和諧型機(jī)車關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新及簡統(tǒng)化

查廣軍

(中國鐵路總公司 科技管理部，北京，100844)

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和諧型機(jī)車關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新及簡統(tǒng)化

查廣軍

(中國鐵路總公司 科技管理部，北京，100844)

和諧型機(jī)車在鐵路運(yùn)輸中扮演著重要角色，但其引進(jìn)技術(shù)平臺(tái)較多，并且部分核心技術(shù)未轉(zhuǎn)讓，導(dǎo)致機(jī)車裝備的維護(hù)成本一直居高不下。為有效降低鐵路裝備使用及維護(hù)成本、提高鐵路運(yùn)輸?shù)母偁幜?，需系統(tǒng)研究和諧機(jī)車自主創(chuàng)新和深入推進(jìn)機(jī)車的簡統(tǒng)化工作?？偨Y(jié)分析近年來我國交流傳動(dòng)機(jī)車技術(shù)發(fā)展、和諧型內(nèi)電機(jī)車技術(shù)引進(jìn)、消化吸收及再創(chuàng)新有關(guān)情況，就大功率交流傳動(dòng)和諧型內(nèi)電機(jī)車整車及關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新和簡統(tǒng)化工作進(jìn)行了梳理并對下一步自主創(chuàng)新及簡統(tǒng)化工作的方向提出了建議。

機(jī)車； 核心技術(shù)； 自主創(chuàng)新； 簡統(tǒng)化

近年來，隨著大功率交流傳動(dòng)和諧型內(nèi)電機(jī)車的大批量投入運(yùn)用，中國鐵路牽引動(dòng)力已進(jìn)入交流傳動(dòng)牽引時(shí)代。和諧型機(jī)車完成的牽引工作量已經(jīng)超過直流傳動(dòng)機(jī)車完成的牽引工作量。

為更好滿足鐵路運(yùn)輸牽引需求，保障和諧型機(jī)車可靠運(yùn)用，降低運(yùn)用檢修成本，原鐵道部及中國鐵路總公司組織南、北車集團(tuán)所屬相關(guān)企業(yè)和科研院所等，圍繞和諧型機(jī)車關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新和簡統(tǒng)化開展了一系列科研攻關(guān)，取得了許多重大科技成果并付諸應(yīng)用，同時(shí)對今后一段時(shí)期的工作提前進(jìn)行了謀劃。本文就和諧型機(jī)車關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新及簡統(tǒng)化工作進(jìn)行簡要梳理回顧，并對下一步工作提出建議。

1 和諧交流傳動(dòng)機(jī)車現(xiàn)狀

目前，已在中國鐵路投入批量運(yùn)用的和諧型交流傳動(dòng)內(nèi)燃、電力機(jī)車共有以下車型：HXD1、HXD2型8軸9 600 kW交流傳動(dòng)電力機(jī)車，HXD1B、HXD2B、HXD3B型6軸9 600 kW交流傳動(dòng)電力機(jī)車，HXD1C、HXD2C、HXD3、HXD3C型6軸7 200 kW交流傳動(dòng)電力機(jī)車，HXD1D、HXD3D型6軸7 200 kW交流傳動(dòng)快速客運(yùn)電力機(jī)車；HXN3、HXN5型6軸4 410 kW(6 000馬力)交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車；HXN3B、HXN5B型6軸3 234 kW(4 400馬力)交流傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車[1-3]。正在研發(fā)和運(yùn)用考核中的有HXD1F、HXD2F兩種30 t軸重8軸9 600 kW交流傳動(dòng)電力機(jī)車、交流傳動(dòng)快速客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車、8軸交流傳動(dòng)快速客運(yùn)電力機(jī)車及高原型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車等。

