動(dòng)車組內(nèi)電及內(nèi)液動(dòng)力包異同與發(fā)展

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001)

1 概述

近年來(lái)，全球鐵路建設(shè)發(fā)展蓬勃向上，各型車輛平臺(tái)橫空出世。根據(jù)國(guó)情，雖然我國(guó)地域遼闊，電氣化鐵路公里數(shù)發(fā)展迅猛且占據(jù)重要地位，但根據(jù)2020年發(fā)展目標(biāo)，要求我國(guó)鐵路總公里12萬(wàn)km以上，其中電氣化率60%，也就是說(shuō)，截止2020年，我國(guó)仍然存在40%(4.8萬(wàn)km)的非電氣化線路。而全球前十位鐵路總公里數(shù)國(guó)家鐵路情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 全球前十位鐵路總公里數(shù)國(guó)家鐵路情況統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，全球范圍內(nèi)非電氣化鐵路占有率仍然較高，內(nèi)燃動(dòng)車組具有廣泛的運(yùn)用前景，本文將分別對(duì)比內(nèi)電、內(nèi)液傳動(dòng)的異同點(diǎn)及相對(duì)優(yōu)劣性，進(jìn)而對(duì)其市場(chǎng)前景做出分析。

2 內(nèi)電及內(nèi)液動(dòng)力包異同點(diǎn)

內(nèi)燃動(dòng)車組動(dòng)力包設(shè)備由于排放要求與設(shè)備尺寸等因素限制，一般布置于動(dòng)車組車體底架，作為兩種主流的內(nèi)燃動(dòng)車組動(dòng)力包傳動(dòng)方式——內(nèi)電傳動(dòng)及內(nèi)液傳動(dòng)，其大體相同的部件包括：柴油機(jī)組、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、柴油機(jī)輔助系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、安裝構(gòu)架等，而其相異點(diǎn)主要集中在柴油機(jī)輸出后部的動(dòng)力傳動(dòng)方式。

2.1 內(nèi)電及內(nèi)液動(dòng)力包相同設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 柴油機(jī)系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)主要分為立式及臥式，考慮到車輛限界等相關(guān)因素，內(nèi)燃動(dòng)車組動(dòng)力包一般采用臥式柴油機(jī)，并通過(guò)懸掛框架，整體安裝于車體底架。

分別選取類似項(xiàng)目?jī)?nèi)電及內(nèi)液兩種動(dòng)車組動(dòng)力包所用柴油機(jī)參數(shù)見表2。

表2 內(nèi)電及內(nèi)液柴油機(jī)參數(shù)對(duì)比表

從表2可以看出，不論是內(nèi)液還是內(nèi)電傳動(dòng)柴油機(jī)，除了輸出性能大小區(qū)別外，其基本配置均采用目前主流的渦輪增壓及共軌噴油技術(shù)，通過(guò)四沖程氣缸將柴油氣體的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為曲軸的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)終端部件運(yùn)動(dòng)。其主要包含部件為：進(jìn)氣接頭、渦輪增壓器、機(jī)油濾清器、油水分離器、冷卻液泵、油齒、油底殼、高壓泵等。

2.1.2 發(fā)電機(jī)

在非電氣化鐵路上，內(nèi)燃動(dòng)車組所有電能均需由動(dòng)力包提供。所以內(nèi)電及內(nèi)液傳動(dòng)動(dòng)力包均集成有發(fā)電機(jī)設(shè)備?？紤]到永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需勵(lì)磁繞組等相關(guān)優(yōu)勢(shì)，一般采用永磁發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力包發(fā)電機(jī)。柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)輸出端與發(fā)電機(jī)輸入端相連，通過(guò)發(fā)電機(jī)輸出接線給列車提供交流電源。

2.1.3 柴油機(jī)輔助設(shè)備

柴油機(jī)的良好運(yùn)行，得益于其進(jìn)、排氣設(shè)備、機(jī)油設(shè)備及燃油設(shè)備等的正常運(yùn)行。

1)進(jìn)、排氣設(shè)備。根據(jù)柴油機(jī)氣路及車輛設(shè)計(jì)要求，動(dòng)力包的進(jìn)氣口一般設(shè)置在車側(cè)或車下部，排氣口一般通過(guò)客室內(nèi)設(shè)置煙道從車上完成排氣。如此以來(lái)，可以使進(jìn)氣口盡可能遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離排氣口，同時(shí)在進(jìn)氣口后端設(shè)置空氣過(guò)濾器設(shè)備，保證渦輪增壓吸入的空氣純凈，且不污染車身。針對(duì)尾氣，采用后排氣處理系統(tǒng)，通過(guò)裝有尿素液的尿素混合器、催化轉(zhuǎn)化器等設(shè)備與柴油機(jī)尾氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終通過(guò)消聲器排出符合排放標(biāo)準(zhǔn)的尾氣。

