等方面得到了全面提升。

表1 机车主要性能数据

1.3 柴油机

1.3.1 柴油机的结构和主要性能参数(表2)[2]

HXN3机车采用的16V265H和HXN5机车采用的GEVO16柴油机,是目前最为成熟和先进的中速机车柴油机,采用动力组工作单元、整体铸造式机体、全纤维锻造钢曲轴、单缸分段式凸轮轴、高压比废气涡轮增压器、电子喷油泵、多孔式喷油器、集成式燃油喷射及柴油机管理系统等多项先进结构和技术。

1.3.2 柴油机的技术优势

16V265H和GEVO16柴油机,是当今世界机车用大功率柴油机的代表产品,在以下3个方面体现出其明显的技术优势。

(1)整体性能先进

与16V280ZJA型柴油机相比较,柴油机功率提升了27%;平均有效压力和强化系数均有较大提高;单位功率质量轻,达到5.4 kg/kW,有利于机车总体布置;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;排放性能优越,最佳排放可达到EPA TireⅡ水平;柴油机可靠性高,运用周期长,采用动力单元组、单缸分段式凸轮轴等结构使维护更方便。

(2)先进的柴油机控制系统

具有完整的发动机管理系统,一方面柴油机控制系统通过安装在柴油机上的传感器来监控柴油机的运行参数,控制燃油喷射以维持柴油机转速并优化柴油机排放指标;另一方面,柴油机电控系统与机车控制系统交换控制指令、运行信息、诊断及故障处理记录等;同时,还可以通过与计算机直接连接在线进行柴油机状态监控和运行诊断,拥有较高的智能化和人机交互能力。

(3)柴油机自动启停系统

柴油机自动启停系统是提高机车经济性的又一特色,它可以优化机车长时间怠转运行时的经济性,同时这种系统还具有低温保护功能,当机车处于低温环境时,可根据机车油水温度等参数的实时变化,自动控制柴油机的启停,达到预热保温的目的。

表2 柴油机主要性能数据

1.4 电气系统

1.4.1 电气系统原理

机车电气系统的主传动系统、辅助传动系统均实现了交流化,并具有功能完善的微机网络控制系统。HXN3型机车电气系统的主要原理见图3。

机车主传动系统主要由主发电机、牵引整流单元、牵引逆变器、牵引电机、电阻制动装置等组成。主发电机双电枢绕组输出的三相交流电,经其集成式牵引整流单元转变为高压直流电,供给牵引逆变器控制牵引电动机。机车的交流驱动采用架控方式,牵引逆变器由6个相模块组成,安装在电器室顶部,由前牵引通风机提供空气冷却。牵引逆变器的2块控制板(MPU)在车载微机EM2000的机箱内,与机车主控模块(CPM)实现共总线的快速数据交换,同时通过接口模块进行信号处理和转换来控制安装在相模块的逆变器驱动板。机车配置一个径向电阻制动装置,可完成自负荷试验。通过主传动系统的交流控制,机车具有优秀的牵引和电阻制动特性(见图4、图5所示)。

辅助系统由与主发电机同轴的辅助发电机供电。辅助发电机电枢的3组输出分别为辅助设备、主辅励磁和蓄电池充电供电。所有的主要用电设备均由微机控制,以便匹配各种情况下的用电负荷。

辅助设备供电输出为三相136～444 V,直接驱动前后牵引通风机电机、1个主发通风机电机、2个冷却风扇变极电机、经逆变器控制的2个空压机电机、1个电器柜通风机电机等。

图3 HXN3机车主传动系统框图

图4 HXN3机车牵引特性曲线

图5 HXN3机车电阻制动特性曲线

机车采用32位的EM2000微机系统进行机车的牵引、电阻制动、主发励磁、辅助设备、运行逻辑和操纵接口等控制,机车的FIRE显示系统,完成信息显示、程序安装、数据下载、操作及维护界面、制动机控制、远程监控数据接口等功能,机车采用EMDEC控制器进行柴油机电子喷射控制。