以上和諧型機(jī)車中，早期的HXD1、HXD2、HXD3、HXN3、HXN5型機(jī)車為技術(shù)引進(jìn)、聯(lián)合設(shè)計(jì)、分階段國產(chǎn)化；HXD1B、HXD2B、HXD3B型機(jī)車為整車自主系統(tǒng)集成和制造、部分關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)引進(jìn)或中外合作；HXD1C、HXD2C、HXD3C型機(jī)車為完全自主設(shè)計(jì)制造。

近期對HXD1、HXD2、HXD3等型機(jī)車的牽引變流器和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了自主研發(fā)替代，更充分地實(shí)現(xiàn)了整車的自主化。

2 機(jī)車關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新

為全面深入掌握交流傳動(dòng)機(jī)車關(guān)鍵核心技術(shù)，鐵路系統(tǒng)近年來組織開展了一系列科研攻關(guān)，在許多領(lǐng)域取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

2.1 機(jī)車整車集成

目前，我國鐵路機(jī)車制造企業(yè)已完全自主掌握了交流傳動(dòng)內(nèi)燃、電力機(jī)車系列車型的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，具備根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)對應(yīng)的機(jī)車能力，如大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司(簡稱：同車公司)和南車株洲電力機(jī)車有限公司(簡稱：株機(jī)公司)生產(chǎn)的針對晉中南通道使用的30 t軸重HXD1F,HXD2F機(jī)車，整車系統(tǒng)集成能力和技術(shù)水平已跨入國際先進(jìn)行列。

2.2 牽引與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

國內(nèi)相關(guān)單位已自主研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的牽引與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，完成了相關(guān)型式試驗(yàn)和運(yùn)用考核。

如HXD1引進(jìn)原型車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用德國西門子公司的SIBAS32網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，列車級采用WTB網(wǎng)絡(luò)，車輛級采用MVB網(wǎng)絡(luò)，為兩級總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，牽引系統(tǒng)采用西門子系統(tǒng)[1]。國產(chǎn)化HXD1及HXD1C、HXD1D型機(jī)車采用南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司(株洲所)的DTECS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，牽引系統(tǒng)采用株洲所系統(tǒng)。

HXD2引進(jìn)原型車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用的是法國阿爾斯通FIP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通信結(jié)構(gòu)分為兩級：車輛級通信和列車級通信，對應(yīng)的FIP網(wǎng)也分為兩級：FIP車輛網(wǎng)(FIPV網(wǎng))和FIP列車網(wǎng)(FIPT網(wǎng))，牽引系統(tǒng)整體采用阿爾斯通系統(tǒng)[2]。

國產(chǎn)化HXD2及HXD2C、HXD2F機(jī)車采用北車大連機(jī)車研究所有限公司具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的北車心網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，車與車之間采用WTB進(jìn)行信息傳輸。通過TCNGW網(wǎng)關(guān)完成列車級信息與車輛級信息的轉(zhuǎn)換；牽引系統(tǒng)采用北車心系統(tǒng)，并根據(jù)運(yùn)用需求，將輪周功率從引進(jìn)原型車的10 000 kW降為9 600 kW。

2.3 微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)

株機(jī)公司、北車青島四方車輛研究所有限公司和北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司分別研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DK-2型、JZ-8型和CAB型微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)。其中DK-2型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)已完成研發(fā)，通過了中國鐵路總公司組織的技術(shù)評審，并已在HXD1、HXD1C、HXD1D機(jī)車上批量裝車應(yīng)用。JZ-8型和CAB型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)已通過鐵路總公司組織的裝車試用評審，正在組織運(yùn)用考核。

雖然新研制的各型號機(jī)車制動(dòng)機(jī)在控制技術(shù)及模塊化程度上存在差異，但它們?nèi)匀粸殍F路機(jī)車車輛行業(yè)自主創(chuàng)新的標(biāo)志性產(chǎn)品，完全能滿足電力、內(nèi)燃機(jī)車對機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的操縱、控制和安全性能的要求，可替代目前占領(lǐng)我國機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)市場的進(jìn)口產(chǎn)品，降低機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用與維護(hù)成本，減少對進(jìn)口設(shè)備的依賴性，打破國際巨頭技術(shù)壟斷，符合當(dāng)代中國鐵路自主創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展的要求。針對現(xiàn)有制動(dòng)機(jī)在運(yùn)用中出現(xiàn)的問題及簡統(tǒng)化需要，國內(nèi)廠家著手研制下一代制動(dòng)機(jī)，其主要特點(diǎn)[3]如下：

