满足高温风沙环境的SDD1型内燃机车提升性研究及应用

伍 华，李廉枫，朱延东

(中车资阳机车有限公司，四川 资阳 641301)

0 引言

SDD1型内燃机车是中车资阳机车有限公司为苏丹铁路设计生产的干线客货运窄轨电传动机车，首批5台SDD1型内燃机车为2005年设计制造，于2006年3月正式交付使用[1]。截至2021年底已经出口苏丹26台，承担了克斯汀—喀土穆—苏丹港之间的干线货运牵引任务。沿线风沙严重，起风时，漫天风沙弥漫，全年大部分温度都在40 ℃。机车在投入运用初期，存在侧墙防风沙过滤能力不足、柴油机进气过滤能力不足、室内温度高等问题，影响了运行效果。

1 机车关键技术提升性研究

1.1 高温风沙环境下的柴油机进气系统提升性研究

苏丹国家铁路沿线多风沙，环境恶劣，为保证柴油机增压器进气空气的清洁度，机车柴油机进气系统采用成熟的三级过滤系统和动力除尘方案。原SDD1型机车进气系统由防沙网、粗滤器、纸滤器和排尘风机等组成，原机车进气结构如图1所示。

1—防沙网；2—惯性式粗滤器；3—纸滤器；4—排尘风机；5—弯头。

该进气系统存在的主要问题如下：由于采用卡特空气滤清器，空间布置紧张造成空滤器与柴油机增压器之间新增了2个90°直角流道弯头，导致进气阻力大，不适合运用于苏丹风沙环境，滤芯需要经常进行吹扫清理；惯性式粗滤器、纸滤器在车上为散件安装，安装工作量大，组装工艺难度大；安装在机车两侧走廊上的排尘风机电机，在苏丹高温的运用环境里经常出现电机烧损情况。因此，本文针对以上问题进行了提升性研究。

1.1.1 模块化设计研究

将惯性式粗滤器、纸滤器和流道集成一体，进行模块化设计，如图2所示。2组双筒纸滤器布置在进气单元下方，其上方布置4个惯性式粗滤器，4个惯性式粗滤器设置公共排尘腔道进行集中排尘，2组纸滤器之间设置细滤腔道。进气单元在地面组装后，整体吊装到车上，通过4颗螺栓安装在机车侧墙上，再通过软管与柴油机增压器、侧墙进风道和隔墙排尘道相连，安装简单方便，大大提高了生产效率。同时，进气模块可在车下组装，降低了组装工艺难度并确保了组装质量。

图2 优化后的进气模块组装图

1.1.2 进气阻力优化研究

为了降低进气系统阻力，在进气单元设计时只采用卡特纸滤器，不再采用阻力较大的空滤器壳体，同时采用空间三维流道代替以前的管道结构，减少了2个90°直角流道弯头。通过阻力计算，采用进气单元结构后进气系统的总成阻力为3.86 kPa，比以前方案降低约0.5 kPa。改进优化后的进气系统如图3所示，在没有改变机车走廊通过性的同时降低了进气系统阻力，简化了机车上的组装工艺。同时，将纸滤器的维护保养由以前在主发电机上方进行优化到走廊两侧，极大地方便了纸滤芯的维护保养和更换。

1—防沙网；2—纸滤器；3—粗滤器。

柴油机在满载负荷工况下的对比分析：现车(0001#)试验进气阻力测试值3.81 kPa小于现车理论计算值3.86 kPa，也小于已出厂SDD1型机车进气阻力测试值4.3 kPa。 对比已出厂SDD1型机车，优化后进气阻力值比已出厂SDD1型机车低约0.5 kPa，对比柴油机要求的最大阻力6.2 kPa，富余量由原1.9 kPa提高到2.39 kPa，提高比例约25.8%，改善明显。

1.1.3 除尘通风机优化研究

研制了机械式动力除尘通风机，安装在前变速箱上，由柴油机驱动。除尘通风机转速随柴油机转速变化，除尘通风机通风量随柴油机进气量变化，保证柴油机在不同转速下除尘通风机通风量与柴油机进气量维持在相对固定的比例，以保证惯性式粗滤器引射抽尘率维持在10%～13%的高效滤清区域，惯性式粗滤器始终工作在94%的最高滤清效率点，较大程度地提升了进气单元风沙过滤效率。机械式除尘通风机全为钢结构，不受环境温度影响，解决了电机驱动的排尘风机组在高温运用环境中电机频繁烧损的问题。