1.4.2 电气系统技术优势

(1)交流传动系统

HXN3和HXN5机车的交流传动分别采用架控和轴控,均实现了高达0.413的牵引黏着利用系数;大扭矩的牵引电动机在高性能的牵引逆变器控制下,获得了优异的轮周牵引特性;牵引逆变器均采用风冷,中间直流电压分别为2 800 V和1 400 V,而HXN3机车牵引逆变器由于结构更为简单,可以很方便地集成在电器柜内。

(2)主、辅发电机

两种机车均采用同轴一体化结构的主、辅发电机,为主、辅各个系统提供电源,HXN3机车牵引整流装置采用多管并联方式,并集成在主、辅发电机内部。HXN5机车牵引整流装置采用单管方式,并集成在牵引变流室内。上述结构使机车总体布置更为简单,集成度更高,可方便地取消传统的前后机械传动装置。

(3)微机网络控制系统

HXN3和HXN5机车均采用了性能先进功能完善的微机网络控制系统,其通讯网络除分别采用了成熟的CAN和ARCNET网络标准外,都部分地应用了具有更强传输能力的工业以太网;无论是前者的EM2000和FIRE系统,还是后者的智能显示单元(DS)和各分散控制模块,都提供了优秀的人机界面、故障诊断处理和记录、逻辑控制等系统功能。

(4)辅助传动控制

HXN3和HXN5机车均实现了辅助系统的交流电驱动,但各有不同的特点。HXN5机车采用了柴油机变频启动、风机风扇跳波控制、空压机变级驱动等控制模式。

1.5 车体结构特点和技术优势

1.5.1 轻量化、高强度

经过优化设计的车体结构不但质量较轻,还大幅度提高了强度,以HXN5机车为例,其可承受的纵向压缩载荷为3 788 kN,纵向拉伸载荷为3 100 kN,特别适合于重载牵引;机车具有防撞和防爬结构。

1.5.2 底架燃油箱

巧妙合理的底架燃油箱设计,既为车体高承载能力提供了保证,又有效降低了整车总重。

1.5.3 隔离式司机室结构

HXN3机车隔离式司机室结构使司机室成为一个独立的单元,符合模块化设计理念。隔离式司机室采用弹性元件衰减了来自于线路和柴油机产生的振动和噪声,提高了机车的操控和乘坐舒适度(见图6所示)。

图6 HXN3机车司机室隔离结构

1.5.4 钩缓系统

机车采用了具有自动对中功能的高强度车钩和缓冲器,更适应于重载牵引的要求。

1.6 转向架

1.6.1 转向架结构特点

HXN3机车上装有两台高牵引力、快速3轴HTSC型转向架。该转向架采用一系钢弹簧,二系橡胶堆悬挂方式、轻量焊接构架、4连杆式牵引装置、内顺置交流牵引电动机、斜齿轮传动和焊接齿轮箱、滚动抱轴半悬挂系统、单拉杆分体式轴箱、单侧踏面制动单元及高性能合成闸瓦等结构。

1.6.2 转向架技术优势

(1)轻量型构架设计

HXN3机车构架采用了结构优化设计,满足了低总重(整个构架总重2.7 t)、高强度的要求,对内燃机车的总重控制具有重要意义。

(2)高性能的驱动装置

机车驱动装置具有传递最大103 kN,持续95～100 kN牵引力的能力;HXN3和HXN5机车主动齿轮分别采用了内锥式(与齿轮一体的短轴嵌入电机轴)和齿轮轴式(直接在电机轴上加工成型),这样,既可以采用大传动比(5.31),又满足了空间尺寸的要求。