2)機(jī)油設(shè)備。柴油機(jī)機(jī)油設(shè)備主要為柴油機(jī)運(yùn)行提供潤(rùn)滑油，同時(shí)可以完成冷卻任務(wù)。主要包含機(jī)油加注口、機(jī)油加注管、油尺等部件。

3)燃油設(shè)備。燃油設(shè)備為柴油機(jī)氣缸提供柴油氣體，通過(guò)空氣與柴油的混合氣體燃燒產(chǎn)生熱能，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。燃油設(shè)備包括油箱、燃油粗濾器、精濾器、手動(dòng)泵等。燃油箱的容量取決于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、運(yùn)營(yíng)線路及管理等因素，盡量靠近動(dòng)力包布置，縮短管路長(zhǎng)度。不論是內(nèi)電還是內(nèi)液傳動(dòng)動(dòng)力包，目前一般采用共軌噴油技術(shù)，達(dá)到噴油量不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等因素影響，燃燒更充分、平順。

2.1.4 冷卻設(shè)備

內(nèi)電及內(nèi)液傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力包冷卻系統(tǒng)大同小異，根據(jù)是否與柴油機(jī)集成在一起，可分為分體式冷卻設(shè)備和一體式冷卻設(shè)備。根據(jù)冷卻介質(zhì)及用途可以分為：水冷系統(tǒng)(用于發(fā)電機(jī)冷卻)、中冷系統(tǒng)(用于渦輪增壓空氣的冷卻)、靜液壓系統(tǒng)(用于驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá))。以下按照冷卻介質(zhì)分類說(shuō)明：

1)水冷系統(tǒng)。水冷系統(tǒng)主要包括水泵、液壓馬達(dá)、中冷器、膨脹水箱等設(shè)備，具體流向如圖1所示(箭頭代表冷卻介質(zhì)流向)。

圖1 水冷流向圖

如圖1所示，冷卻水通過(guò)柴油機(jī)組帶動(dòng)的水泵加壓，流向溫控閥，經(jīng)過(guò)水冷風(fēng)扇散熱后，低溫冷卻水流向發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻，完成水冷循環(huán)。

2)中冷系統(tǒng)。由于渦輪增壓吸入的空氣溫度較高，若直接送入氣缸與柴油氣體混合，可能會(huì)產(chǎn)生爆震等問(wèn)題。故在吸入的空氣后端與柴油機(jī)氣缸前端增加中冷設(shè)備，對(duì)吸入的高溫空氣利用中冷風(fēng)扇提前進(jìn)行冷卻。主要包括：增壓器廢氣渦輪、中冷器、消音器等，具體流向如圖2所示(箭頭代表空氣流向)。

3)靜液壓系統(tǒng)。上述冷卻風(fēng)扇，均由靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。其中靜液壓系統(tǒng)主要包括：液壓泵、液壓馬達(dá)、油溫控閥等設(shè)備。靜液壓油通過(guò)液壓泵加壓，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過(guò)油溫控閥判斷是否需要對(duì)靜液壓油進(jìn)行冷卻，最終回到油箱，完成循環(huán)。其驅(qū)動(dòng)流向如圖3所示(箭頭代表靜液壓油流向)。

圖2 氣冷流向圖

圖3 靜液壓油流向圖

2.1.5 電控設(shè)備

不論是內(nèi)電還是內(nèi)液動(dòng)力包傳動(dòng)系統(tǒng)，均設(shè)置有集成于動(dòng)力包的電控箱，其主要功能為：①整個(gè)動(dòng)力包所包含的部件的控制、診斷及運(yùn)行記錄功能。②防滑/防空轉(zhuǎn)功能、監(jiān)控和診斷。

