我國內(nèi)燃牽引動力國產(chǎn)化工作重點及再創(chuàng)新發(fā)展方向

周虹偉

(中國鐵道科學研究院 鐵道技術(shù)研修學院,北京100081)

按照國務院“引進先進技術(shù),聯(lián)合設計生產(chǎn),打造中國品牌”的總體要求,我國鐵路內(nèi)燃牽引動力技術(shù)發(fā)展,依托和諧型內(nèi)燃機車設計、制造,建立起世界先進的技術(shù)平臺,機車柴油機單機功率和強化程度進一步提高,采用燃油電控噴射方式和模塊化設計結(jié)構(gòu),排放性能及可靠性指標顯著提高,實現(xiàn)了單機功率大、綠色環(huán)保和高可靠性的要求。

1 國內(nèi)新型大功率機車柴油機的主要技術(shù)特點

1.1 新型大功率機車柴油機技術(shù)平臺

新型大功率機車柴油機選用V型16缸、4沖程、渦輪增壓、電控噴射、中速柴油機。柴油機額定功率4 660 kW,排放指標達到EPA Tier2標準要求,最低有效油耗率低于200 g/(kW?h),其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 新型機車柴油機主要技術(shù)參數(shù)

新型大功率機車柴油機技術(shù)平臺提升了國內(nèi)機車柴油機技術(shù)水平[1],即提高了柴油機平均有效壓力和強化系數(shù),使其由國內(nèi)既有批量機車柴油機的1.8 MPa和17.1提高到2.1 MPa和23.7;柴油機大修周期由90萬km,提高到180萬km;柴油機燃油電控噴射系統(tǒng)得到批量使用。柴油機電控系統(tǒng)與機車控制系統(tǒng)形成完整的發(fā)動機管理系統(tǒng),既優(yōu)化了柴油機性能,又提高了柴油機故障診斷和保護能力;標定工況下的柴油機燃油消耗率,由208～204 g/(kW?h),在滿足更為嚴格的排放指標前提下,降低到200 g/(kW?h)左右;柴油機單位功率質(zhì)量比由6.2～7.8 kg/kW降低到5.4 kg/kW左右。

1.2 新型大功率機車柴油機技術(shù)與結(jié)構(gòu)特點

(1)16V 265H柴油機技術(shù)與結(jié)構(gòu)特點

16V 265H型中速柴油機采用鑄造機體和動力組模塊,中置分段式單凸輪軸配搖臂隨動機構(gòu)、鍛鋼曲軸、焊接式平衡塊,柴油機采用壓縮空氣啟動方式,增壓器支撐與機體鑄成一體,中冷器布置在機體兩側(cè)。

(2)GEVO16柴油機技術(shù)與結(jié)構(gòu)特點

GEVO16中速柴油機采用鑄造機體和動力組模塊,分段組合式凸輪軸和鋼頂、鋁裙、鑄鐵活塞銷座3件套鉸接式活塞,半干式氣缸套,鍛鋼曲軸、焊接式平衡塊;增壓器、進氣管、進水管、進油管和泵體集成安裝在機體前端蓋上;冷卻水系統(tǒng)采用單水泵設計方案。

2 機車柴油機國產(chǎn)化工作重點

新型大功率機車柴油機在新的技術(shù)平臺上,為確保批量產(chǎn)品技術(shù)性能與可靠性的全面提升,尚需加強關(guān)鍵部件國產(chǎn)化工作,強化柴油機整機與部件試驗。

2.1 新型大功率機車柴油機關(guān)鍵部件

(1)整鑄機體

新型大功率機車柴油機使用整鑄機體,以提高其整體性能和壽命。機體受力復雜,內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)多、壁厚相差大,且精度要求高,相應對材料力學性能、加工和測量均提出很高的要求。國內(nèi)既有 16V 240ZJ和16V 280ZJ系列機車柴油機機體均采用鑄焊結(jié)構(gòu),主機廠對整鑄機體制造尚無成熟生產(chǎn)經(jīng)驗,在國產(chǎn)化批量生產(chǎn)中,需加強鑄造工藝研究,確保鑄造質(zhì)量和加工精度。