1.2 高温风沙环境中车体通风方式适应性研究

原有机车在运用中暴露出车体漏沙的问题，主要有：机车的侧墙防沙滤网与车体不密贴，有闪缝，风沙从缝隙中进入车内；机车主车架上开孔未做好密封处理，机车运行时，风沙从开孔处进入车内。如果机车柴油机废气排放管处，周边闪缝很大，动力间的沙尘主要从此处进入机车。机车电阻制动装置进风口密封不好，造成电气间进沙严重。机车冷却间后牵引电机通风机处，风量需求大，由于侧墙防沙滤网与机车车体不密贴，大量风沙由侧墙进入车内，加上冷却间有油污、水蒸气，这些脏气由风道进入牵引电机造成牵引电机整流柜表面吸附沙尘和油水[2]。

为适应机车在苏丹高温及多风沙的运用环境，机车在运行过程中，柴油机、主发电机、硅整流柜和其他一些电气设备等需要冷却用风来保证机车的正常运转，为此进行了机车车体通风方式的研究。

在苏丹，机车运行环境比较恶劣，机车不但要承受高温、风沙的影响，而且机车在用风清洁度方面也有一定的要求。因此，当机车运用环境为多风沙地区时，须进行防风沙提升设计。优化后的机车车体通风流向如图4所示。

图4 优化后的车体通风图

车体进风采用侧壁进风，靠机车内部负压自然进风，电器室、动力室、冷却室侧壁两侧均设有瓦楞百叶窗，瓦楞百叶窗背后安装有滤器装配，动力室顶棚设有2个车体通风机。虽然瓦楞百叶窗加滤器结构能减少有效通风面积，但为保证进入车体内部空气的清洁度，有效防止风沙树叶等杂物进入车体内部，滤器装配由滤网及可换式滤芯组成，滤器装配安装方式采用快装机构，方便检修。

机车为了适用于高温、风沙大的恶劣的环境中，对散热与防风沙要求高。通过对比西亚国家与非洲沙漠国家客户以往的机车运行情况及公司售后反馈的信息，选取了瓦楞百叶作为机车主要的通风方式，瓦楞百叶具有很好的防风沙效果，能够应对风沙环境。针对原有瓦楞百叶通风弊端面积较小，影响机车高温散热的情况，结合机车总体布局，将侧墙尽可能地全部布置为瓦楞百叶，瓦楞百叶布置面积大了，散热通风量自然上去了。通过对车体通风风量流场计算，车体电气室的进风速度为2.78 m/s，动力室、冷却室进风风速为7.9 m/s，动力室排风速度0.83 m/s，机车车体通风方式能够适应苏丹高温、多风沙的运行环境。

1.3 适应高温、风沙环境的微机控制技术研究

原SDD1型内燃机车采用16位CPU微机系统，该微机控制系统主要包含电源板、辅发板、调速板、驱动板、数字量板、模拟量板、主控板、通信板、继电器板、信号转换板、PRCM和显示屏，需要通过中间继电器配合来进行逻辑控制，并需要配备独立的信号处理板，对信号进行采集和处理。该系统微机拓扑图见图5。

图5 原微机系统拓扑图

原SDD1型机车微机系统存在的问题：微机的警惕功能在用户处多次出现问题；微机使用的显示屏按键不良；微机系统的配件采购周期长，故障率高；微机系统构成复杂，由电源滤波装置、微机控制箱、信号转换板等多硬件构成。

为提升公司自主微机可靠性，增强抗振动能力，提高微机系统散热能力，适应苏丹线路高温、多风沙的运行环境，微机系统主要从以下方面进行优化研究：①强化自主开发设计微机控制系统控制功能，达到微机系统的精准控制。②提升微机箱安装的可靠性，优化微机柜内敏感电子元件的安装方式，增强抗冲击振动的能力。③优化微机柜内的布线，降低导线接插点松动和虚接风险。④提高微机箱的防风沙和散热能力，提升微机控制系统稳定性。⑤新增部分逻辑控制程序替代部分继电器控制，提高机车可靠性。

