內(nèi)電共平臺機(jī)車技術(shù)方案探析

摘? 要：介紹了內(nèi)電共平臺機(jī)車技術(shù)的設(shè)計(jì)思路，分析了電傳動系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能性特點(diǎn)，進(jìn)行了功能性模塊劃分，最后提出了內(nèi)電共平臺機(jī)車的應(yīng)用模式。

關(guān)鍵詞：內(nèi)電共平臺;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);功能模塊;機(jī)車應(yīng)用模式

0? ? 引言

我國鐵路干線幅員遼闊，電氣化率已達(dá)到60%以上，但在東北、西北、高原等偏遠(yuǎn)地區(qū)仍無法實(shí)現(xiàn)電氣化，只能維持內(nèi)燃運(yùn)輸。機(jī)車運(yùn)用部門除了要考慮機(jī)車的安全性、可靠性外，在機(jī)車購置維修成本、備件存儲方面也面臨重要選擇。基于這種情況，開展內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車融合設(shè)計(jì)，滿足共用一個機(jī)車平臺的要求，實(shí)現(xiàn)模塊化簡統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅有利于制造企業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)，對于運(yùn)用部門的使用、檢修和維護(hù)也極其重要，是未來機(jī)車的一個發(fā)展方向[1]。

1? ? 內(nèi)電共平臺機(jī)車技術(shù)的設(shè)計(jì)思路

內(nèi)電共平臺機(jī)車的設(shè)計(jì)研發(fā)理念就是在既有內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)共用一個機(jī)車平臺，對機(jī)車各系統(tǒng)在兼顧差異性基礎(chǔ)上進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車相同功能模塊的共用互換，不同功能模塊考慮如何實(shí)現(xiàn)模塊的替換安裝及空間合理利用。

2? ? 內(nèi)電共平臺機(jī)車的電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1? ? 既有內(nèi)燃機(jī)車電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)梳理

我國交流傳動內(nèi)燃機(jī)車主要有HXN3/HXN5系列機(jī)車、3000馬力混合動力系列機(jī)車，電傳動系統(tǒng)的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：柴油機(jī)→主發(fā)電機(jī)→三相整流模塊→機(jī)車牽引變流系統(tǒng)+制動電阻→機(jī)車牽引電機(jī)[2]。

2.2? ? 既有電力機(jī)車電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)梳理

我國交流傳動電力機(jī)車主要由HXD1、HXD2、HXD3等系列機(jī)車構(gòu)成，分為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：（1）采用主輔一體化和TCN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式;（2）采用主輔獨(dú)立繞組供電模式，車內(nèi)設(shè)備采用RS485總線形式，外重聯(lián)采用以太網(wǎng)形式。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：網(wǎng)側(cè)受流設(shè)備→主變壓器系統(tǒng)→機(jī)車牽引變流系統(tǒng)→機(jī)車牽引電機(jī)。

2.3? ? 內(nèi)電共平臺機(jī)車的電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3.1? ? 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于我國既有內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車等機(jī)車產(chǎn)品平臺特點(diǎn)，進(jìn)行電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，形成以下內(nèi)燃機(jī)車電傳動系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：柴油機(jī)→主發(fā)電機(jī)→三相整流模塊→機(jī)車牽引變流系統(tǒng)+制動電阻→機(jī)車牽引電機(jī)。

內(nèi)電共平臺下的電力機(jī)車電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于既有電力機(jī)車，并兼顧內(nèi)燃機(jī)車，使整車牽引變壓器由6個牽引繞組和2個輔助繞組構(gòu)成，滿足牽引變流器和輔助變流器獨(dú)立繞組供電模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)車軸控運(yùn)行。變流系統(tǒng)由兩個變流柜構(gòu)成，每個變流柜由3個獨(dú)立的牽引變流器、一個輔助變流器及一組輔助電源的L/C濾波裝置共同集成構(gòu)成。

2.3.2? ? 牽引變流系統(tǒng)

在電力模式下，如圖1所示，電能由接觸網(wǎng)提供，經(jīng)受電弓等高壓設(shè)備進(jìn)入主變壓器，并通過主變壓器牽引繞組進(jìn)入變流回路，并最終供給牽引電機(jī)。輔助直接從中間直流環(huán)節(jié)取電，進(jìn)行電源變換后送給輔助負(fù)載。

在內(nèi)燃模式下，如圖2所示，電能由柴油機(jī)主發(fā)機(jī)組提供，經(jīng)過整流模塊整流后匯入中間直流環(huán)節(jié)，一路給三個牽引電機(jī)供電，一路送給輔助，與電力模式下一致。

3? ? 機(jī)車功能模塊劃分及牽引性能

經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，鐵路機(jī)車產(chǎn)品已日趨成熟。為進(jìn)一步適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展趨勢，縮短供貨周期，提高產(chǎn)品的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低用戶的檢修維護(hù)成本，對內(nèi)電共平臺機(jī)車要采用模塊化的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行研發(fā)。

