出口東非某國鐵路內(nèi)燃機(jī)車技術(shù)選型及優(yōu)化提升探討

謝經(jīng)廣 趙 寧 蔣一誠

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司產(chǎn)品設(shè)計部 江蘇 常州 213011)

1 項(xiàng)目背景介紹

非洲東部某國家鐵路項(xiàng)目由國內(nèi)工程公司承建，采用中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是該區(qū)域內(nèi)最重要的鐵路交通干線，也是諸多內(nèi)陸鄰國物資進(jìn)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(shù)等級為國鐵Ⅰ級，軌距為1 435 mm，軸重等級為25 t，采用內(nèi)燃機(jī)車牽引，客運(yùn)最高速度為120 km/h，牽引17節(jié)客車，貨運(yùn)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(jī)車技術(shù)選型的確定

結(jié)合對客運(yùn)機(jī)車運(yùn)行高可靠性要求，機(jī)車在牽引1 100 t客車情況下須滿足在線路坡道12‰處持續(xù)運(yùn)行要求，客運(yùn)列車通過時間期望控制在5 h以內(nèi)，同時需要考慮運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。通過機(jī)車牽引性能計算和整個線路運(yùn)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(jī)車方案進(jìn)行運(yùn)行時間、平均速度和油耗的綜合對比分析，確定客運(yùn)機(jī)車采用5 000 hp機(jī)車。表1為客運(yùn)列車線路運(yùn)行模擬計算的結(jié)果。

表1 客運(yùn)列車線路運(yùn)行模擬計算

綜合對客運(yùn)機(jī)車選型情況以及線路貨運(yùn)規(guī)劃要求、貨物牽引質(zhì)量、牽引速度和經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及后期維護(hù)成本考慮，確定貨運(yùn)機(jī)車與客運(yùn)機(jī)車采用同樣的5 000 hp機(jī)車平臺。

為滿足機(jī)車在當(dāng)?shù)剡\(yùn)用的條件，結(jié)合前期調(diào)研情況，需要結(jié)合目的地國家氣候環(huán)境、環(huán)保要求、生活習(xí)慣、線路情況、維保能力等多方面情況對機(jī)車進(jìn)行全方位優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，提升機(jī)車適應(yīng)性和可靠性，為機(jī)車在當(dāng)?shù)爻晒\(yùn)用打下基礎(chǔ)。

3 機(jī)車總體技術(shù)方案介紹及優(yōu)化提升

兩種機(jī)車裝用相同的16V280ZJA型柴油機(jī)，其中貨運(yùn)機(jī)車裝車功率控制在3 680 kW，客運(yùn)機(jī)車裝車功率控制在3 610 kW；主傳動系統(tǒng)均采用直流傳動，采用微機(jī)控制系統(tǒng)；輔助機(jī)組采用變速箱驅(qū)動，冷卻風(fēng)扇通過靜液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動；貨運(yùn)機(jī)車轉(zhuǎn)向架采用滾動抱軸式轉(zhuǎn)向架，客運(yùn)機(jī)車采用架懸式轉(zhuǎn)向架，有效降低簧下重量，減輕輪軌沖擊力。

3.1 機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)

兩種機(jī)車技術(shù)參數(shù)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(jī)車主要技術(shù)參數(shù)對比

3.2 機(jī)車總體布置

兩種機(jī)車上部布置基本相同，主要為車體及安裝的設(shè)備，車體以五道間壁將其分隔為六室：第I司機(jī)室、電氣室、動力室、冷卻室、輔助室和第Ⅱ司機(jī)室(見圖1)。機(jī)車下部兩端為轉(zhuǎn)向架，貨運(yùn)機(jī)車采用滾動抱軸式轉(zhuǎn)向架，客運(yùn)機(jī)車為適應(yīng)更高速度采用架懸式轉(zhuǎn)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(jī)室

