卡特柴油機(jī)在攀鋼內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力改造中的研究及應(yīng)用

金造權(quán)

（攀枝花鋼釩有限責(zé)任公司物流中心，四川 攀枝花 617000）

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

鐵路運(yùn)輸在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，在國(guó)家物流運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著重要角色。攀鋼物流中心現(xiàn)配備內(nèi)燃機(jī)車48臺(tái)，其中180型柴油機(jī)機(jī)車27臺(tái)，約占56%，最早于1987年投用，平均使用年限已超過20年，絕大部分機(jī)車已進(jìn)入報(bào)廢期。目前該類機(jī)車柴油機(jī)嚴(yán)重老化，故障頻繁，其中柴油機(jī)故障占機(jī)車故障80%以上，且備件采購困難，維護(hù)檢修成本較高。

資料表明，歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)舊車均采取局部改造的方式使舊車換新顏。通過充分挖掘舊車潛力，從而達(dá)到降低了投資成本的同時(shí)提高使用效率的目的。美國(guó)從上世紀(jì)末就開始著手實(shí)施機(jī)車改造工作，一般舊改新的投入成本為新造機(jī)車總價(jià)的40%～60%左右，通常情況下，經(jīng)改造后的機(jī)車可以繼續(xù)使用約15年，接近一臺(tái)機(jī)車的一個(gè)壽命周期。

而國(guó)內(nèi)對(duì)老舊機(jī)車進(jìn)行改造的研究較少，而通過采購新型柴油機(jī)對(duì)原舊機(jī)車進(jìn)行改造，一方面可節(jié)約高額固定資產(chǎn)投資，另一方面可延長(zhǎng)機(jī)車的使用壽命10年以上。因此，對(duì)工礦企業(yè)來說，改進(jìn)舊機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)延長(zhǎng)其使用壽命的研究和探索是十分必要的。

2 內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)思路

改造對(duì)象采用攀鋼1987年購置的DFH5型內(nèi)燃機(jī)車，首先根據(jù)DFH5型內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力及傳動(dòng)配置參數(shù)篩選與之匹配的柴油機(jī)，然后需要根據(jù)新型柴油機(jī)的參數(shù)配置對(duì)原機(jī)車未改造的傳動(dòng)、電氣、循環(huán)系統(tǒng)等進(jìn)行驗(yàn)算，滿足機(jī)車整體輸出功率不降低，同時(shí)兼顧減少故障點(diǎn)以及節(jié)能降耗的目的。

2.1 DFH5B機(jī)車基本參數(shù)（表1）

表1 DFH5B型機(jī)車基本參數(shù)

2.2 柴油機(jī)選型

本次機(jī)車改造的基本原則就是在滿足機(jī)車性能前提之下，做到最大限度的不變動(dòng)。液力傳動(dòng)箱最好不做變動(dòng)調(diào)整，因此柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速及功率要盡可能的與原裝12V180ZJ型柴油機(jī)保持一致。在綜合考慮性價(jià)比、可靠性等因素后，傾向裝用CAT公司的3508C-DM8758型柴油機(jī)（特性曲線如圖1）完全滿足了DFH5B機(jī)車的裝車要求。

圖1 3508C-DM8758型柴油特性曲線

該型柴油機(jī)是V型、8缸、增壓、空氣中間冷卻、電子控制噴射、缸徑170mm、行程190mm的高速柴油機(jī)。該型柴油機(jī)擁有先進(jìn)的電子系統(tǒng)，新的電子控制泵噴嘴燃油系統(tǒng)，以及改良的活塞和凸輪軸，比一般同級(jí)柴油機(jī)節(jié)省10～20%的油耗。再加上采用的排氣裝置，更能降低排煙，有效地減少排氣中有害氣體的含量，使其排放達(dá)到EUROII標(biāo)準(zhǔn)水平。

CAT3508C型柴油機(jī)擁有先進(jìn)的電子監(jiān)控系統(tǒng)，通過外接軟硬件，建立柴油機(jī)運(yùn)行模型、檢查運(yùn)行狀態(tài)并自行診斷、顯示故障的起因，從而確保柴油機(jī)更加安全可靠地進(jìn)行工作。

2.3 功率計(jì)算

（1）機(jī)車輔助功率。

效率選取：

萬向軸η萬=0.993；圓柱齒輪η圓=0.985；錐齒輪η錐=0.97；耦合器η耦=0.95。

換算到柴油機(jī)曲軸上的功率為：

（a）輔助電機(jī)：N電=31kW

（b）控制泵：4馬力

（c）供油泵：N供=20.7馬力

（d）風(fēng)扇：90馬力

N輔=43.4+4+22.15+98.9=168.45馬力

上述幾項(xiàng)同時(shí)進(jìn)行工作機(jī)會(huì)較少，故取其2/3作為本機(jī)車的輔助功率。即N輔=112.3馬力=82.57kW。