(3)整体性能优越

HXN3转向架整体结构成熟、简单、性能好、可靠性高,分体式轴箱、全密封轴箱轴承等设计便于维修维护。

1.7 机车制动系统

1.7.1 制动系统组成

空气制动系统主要包括电空控制单元(EPCU)、集成处理模块(IPM)、继电器接口模块(RIM)、单独制动阀和自动制动阀。制动系统中风源部分为两个由交流电机驱动的螺杆式空压机、干燥器及各种风缸、管路及阀类,干燥器置于第1和第2总风缸之间。

1.7.2 制动系统技术优势

机车采用国际先进的微机控制空气制动系统CCBII。空气制动系统的自诊断、故障显示及人机对话功能被集成到机车显示单元中(FIRE和DS)。该制动系统是基于网络控制技术的电控空气制动系统,除紧急制动外,所有的逻辑均由计算机控制,是当今世界上最先进的机车制动系统之一。该系统减压准确、反应迅速、保养少,并具有安全、可靠、集成度高的特点;采用在线可更换单元的设计理念,维护简单;整个系统功能可扩展性好。

1.8 机车辅助系统

1.8.1 冷却水系统的特点和技术优势

HXN3和HXN5机车均采用顶置式大片散热器、高性能外转子压风式冷却风扇,既提供了良好的散热性能,又有利于机车的设备布置;HXN5机车的分离式冷却系统在控制系统的管理下优化了机车冷却性能,有效地减小散热器的体积。

1.8.2 机油、燃油系统的特点和技术优势

HXN3和HXN5机车的机油、燃油系统具有更高的过滤精度,同时,其设计保证了机车可实现更长的维护时间间隔(大于92天)。

1.8.3 通风系统的特点和技术优势

机车配置了柴油机进气,牵引电机、主发电机、电器室、动力室、牵引逆变器通风,滤清器排尘等完善的通风及其滤清系统。柴油机进气滤清采用了钢板网、旋风筒式过滤器、袋式玻璃纤维过滤装置3级过滤;空气滤清系统的设计也使机车能够满足最少92天的维护时间间隔。

2 机车产品技术平台的系统优化和技术创新

2.1 柴油机技术平台的优化与创新

柴油机技术平台可以在原有高性能16V265H和GEVO16型柴油机基础上,一方面通过柴油机缸数、机体、曲轴、凸轮轴、增压器、机油泵和水泵等的重新配套选型发展12、8缸等系列化柴油机;另一方面在全面掌握增压器和电子喷射系统技术的前提下,研究应用国际先进的增压器VGT技术、米勒定时优化技术及选择性催化还原技术(SCR)等,进一步提高柴油机的燃油经济性和排放性能;同时,基于大量的研究和实践,逐步建立我国机车柴油机系统性的可靠性试验验证体系;此外,柴油发电机组的弹性安装将更有利于机车总体设计和组装、维护。

2.2 电气系统平台的优化与创新

应对微机网络控制系统的网络标准和控制节点性能持续升级和改进,如发展工业以太网等宽带大流量网络技术用于机车控制,并提高机车及其运用管理平台的信息化水平。同时,应基于该平台机车已有的标准重联控制接口,借助于成熟的有线和无线网络技术,建立和完善我国内燃机车标准化重联控制接口规范。

从HXN3和HXN5机车的实际效果分析,采用架控和轴控的牵引主传动系统都能够获得良好的牵引和电制动性能。但如何提高机车的全天候黏着性能是交流牵引系统下一步优化的重点,现有撒沙系统作用机理和新型增黏技术的研究与创新将会起到重要的辅助作用。此外,应深入研究交流机车电阻制动的使用与列车运行安全的关系。

辅助传动控制应进一步推广采用逆变器控制模式[3]。相对于变级或跳波的有级调速控制方式,采用逆变器控制的冷却风扇具有更宽范围更灵活的调速控制,可以进一步减小辅助功率消耗,优化冷却控制特性(如图7所示);采用逆变器控制的空压机,可以避免变级驱动的低供风能力和较高的故障率,提高风源系统的性能和可靠性(如图8所示);柴油机的变频启动方式更充分地发挥了交流机车主要部件的多功能性,更有利于系统的简便和可靠。