(2)動力組

動力組模塊集成了氣缸蓋、加強套、氣缸套、活塞和連桿等部件,既有效提高了柴油機的可靠性,又提高了柴油機組裝工作效率,便于整體更換與維修。國內(nèi)既有批量生產(chǎn)的機車柴油機從未采用此結(jié)構(gòu),需要進一步加強設計理念的理解和制造工藝研究,如薄壁加強套因結(jié)構(gòu)較為復雜、要求高、薄壁易變形等因素影響,不但有很大的制造難度,而且無可借鑒的加工經(jīng)驗;鉸接式3件套活塞,采用鋼頂、鋁裙、鑄鐵活塞銷座,結(jié)構(gòu)設計更為合理,但為滿足高機械負荷、熱負荷和長期使用壽命的要求,材料性能及加工要求更高,同時還要確保氣缸套與活塞、活塞環(huán)的整體匹配性能。

(3)曲軸

采用合金鋼整體鍛造而成,平衡塊焊接在曲柄臂上,曲柄斜面及外形擠壓后不要求加工,與以往國內(nèi)批量生產(chǎn)的機車柴油機曲軸平衡塊采用螺栓連接和球鐵鑄造或全纖維擠壓毛坯再加工的方式和要求不同。該平衡塊布置方式不但有利于減輕曲軸質(zhì)量,而且可以提高軸系自振頻率,有利于減小柴油機扭轉(zhuǎn)振動,但焊接和曲軸鍛壓成型工藝要求高。

(4)凸輪軸

與國內(nèi)既有批量生產(chǎn)的機車柴油機凸輪軸不同,新型機車柴油機均采用單缸分段式凸輪軸,便于安裝和檢查,但對兩端面孔的位置度、法蘭端面跳動和相對公共軸線的垂直度提出了更高的要求。

(5)集成式前端蓋

集成式整體前端蓋系薄壁箱體鑄件,箱體上集成了中冷器、水泵、潤滑油泵安裝座,以及空氣、冷卻水、潤滑油通道,極大簡化了柴油機的外部管路,但薄壁箱體鑄造和加工工藝要求高。

(6)濾清器及軸承等配件

柴油機“3濾”(燃油濾清器、潤滑油濾清器和空氣濾清器)及軸承等對柴油機可靠性和壽命有極大影響,以往國內(nèi)既有批量生產(chǎn)的機車柴油機常常因為“3濾”質(zhì)量問題而導致柴油機摩擦副的異常磨損和損壞。新型大功率機車柴油機采用電控噴油系統(tǒng)后,對燃油濾清質(zhì)量要求更高,濾清精度不能低于5μm;軸承因柴油機功率和強化程度的提高而需要有更高的質(zhì)量。因此,在注重柴油機改進主要部件結(jié)構(gòu)和提高性能的同時,還要關(guān)注柴油機濾清器及軸承等配套件技術(shù)的發(fā)展。

2.2 柴油機試驗

新型大功率機車柴油機隨著功率和強化程度的提高及高可靠性的要求,進一步加強柴油機整機和零部件試驗十分必要。以往國內(nèi)批量生產(chǎn)的機車柴油機認證試驗主要是按與UIC等效的鐵道行業(yè)標準(TB)完成規(guī)定的100 h性能試驗和360 h耐久試驗,相應超負荷試驗按110%超負荷累計運轉(zhuǎn)1 h[2],相比北美要求新產(chǎn)品完成350 h和700 h試驗及120%超負荷工況要求低。為確保柴油機可靠性要求,提高柴油機試驗標準要求有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3 再創(chuàng)新發(fā)展方向

3.1 核心部件研發(fā)