2.1.6 安裝框架

動(dòng)力包安裝框架在考慮減振、防脫和放松設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，橫向主承載梁采用板焊箱型梁，縱向連接梁采用圓形管材，并通過(guò)4個(gè)彈性吊掛點(diǎn)，采用螺栓連接懸掛在車體側(cè)梁下。

2.2 內(nèi)電及內(nèi)液動(dòng)力包不同設(shè)備結(jié)構(gòu)及差異分析

2.2.1 輸出端結(jié)構(gòu)及設(shè)備差異

內(nèi)電動(dòng)力包末端為永磁發(fā)電機(jī)，將柴油機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)電纜等將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電送往后續(xù)電氣設(shè)備。最終經(jīng)過(guò)整流器、變流器等電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，最終輸入三相交流牽引電機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為內(nèi)燃動(dòng)車組的動(dòng)能。整體能量傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)電動(dòng)車組能量傳輸流程圖

內(nèi)液動(dòng)力包柴油機(jī)輸出端通過(guò)飛輪等裝置與液力傳動(dòng)裝置連接，將柴油機(jī)的動(dòng)能傳遞給液力傳動(dòng)裝置后端連接的萬(wàn)向軸，通過(guò)萬(wàn)向軸及傳動(dòng)齒輪箱，最終轉(zhuǎn)換為內(nèi)燃動(dòng)車組的動(dòng)能。整體能量傳輸結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 內(nèi)液動(dòng)車組能量傳輸流程圖

2.2.2 設(shè)備及重量對(duì)比

相比內(nèi)液傳動(dòng)動(dòng)力包，內(nèi)電動(dòng)力包可能會(huì)增加蓄電池、整流器等相關(guān)電能儲(chǔ)備及轉(zhuǎn)換設(shè)備，從整套傳動(dòng)系統(tǒng)角度對(duì)比，同等平臺(tái)情況下，內(nèi)電動(dòng)力包可能會(huì)比內(nèi)液動(dòng)力包在電氣設(shè)備方面增重4 t左右。

2.2.3 性能對(duì)比

由于三相交流電機(jī)相比液力傳動(dòng)裝置存在短時(shí)啟動(dòng)過(guò)載能力，故同等平臺(tái)情況下，內(nèi)電動(dòng)力包加速性能稍優(yōu)于內(nèi)液動(dòng)力包。兩類似項(xiàng)目對(duì)牽引加速度統(tǒng)計(jì)如表3。

表3 類似項(xiàng)目?jī)?nèi)電及內(nèi)液動(dòng)車組加速度對(duì)比表

2.2.4 成本對(duì)比

相比內(nèi)液傳動(dòng)動(dòng)力包，內(nèi)電動(dòng)力包的成本會(huì)增加蓄電池、整流器等相關(guān)電能儲(chǔ)備及轉(zhuǎn)換設(shè)備，從整套傳動(dòng)系統(tǒng)角度對(duì)比，同等平臺(tái)情況下，內(nèi)電動(dòng)力包會(huì)比內(nèi)液動(dòng)力包在電氣設(shè)備方面成本更高。

3 對(duì)比總結(jié)及市場(chǎng)分析

3.1 對(duì)比總結(jié)

根據(jù)上述內(nèi)電及內(nèi)液傳動(dòng)動(dòng)力包異同點(diǎn)分析，可得出優(yōu)劣性對(duì)比如表4所示。

表4 內(nèi)電及內(nèi)液動(dòng)力包對(duì)比表

3.2 市場(chǎng)分析

不論是內(nèi)電還是內(nèi)液傳動(dòng)動(dòng)力包系統(tǒng)，均在非電氣化鐵路車輛上擔(dān)負(fù)著重要任務(wù)。從車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)講，內(nèi)液傳動(dòng)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單高效，設(shè)備較少，維護(hù)更方便，有利于車輛設(shè)計(jì)廠商前期設(shè)計(jì)與使用方中后期的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)。從使用方使用要求方面來(lái)說(shuō)，若需要性能更優(yōu)異，適應(yīng)線路快起快停等要求，適當(dāng)增加成本的條件下，選擇內(nèi)電傳動(dòng)系統(tǒng)更容易滿足要求。所以在內(nèi)燃動(dòng)車組設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，需提前判定項(xiàng)目側(cè)重方面，從而才能選擇更符合項(xiàng)目要求的技術(shù)方案。