(1)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，板式安裝，便于維護(hù)和檢修。

(2)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸制動(dòng)指令。

(3)系統(tǒng)主要模塊采用冗余設(shè)計(jì)。

(4)操作簡單、易行。

(5)系統(tǒng)具備500,600 kPa兩種定壓模式，能滿足客、貨運(yùn)，具有補(bǔ)風(fēng)及階段、一次緩解功能。具有斷鉤保護(hù)等功能。

(6)解決現(xiàn)有制動(dòng)機(jī)運(yùn)用存在的問題。

2.4 大功率機(jī)車車輪

中國鐵路總公司組織中國鐵道科學(xué)研究院(簡稱：鐵科院)、馬鋼集團(tuán)公司等單位，進(jìn)行了大功率機(jī)車車輪運(yùn)用情況調(diào)研，國內(nèi)外車輪技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)分析，輪軌關(guān)系和車輪結(jié)構(gòu)及可靠性研究，車輪材料及制造工藝研究及工業(yè)化試制，車輪實(shí)物綜合性能分析檢測，整體輾鋼機(jī)車車輪技術(shù)條件制定。對試制的大功率機(jī)車車輪完成了兩個(gè)階段24臺(tái)和諧型機(jī)車308片車輪的裝車運(yùn)用考核。目前已通過中國鐵路總公司組織的技術(shù)評審，已在逐步裝車應(yīng)用。太原重工股份有限公司也已試制了部分車型的機(jī)車車輪，準(zhǔn)備裝車進(jìn)行運(yùn)用考核。

2.5 內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)

隨著6 000馬力大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車的技術(shù)引進(jìn)及國產(chǎn)化，結(jié)合國內(nèi)既有機(jī)車用柴油機(jī)研發(fā)制造技術(shù)基礎(chǔ)和對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收再創(chuàng)新，自主研發(fā)的12缸280及265柴油機(jī)已完成研制，已在HXN5B和HXN3B型4 400馬力交流傳動(dòng)內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車上裝車應(yīng)用。這兩種柴油機(jī)的研制也為4 400馬力中等功率等級系列內(nèi)燃機(jī)車技術(shù)平臺(tái)的搭建奠定了基礎(chǔ)。

2.6 和諧型內(nèi)電機(jī)車油脂

中國鐵路總公司組織鐵科院與國內(nèi)石化系統(tǒng)合作，開展技術(shù)研究，對各種型號的和諧型內(nèi)燃、電力機(jī)車所用的各種進(jìn)口油脂進(jìn)行全面研究開發(fā)，目的是實(shí)現(xiàn)完全自主替代。現(xiàn)已對柴油機(jī)油、齒輪油、壓縮機(jī)油、變壓器油、軸承脂等進(jìn)行了配方篩選研究、臺(tái)架試驗(yàn)，已完成在幾十臺(tái)和諧型內(nèi)燃、電力機(jī)車上進(jìn)行的裝車對比運(yùn)用考核，2014年通過了中國鐵路總公司組織的技術(shù)評審。

2.7 和諧型機(jī)車安全保障技術(shù)

中國鐵路總公司組織鐵科院、信息技術(shù)中心等單位研發(fā)的機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))和機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))可實(shí)現(xiàn)機(jī)車走行部、空氣制動(dòng)、高壓絕緣、列車供電、防火監(jiān)控、視頻監(jiān)視等安全防護(hù)，以及機(jī)車狀態(tài)信息、報(bào)警信息及運(yùn)行監(jiān)控信息的匯總分析、車地傳輸和地面綜合應(yīng)用。已在和諧型機(jī)車批量裝車應(yīng)用。為和諧型機(jī)車的安全可靠運(yùn)用和方便維護(hù)檢修提供了技術(shù)支持。