機(jī)車前后對稱布置了2個符合規(guī)范化要求的司機(jī)室，兩司機(jī)室操縱功能相同，其中客運(yùn)機(jī)車司機(jī)室外形采用了流線的現(xiàn)代化設(shè)計。司機(jī)室前方和兩側(cè)設(shè)有玻璃窗，滿足司機(jī)瞭望要求。頂部布置了風(fēng)扇、照明燈、檢修門及空調(diào)進(jìn)出風(fēng)口。前端操縱臺上布置了用于機(jī)車駕駛和控制的設(shè)備，包括制動閥、司機(jī)控制器、控制開關(guān)、按鈕、制動風(fēng)表、微機(jī)顯示屏、監(jiān)控顯示屏等信息控制設(shè)備。另外還布置了冰箱、空調(diào)、飲水器、微波爐、座椅、衣帽鉤和滅火器等生活、安全設(shè)施。

1—司機(jī)室Ⅱ；2—冷卻裝置；3—后傳動裝置；4—柴油機(jī)；5—電阻制動裝置；6—前傳動裝置；7—司機(jī)室Ⅰ；8—車鉤緩沖器；9—低壓電器柜；10—高壓電器柜；11—主發(fā)電機(jī)；12—燃油箱；13—轉(zhuǎn)向架；14—熱交換器； 15—濾清器；16—空壓機(jī)；17—干燥器。圖1 機(jī)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(cè)布置了高壓電氣柜和主硅整流柜，主硅整流柜下方為主發(fā)電機(jī)和主硅整流柜通風(fēng)機(jī)。右側(cè)布置了低壓電氣柜、機(jī)車三項(xiàng)設(shè)備及制動閥類安裝柜、前轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)上方布置微機(jī)控制柜。電氣室兩側(cè)設(shè)置了百葉窗，用于滿足通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)要求。

3.2.3動力室

動力室內(nèi)布置了柴油發(fā)電機(jī)組、前變速箱、勵磁機(jī)、起動發(fā)電機(jī)、測速發(fā)電機(jī)。在柴油發(fā)電機(jī)組左側(cè)布置了兩組燃油泵電機(jī)組、燃油粗濾器，右側(cè)設(shè)有輔助機(jī)油泵電機(jī)組。在左右兩側(cè)壁上布置了空氣濾清器、滅火器和車體通風(fēng)機(jī)。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(cè)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(nèi)部安裝了2套靜液壓馬達(dá)及冷卻風(fēng)扇。下部中間為后變速箱及后轉(zhuǎn)向架牽引電動機(jī)通風(fēng)機(jī)，一側(cè)為機(jī)油熱交換器和空氣壓縮機(jī)組，另一側(cè)為起動機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和空氣壓縮機(jī)組。前間壁下部左右兩側(cè)裝有靜液壓系統(tǒng)油箱，V型冷卻裝置底部為靜液壓系統(tǒng)油空散熱器。

3.2.5輔助室

輔助室上部為雙塔式風(fēng)源凈化裝置和輔助膨脹水箱，后間壁設(shè)有可通車頂?shù)姆鎏?，下部中間設(shè)有手制動傳動裝置和復(fù)軌器。

3.3 機(jī)車牽引性能

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

3.4 適應(yīng)性優(yōu)化提升

結(jié)合目的地國家氣候環(huán)境、環(huán)保要求、生活習(xí)慣、線路情況和后續(xù)檢修維護(hù)工作，對機(jī)車進(jìn)行了以下方面的適應(yīng)性優(yōu)化提升，具體如下：

(1)平臺簡統(tǒng)優(yōu)化

統(tǒng)籌分析客貨運(yùn)機(jī)車技術(shù)要求，在保證機(jī)車性能的前提下，對柴油機(jī)及配套輔助系統(tǒng)、主發(fā)電機(jī)、整流柜、電阻制動、電氣元件、空壓機(jī)、空氣干燥器、空調(diào)等50多項(xiàng)主要零部件進(jìn)行同一平臺簡統(tǒng)，優(yōu)化提升設(shè)計，有效提高機(jī)車可靠性，降低機(jī)車研發(fā)風(fēng)險，并為后續(xù)檢修維護(hù)打下良好基礎(chǔ)。