2.3 车体技术平台的优化与创新

车体技术平台要保持干线机车的双司机室结构和调车机车的单司机室外走廊结构,根据需要采用隔离式司机室结构可以有效减小司机室的振动和噪声,采用整体燃油箱等结构优化整体布置,可以通过调整中部燃油箱处的车体底架设计来满足不同轴重、不同功率柴油机的设计需要;应进一步研究和应用机车防撞、防爬和吸能结构(装置),提高机车非常态情况下的安全防护水平。

图7 冷却风扇转速调节特性(阴影为逆变器控制模式的更宽可调速范围)

图8 空压机转速调节特性(逆变器控制模式可提供柴油机全转速范围的恒速控制)

2.4 转向架技术平台的优化与创新

转向架平台可基于成熟的牵引杆或中心销方式、大扭矩驱动装置、分体式单拉杆轴箱结构,根据不同的机车总体要求对悬挂系统、构架强度进行优化设计;根据交流机车牵引力大的特点,深入研究减少车轮踏面和轮缘磨耗的技术手段;同时,针对山区小曲线的运用区间,进一步研究径向转向架技术的应用。

2.5 制动系统平台的优化与创新

制动系统平台可以在目前所采用的体系和构架的基础上,通过对核心软、硬件自主创新和优化设计,进一步提高各模块的集成度和可靠性;进一步研究干燥器位置对制动系统的综合影响。

2.6 辅助系统平台的优化与创新

在完善油、水和通风及其滤清系统性能的基础上,应进一步提高其模块化程度;分离式冷却水系统是优化内燃机车整体布局和冷却、排放性能的更好解决方案;在现有辅助系统的基础上,深入研究针对极端高温、高风沙、高海拔等特殊环境的适应性技术,为我国西部新建线路做好技术储备。

2.7 整车产品技术平台的优化和创新

在上述各系统平台优化与创新的基础上,根据不同的用途、环境、线路要求,形成成熟可靠的各系统平台配置技术方案,并通过良好的标准化、系列化、模块化的系统集成手段和对核心技术的持续研发能力,开发基于大功率交流传动内燃机车平台的系列化交流内燃机车产品。这些机车功率可覆盖2 200～4 400 kW,轴重可以在20～33 t之间,满足干线牵引、调车及小运转的需要。同时,基于交流传动系统及高性能柴油机的技术优势,还可以开展新型燃料和混合动力机车的研究。

在上述各系统平台优化与创新的基础上,进一步提高内燃机车的经济性仍将是整车性能优化和创新的重点。为此,应深入开展机车轮周效率、空载油耗和柴油机燃油消耗率等技术经济性指标的研究与优化;同时,应通过技术提升系统地优化全寿命周期成本,不断地提高机车可用率、可靠性,延长维护周期和降低维护成本。

3 结束语

基于自身的技术优势,建立和不断发展满足市场需求并具有行业领先水平的产品技术平台,是国际先进企业所普遍采用的策略,同时也是提高我国内燃机车的总体设计水平、提升机车整体性能、缩短产品的研发周期和成本、降低研制风险、提高机车市场竞争的必然选择,将为满足我国铁路运输的长期需求和实现机车装备制造业走出去战略起到重要作用,为打造世界知名内燃机车品牌奠定基础,内燃机车。

[1] 王元珠,韩才元.国外机车车辆产品技术平台的发展[J].内燃机车,2007,(2):1-7.

[2] 周宏伟.我国内燃牵引动力国产化工作重点及再创新发展方向[J].铁道机车车辆,2010,30(1):48-53.

[3] 王 强,韩树明.逆变器控制交流辅助传动技术在CKD8D和CKD9型机车上的应用[J].内燃机车,2006,393(11):18-21,29.