2.8 其他關(guān)鍵核心技術(shù)自主化

和諧型機(jī)車其他關(guān)鍵核心技術(shù)，如車體、轉(zhuǎn)向架、牽引變壓器、牽引電機(jī)、輔助系統(tǒng)、受電弓、高壓電器等，在大功率機(jī)車技術(shù)引進(jìn)之前，國內(nèi)已具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)，近幾年，結(jié)合引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新以及中國鐵路和諧型機(jī)車的大量生產(chǎn)和運(yùn)用，這些關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)水平得到進(jìn)一步提升，完全具備自主設(shè)計(jì)制造能力。

3 和諧型機(jī)車簡統(tǒng)化

隨著和諧型機(jī)車品種型號的逐步增多，機(jī)車簡統(tǒng)化工作的重要性更加凸顯。為便于和諧型機(jī)車的運(yùn)用乘務(wù)和檢修維護(hù)，鐵路總公司正在積極推進(jìn)和諧型機(jī)車簡統(tǒng)化工作。

(1)和諧型機(jī)車目前在車輪直徑及踏面外型、車鉤及安裝高度、網(wǎng)壓適應(yīng)范圍、受電弓等高壓電氣性能指標(biāo)、車體強(qiáng)度等方面已實(shí)現(xiàn)簡統(tǒng)化。

(2)機(jī)車運(yùn)用操作、檢修及整備接口正逐步進(jìn)行簡統(tǒng)。目前，在速度160 km/h交流傳動(dòng)客運(yùn)電力機(jī)車及研發(fā)中的30 t軸重交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車上，已基本實(shí)現(xiàn)不同廠家的機(jī)車在司機(jī)室布局及功能、控制及保護(hù)功能、檢修及整備接口、電氣重聯(lián)控制及互聯(lián)互通等方面的簡統(tǒng)。

(3)正在推進(jìn)機(jī)車重要系統(tǒng)及部件互換。目前，同廠家同型號機(jī)車、同廠家不同型號機(jī)車、不同廠家同平臺(tái)機(jī)車，在部分車型上分別進(jìn)行了牽引、制動(dòng)系統(tǒng)和受電弓、車鉤等部件的整體互換，以及輪軸驅(qū)動(dòng)、牽引電機(jī)、變流器模塊、高壓電器、控制等系統(tǒng)的統(tǒng)一，同時(shí)，部分車型間正在推進(jìn)鉤緩裝置、高壓安全聯(lián)鎖裝置、制動(dòng)盤和閘片、車輪毛坯、軸箱軸承等互換。

針對各主要系統(tǒng)的特點(diǎn)，需制定不同部件互換推進(jìn)方案。以HXD3系列機(jī)車牽引系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。HXD3系列機(jī)車牽引系統(tǒng)參數(shù)如表1[4-5]所示。

表1 大功率HXD3系列電力機(jī)車牽引系統(tǒng)參數(shù)

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高壓電器簡統(tǒng)化，根據(jù)HXD3系列電力機(jī)車牽引系統(tǒng)可知：從機(jī)車單軸功率等級來看有1 200 kW和1 600 kW兩種；中間電壓等級均為2 800 V；開關(guān)器件均為IGBT 4.5 kV；從中間回路結(jié)構(gòu)方式來看有獨(dú)立中間回路和共用中間回路兩種。既有機(jī)車牽引變流器基本保持了參數(shù)一致性，但是由于機(jī)車功率不同，軸數(shù)不同，有無諧振電抗器的不同及安裝機(jī)械接口不同，實(shí)現(xiàn)簡統(tǒng)化也比較困難。但后續(xù)新型機(jī)車則可以根據(jù)軸功率、軸數(shù)研制，從而滿足變流器或功率模塊的簡統(tǒng)化要求[5]。