(2)線路通過能力

對客運(yùn)機(jī)車牽引能力進(jìn)行優(yōu)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(dá)到13.1%，持續(xù)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(jī)車大牽引力的需求。

(3)環(huán)境適應(yīng)性

針對當(dāng)?shù)囟嘤戥h(huán)境，對機(jī)車防水和排水進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化提升設(shè)計，在加大機(jī)車排水能力的同時，對車架等鋼結(jié)構(gòu)部件采用噴砂處理工藝、采用防腐性能更高的達(dá)克羅緊固件，并對空壓機(jī)設(shè)置防機(jī)油乳化的控制策略。

(4)安全性

在機(jī)車前端增加防撞和防爬結(jié)構(gòu)，通過仿真計算該結(jié)構(gòu)滿足TB/T 2541《機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范》要求；針對線路存在大型動物入侵的安全風(fēng)險，優(yōu)化排障器結(jié)構(gòu)，降低風(fēng)險發(fā)生后機(jī)車脫軌的風(fēng)險。在機(jī)車重要部位設(shè)置視頻及防火監(jiān)測系統(tǒng)、使用高可靠性高壓油管并加裝防火罩，設(shè)置轉(zhuǎn)向架軸溫報警系統(tǒng)和通風(fēng)機(jī)失速保護(hù)功能等措施，全方位優(yōu)化提升機(jī)車安全性。

(5)環(huán)保適應(yīng)性

對機(jī)車各系統(tǒng)所使用的墊片、電纜及車體阻尼漿等從材料上提升環(huán)保要求，對機(jī)車上木質(zhì)材料進(jìn)行特殊處理，滿足出口檢驗(yàn)檢疫要求。

(6)可靠性

為進(jìn)一步優(yōu)化提升機(jī)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(tǒng)重聯(lián)水箱，對砂箱的容積進(jìn)行提升，有效優(yōu)化提升機(jī)車在長交路運(yùn)行時的可靠性。

(7)舒適性

配備微波爐、冰箱、桶裝水飲水機(jī)和冷暖空調(diào)，進(jìn)一步提升司乘人員舒適性。

(8)智能化

首次在出口機(jī)車上配備了自主研發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CRD)，系統(tǒng)整合了機(jī)車上的LKJ、TCMS、軸溫等運(yùn)行信息及故障信息，實(shí)現(xiàn)車對地、地對車數(shù)據(jù)采集處理傳輸。該系統(tǒng)主要包括車載子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)和安全防護(hù)子系統(tǒng)等部件，可以對機(jī)車狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)以及機(jī)車日志等進(jìn)行實(shí)時存儲，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車定位、故障報警、實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)點(diǎn)播、機(jī)車電子履歷和統(tǒng)計分析等功能，有效支撐機(jī)車安全運(yùn)行、快速定位故障處理要求，也可為機(jī)車操縱駕駛提供指導(dǎo)，為以后逐步實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)探索、數(shù)據(jù)治理、機(jī)車關(guān)鍵部件的可靠性分析和智能故障診斷打下基礎(chǔ)[1]。

4 結(jié)束語

上述機(jī)車項(xiàng)目在2017年完成了線路運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與前期模擬計算吻合，滿足了線路運(yùn)行規(guī)劃要求，并在當(dāng)年6月份正式投入運(yùn)用。目前貨運(yùn)機(jī)車基本保持在每天開行16對列車，客運(yùn)機(jī)車保持在每天開行2對列車，貨運(yùn)機(jī)車共計運(yùn)行925萬km，客運(yùn)機(jī)車運(yùn)行207萬km，與國內(nèi)機(jī)車對比，其運(yùn)用負(fù)荷率要高于國內(nèi)機(jī)車，但機(jī)車整體運(yùn)行能夠保證良好狀態(tài)，滿足了當(dāng)?shù)罔F路運(yùn)輸需求，有效促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，受到社會廣泛好評。