內(nèi)電共平臺機(jī)車應(yīng)按照實(shí)現(xiàn)最大一致性的總體布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按照相同功能和不同功能進(jìn)行模塊化的劃分。

3.1? ? 總體布置

內(nèi)燃、電力采用統(tǒng)一的總體布置方式，設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，最大限度實(shí)現(xiàn)部件的通用，對不能通用的部件采用相同安裝接口，實(shí)現(xiàn)在同一車體下的安裝，如圖3、圖4所示。

3.2? ? 內(nèi)電共平臺下的相同功能模塊

（1）制動系統(tǒng)：共用相同的制動柜、基礎(chǔ)制動單元、風(fēng)源系統(tǒng)等。（2）行車安全系統(tǒng)：共用相同的監(jiān)控系統(tǒng)。（3）轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)：共用相同的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)。（4）司機(jī)室：兼顧內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的控制需求進(jìn)行兼容設(shè)計(jì)，滿足通用互換性。（5）通風(fēng)系統(tǒng)：針對牽引電機(jī)通風(fēng)及變流系統(tǒng)通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)該部分的通用互換。

3.3? ? 內(nèi)電共平臺下的不同功能模塊

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車各自的電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別將電源變換裝置以動力包形式進(jìn)行組合、集成和打包設(shè)計(jì)：對于電力機(jī)車，其專用的能量變換裝置集中安裝在機(jī)車的中部，構(gòu)成電氣動力包;對于內(nèi)燃機(jī)車，由柴油機(jī)和主發(fā)電機(jī)等構(gòu)成柴油機(jī)動力包。輔助系統(tǒng)是電力機(jī)車和電傳動內(nèi)燃機(jī)車均必須具備的系統(tǒng)，分別構(gòu)成電氣輔助包及柴油機(jī)輔助包。內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的輔助包機(jī)械安裝接口一致，可實(shí)現(xiàn)互換。

3.3.1? ? 電氣動力包

電力機(jī)車的電氣動力包由牽引變流器、復(fù)合冷卻裝置、高壓設(shè)備柜、牽引變壓器集成組合。所有部件均有良好的可維護(hù)性，按區(qū)域設(shè)置維護(hù)通道。

3.3.2? ? 柴油機(jī)動力包

柴油機(jī)和主發(fā)電機(jī)剛性相連，并在機(jī)車上按傳統(tǒng)方式布置。空氣濾清器、柴油機(jī)和主發(fā)電機(jī)有效地整合在一個單元內(nèi)，把這一部分稱為柴油機(jī)動力包[3]。該動力包與機(jī)車車體的機(jī)械接口與電氣動力包相同。在柴油機(jī)動力包下方安裝燃油箱（替換電力機(jī)車的主變壓器）。

3.3.3? ? 輔助傳動裝置包

輔助傳動系統(tǒng)以一貫的方式集成在一個空間內(nèi)，稱之為輔助傳動裝置包，采用相同的機(jī)械接口;對于同樣功能的輔助包，也可以采用相同的電氣接口[3]。

高度集成的連接裝置及一目了然的部件布置，加上控制系統(tǒng)的診斷能力，可保證產(chǎn)品在檢驗(yàn)和維修方面達(dá)到前所未有的效果[3]。

3.4? ? 通用互換性

基于相同及不同功能模塊的設(shè)計(jì)，匯總整理部件的通用互換性，如表1所示。

3.5? ? 機(jī)車牽引性能

內(nèi)電共平臺機(jī)車在未來主要的應(yīng)用環(huán)境是快捷貨運(yùn)，針對此應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了機(jī)車模擬牽引能力計(jì)算，如表2所示，結(jié)果表明，不論電力還是內(nèi)燃模式，均能滿足牽引3 000 t列車以時速160 km運(yùn)行的要求。

4? ? 平臺機(jī)車應(yīng)用模式

平臺下產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)不同地域、不同編組的寬廣域快捷貨物運(yùn)輸，可滿足3 000 t編組運(yùn)輸需求。

搭建內(nèi)電共用技術(shù)平臺，在同一平臺下實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃、電力兩種車型，可以滿足未來鐵路運(yùn)輸市場對兩種機(jī)車的需求，同時也可最大程度上實(shí)現(xiàn)部件的通用性，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車生產(chǎn)的快速轉(zhuǎn)換，節(jié)約生產(chǎn)、維護(hù)成本，提升企業(yè)市場競爭力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王勇智，張大勇.交流傳動技術(shù)的發(fā)展及在我國的開發(fā)應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)車，2002（10）：1-4.

[2] 王強(qiáng).大功率交流傳動內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)品技術(shù)平臺的建立[J].鐵道機(jī)車車輛，2011，31（2）：11-15.

[3] BUSCHER M，KOCK F，韓才元.龐巴迪公司TRAXX機(jī)車集成平臺[J].國外內(nèi)燃機(jī)車，2007（4）：7-15.

收稿日期：2020-06-10

作者簡介：杜靜遠(yuǎn)（1986—），男，河北石家莊人，工程師，研究方向：鐵路機(jī)車車輛設(shè)計(jì)。