對于后續(xù)車型，牽引系統(tǒng)簡統(tǒng)化可以按如下方案：

高壓電器部分：根據(jù)機(jī)車總功率、最高允許速度進(jìn)行選型簡統(tǒng)。

牽引變壓器：根據(jù)機(jī)車軸式、電壓等級、配置結(jié)構(gòu)逐步形成系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性能參數(shù)變壓器的簡統(tǒng)化、系列化，減少不必要的重復(fù)開發(fā)。

牽引變流器：根據(jù)中間電壓等級、組合形式(主、輔集成)、冷卻塔形式進(jìn)行簡統(tǒng)化設(shè)計(jì)，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)TCU單元、功率模塊、冷卻單元等部件的簡統(tǒng)化。

功率模塊：從功率模塊的角度，采取模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、簡統(tǒng)化設(shè)計(jì)，在相同等級的電壓和容量下，功率模塊的輸入輸出參數(shù)一致，均可采用簡統(tǒng)化設(shè)計(jì)。

牽引電機(jī)：根據(jù)變流器中間電壓等級、功率等級、機(jī)車速度等級進(jìn)行簡統(tǒng)化設(shè)計(jì)。

4 下一步工作

4.1 核心技術(shù)自主化

下一步將針對機(jī)車軸承、內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)電噴控制、增壓器等關(guān)鍵技術(shù)及交流傳動(dòng)機(jī)車相關(guān)檢修技術(shù)組織自主創(chuàng)新科研攻關(guān)，更全面深入地實(shí)現(xiàn)交流傳動(dòng)機(jī)車各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的自主化和早期引進(jìn)產(chǎn)品、特別是易損易耗品的高水平自主替代。

4.2 簡統(tǒng)化

機(jī)車簡統(tǒng)化下一步還將就關(guān)鍵系統(tǒng)及重要部件研究確定統(tǒng)型方案，在互聯(lián)互通、運(yùn)用操作、檢修整備、部件互換、控制邏輯、安全設(shè)施等方面進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)接口簡統(tǒng)和內(nèi)電互通。

5 結(jié)束語

和諧型機(jī)車自主創(chuàng)新和簡統(tǒng)化工作得到了鐵路系統(tǒng)和行業(yè)研發(fā)制造單位的高度重視，投入了相當(dāng)多的人力、物力和資金支持推進(jìn)各項(xiàng)工作，取得了顯著成效，當(dāng)然也還有很多后續(xù)工作需要不斷深化擴(kuò)展和進(jìn)一步提升。和諧型機(jī)車自主化和簡統(tǒng)化水平的提高，將對中國鐵路牽引動(dòng)力的技術(shù)升級、運(yùn)營效率的改善、運(yùn)營維護(hù)成本的降低、安全可靠性的強(qiáng)化及中國鐵路自主技術(shù)裝備走出去等提供堅(jiān)實(shí)有力的技術(shù)保障。

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Indigenous Innovation and Simplification of core technologies on HX-type Locomotive

ZHAGuangjun

(Department of Technology Management, China Railway Corporation, Beijing 100844,China)

HX-type locomotive plays an important role in our railway transportation. However the introduced technology platforms are diverse and some of the core technologies are not transferred, resulting in the high maintenance cost of the locomotive equipment. To effectively reduce the cost of the railway equipment using and maintenance also improve the competitiveness of the rail transport, there needs to systematically study on Indigenous Innovation and promote the Simplification of HX-type Locomotive. This paper analyzes the recent technology development of AC drive locomotive, the introduction, absorption and re-innovation situation of the HX-Type locomotive as well as the core technology innovation and simplification of HX-type high power AC drive diesel and electrical locomotive. Moreover it gives recommendations for future works of innovation and simplification.

locomotive; core technologies; Indigenous Innovation; Simplification

1008-7842 (2015) 03-0063-03

??)男，高級工程師(

2015-05-04)

U262.0，U264.0

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.15