（2）傳動(dòng)箱特性。

（a）變扭器泵輪吸收功率NB：

柴油機(jī)裝車功率：N柴=920kW

NB=（N柴-N輔）×η萬×η圓=（920-82.57）×0.993×0.985=819kW

（b）用B45作為起動(dòng)變扭器，其有效直徑DⅠ=0.485m；B85作為運(yùn)轉(zhuǎn)變扭器，其有效直徑DⅡ=0.38m

（d）在此泵輪轉(zhuǎn)速下，泵輪吸收功率NB：

式中：γ=830kg/m3（工作油90°時(shí)的重度）

起動(dòng)變扭器取i=0.45時(shí)的λB=0.67×10-6作為計(jì)算點(diǎn)。

（3）機(jī)車功率。

ZJ2011型液傳箱泵輪標(biāo)定吸收功率：714kW

N機(jī)=N輔+NB=82.57+714=796.57kW＜920kW

故裝用3508C-DM8758型柴油機(jī)，在轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)柴油機(jī)功率有13.4%的冗余。因此，裝用CAT3508C-DM8758型柴油機(jī)功率完全滿足ZJ2011型液傳箱吸收功率等級(jí)。

2.4 柴油機(jī)輔助系統(tǒng)

（1）柴油機(jī)組安裝。柴油機(jī)先通過油底殼安裝孔安裝于兩個(gè)自制的安裝架上，再通過4個(gè)橡膠彈性支座固定于車架上以減少和消除由柴油機(jī)傳遞到車架的振動(dòng)力和由車架傳遞到柴油機(jī)的振動(dòng)。柴油機(jī)輸出端與傳動(dòng)箱的聯(lián)結(jié)選用BC41/7.5/140型高阻尼簧片式聯(lián)軸節(jié)以緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能。

（2）燃油系統(tǒng)。燃油系統(tǒng)主要由燃油箱、油水分離器、燃油管路等組成，并與柴油機(jī)本身的內(nèi)部燃油系統(tǒng)形成一個(gè)完整的供油系統(tǒng)。根據(jù)柴油機(jī)對(duì)油品的要求，在燃油進(jìn)柴油機(jī)前的管路中設(shè)油水分離器，以除去燃油中的水分及雜質(zhì)。

（3）進(jìn)氣系統(tǒng)。車內(nèi)自然吸氣。采用CAT柴油機(jī)自帶空濾器，其性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但存在進(jìn)氣溫度過高、空氣清潔度不足降低紙濾器的壽命等風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此問題，建議先按此方案實(shí)施，機(jī)車試運(yùn)中如若出現(xiàn)上述問題，可以增加防沙網(wǎng)及慣性式空氣濾清器。

（4）排氣系統(tǒng)。排氣采用一個(gè)90°彎頭（CAT配件）將增壓器排氣口引向車體頂蓋。根據(jù)CAT公司人員建議，將排氣管道分為獨(dú)立的兩路，以排除異物落入排氣管道同時(shí)對(duì)左右兩邊增壓器等柴油機(jī)部件的損壞可能。

（5）冷卻裝置。3508C水系統(tǒng)只有一個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口，高溫水系統(tǒng)設(shè)有恒溫閥，水溫達(dá)到84℃時(shí)開始動(dòng)作，92℃時(shí)全開參與循環(huán)。初步散熱計(jì)算3508C柴油機(jī)裝用23節(jié)散熱器（散熱量約41kW/節(jié)）及裝用現(xiàn)車的額定轉(zhuǎn)速1680r/min的φ1280mm的軸流式風(fēng)扇，即能滿足散熱條件。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

主要涉及機(jī)車邏輯控制的編程和柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)編程，從新柴油機(jī)上引出轉(zhuǎn)速、油壓、油溫等傳感器數(shù)據(jù)線，引入中控電氣柜中的PLC控制單元經(jīng)程序運(yùn)算后輸出相應(yīng)控制指令，完成相應(yīng)部分改造。

3 改造后效果

（1）運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。柴油機(jī)運(yùn)行低噪穩(wěn)定，整車系統(tǒng)穩(wěn)定；杜絕了最常見的柴油機(jī)漏水、漏油、漏氣故障。

（2）節(jié)能顯著。相同轉(zhuǎn)速，原車柴油機(jī)為12缸V型180mm缸徑，新柴油機(jī)為8缸直列170mm缸徑，機(jī)車輸出功率較原車略有增加，且低轉(zhuǎn)速輸出功率增加明顯；通過3個(gè)月實(shí)測(cè)，較改進(jìn)前單位油耗降低10%～20%。

（3）維護(hù)保養(yǎng)方便。柴油機(jī)自帶故障診斷提示系統(tǒng)，集成多項(xiàng)柴油機(jī)參數(shù)傳感器，可與司機(jī)室終端連接，清楚反映柴油機(jī)運(yùn)行各部狀態(tài)；維護(hù)頻次少，節(jié)約檢修物耗及人工成本。柴油機(jī)部分大、中修可延長(zhǎng)近一倍檢修周期。

4 結(jié)語

目前我國(guó)工礦冶金企業(yè)在線機(jī)車普遍以內(nèi)燃機(jī)車為主，許多上世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)車仍處于修和換的糾結(jié)之中。結(jié)合攀鋼針對(duì)DFH5型內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)改造的研究與應(yīng)用實(shí)例，探索出一條內(nèi)燃機(jī)車改造的新道路。