优化后的微机控制统由G300微机主机、Ⅰ/Ⅱ端显示屏、柴油机控制器ECM等组成，微机系统工作原理图见图6，机车微机系统网络拓扑图见图7。微机箱采用紧凑型G300 3U84R，全铝合金型材组装，无风扇结构。微机控制系统通过对机车上各种信号的采集，实现了机车的牵引控制、故障诊断、故障保护及其他控制功能，提高了机车在高温、风沙环境的适应能力和运行可靠性。

图6 微机系统工作原理

图7 微机系统网络拓扑图

采用新型微机控制系统后，取消了原控制线路中的中间继电器，由微机系统代替中间继电器实现机车的逻辑控制功能，提高机车可靠性的同时也增强了机车整体的防风沙能力。机车微机系统集成了柴油机PRCM的功能，实现了机车在高海拔、高温的运行条件下，自动降低柴油机输出功率的功能，避免因柴油机过载故障而机破，提高了机车在高温环境的适应能力和运行可靠性。

2 其他结构提升性研究

2.1 车体

顶盖结构优化：顶盖轮廓及把接方式调整。

冷却室侧壁结构更改：为解决空压机检修、更换困难的问题，将冷却室侧壁斜撑结构调整，将靠近司机室侧的斜撑取消，预留空压机起吊空间。

车架边梁结构更改：司机室更换成流线型，车架边梁侧板下部分须改成曲面，因侧板厚度为12 mm，工艺成型难度较大，故此次车架改进将边梁侧板拉直，调整与侧板下边缘相接的排障器轮廓，使二者过渡圆滑。

2.2 转向架

构架上焊接的电机吊座由铸件结构简统为钢板焊接结构。

由于原侧梁端部成封闭型结构，焊接工艺性差，侧梁端部结构优化设计后，成开放式结构，提高了侧梁焊接工艺性。构架侧梁原拉杆座结构复杂，焊缝多，焊接工艺性差。拉杆座优化设计后，实现了与HD100B苏丹动车的简统，减少了焊缝，提高了焊接工艺性。

原焊接在车体横梁上整车起吊座，由于车架横梁成不对称布置，转向架整体起吊存在前、后转向架差异。现车整体起吊采用对称结构布置，将车架横梁不对称处的整体起吊座更改为焊接结构件，其他对称位置整体起吊座保持与原设计结构相同，实现了前、后转向架简统。

2.3 空气制动系统

制动系统采用Wabtec公司的26-L型制动机，具备重联功能。针对前几批SDD1型机车运行情况及用户车辆泄漏严重情况，将机车紧急制动方式由原紧急制动改为常用制动，减少列车组在线路上非正常停车时间。

将紧急制动下小闸增压的制动缸压力限制在420 kPa，避免用户因误操作而出现轮对抱死的情况。为提高管路清洁度和外观质量，减少制动故障，原制动管材质由碳钢管改为不锈钢管。对管接头进行简统，将原厂标接头统一为铁标接头，机车端部防尘堵板由固定结构改为可调结构，可实现无火组装。

3 应用效果

2020年9月，中车资阳机车有限公司又获得了27台苏丹SDD1型窄轨货运内燃机车订单，关键技术提升性研究成果全部应用于新制的SDD1型机车上，“中国造”的窄轨内燃机车产品已彻底在苏丹铁路市场扎根，经济和社会效益显著。目前完成研制的23台已发往苏丹，样车实物见图8。

图8 样车实物

4 结语

为更好适应高温风沙环境下窄轨铁路的要求，本文对SDD1内燃型机车关键技术进行提升性研究并取得以下的研究成果。

1)针对沙漠风沙运用环境，研发了模块化进气单元，降低了进气阻力提高空气过滤效率。

2)针对沙漠风沙环境下原有瓦楞百叶存在通风面积较小、防风沙能力不强、机车高温散热能力等问题，结合机车总体布局，研发了一种新型的瓦楞百叶结构，通过优化滤器结构、增加新型瓦楞百叶的安装数量，提升了机车通风散热能力和机车防风沙性能。

3)自主研发了微机控制系统，通过对机车上各种信号的采集，实现对机车的保护、故障诊断及其他控制功能，提高了机车在高温风沙环境的适应能力和运行可靠性。