(1)高性能與高可靠性增壓器研究

增壓器是柴油機的核心關(guān)鍵部件之一,其性能與可靠性制約柴油機整機性能與可靠性。國內(nèi)既有批量生產(chǎn)的主型機車柴油機增壓器始終是其可靠性的薄弱環(huán)節(jié)[3]。為適應新型機車柴油機發(fā)展和型譜化發(fā)展要求,國內(nèi)需要通過再創(chuàng)新進一步研發(fā)與之配套的高品質(zhì)增壓器。新型增壓器宜選用無水冷渦輪出氣殼以提高增壓器總效率,降低渦輪出氣殼鑄造難度;選用整體式壓氣機以提高壓氣機效率與可靠性;選用高性能渦輪輪盤與葉片,甚至整體渦輪以提高渦輪效率與可靠性;選用徑向滑動軸承以提高軸承的可靠性。

(2)柴油機電控噴射技術(shù)研究

柴油機燃油噴射采用電控噴射方式是提升柴油機性能的核心技術(shù)之一,也是現(xiàn)代機車柴油機獲得高經(jīng)濟性和低排放性能的必然選擇。加強新型機車柴油機電控噴射系統(tǒng)研究,需要在電噴系統(tǒng)的高壓油泵上實現(xiàn)突破,使其滿足多缸機批量使用要求;配套控制系統(tǒng)研究將是全面實現(xiàn)柴油機信息管理與狀態(tài)分析的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柴油機模塊化結(jié)構(gòu)有利于提高可靠性及組裝效率,便于實現(xiàn)專業(yè)化更換與維修。新型機車柴油機已采用了動力組模塊和集成式端蓋,今后可進一步對輔助裝置(濾清器與油、水泵)、凸輪軸箱和供氣機組(增壓器與中冷器等)等進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.3 柴油機信息管理與狀態(tài)分析

柴油機電控噴射及保護系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展,使柴油機工作過程的許多有效信息得以完整保存,為柴油機信息管理與狀態(tài)分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。但要充分有效地利用既有信息,完成信息處理和狀態(tài)趨勢分析,需要大量實踐積累和理論分析。特別隨著機車遠程數(shù)據(jù)傳輸平臺的建立,包含機車柴油機遠程狀態(tài)分析與故障診斷成為今后技術(shù)發(fā)展的必然。現(xiàn)階段機車遠程監(jiān)控系統(tǒng)已完成車載設備的裝車驗證及地面聯(lián)調(diào)試驗工作,正組織開發(fā)系統(tǒng)用各種通訊協(xié)議及地面綜合應用系統(tǒng)(平臺)子模塊。

3.4 柴油機型譜化

新型大功率16缸機車柴油機在形成穩(wěn)定批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,應進一步開展型譜化工作研究,即配套研發(fā)12缸和6缸機,以滿足機車功率自4 400 kW向下覆蓋3 300 kW至1 200 kW支線與調(diào)車機車的需求。

4 結(jié)束語

為進一步構(gòu)建國內(nèi)新型機車柴油機的技術(shù)平臺,促進批量產(chǎn)品有穩(wěn)定的質(zhì)量和技術(shù)的發(fā)展,新型機車柴油機在全面實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,應圍繞機車柴油機低排放和高可靠性為目標,進一步強化關(guān)鍵部件的生產(chǎn)與技術(shù)研究,深刻理解設計、制造的先進理念,完善工藝流程,注重并積極推進再創(chuàng)新工作,以適應國民經(jīng)濟發(fā)展對鐵路內(nèi)燃牽引動力的要求。

[1]周虹偉.機車柴油機技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探討[J].柴油機,2005,(增刊):1-4.

[2]TB/T 2745-2002.動力裝置用柴油機認證試驗[S].

[3]周虹偉.渦輪增壓器主要部件結(jié)構(gòu)特性及改進研究[J].中國鐵道科學,2004,25,(2):72-76.