周虹偉

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道技術(shù)研修學(xué)院,北京100081)

按照國務(wù)院“引進(jìn)先進(jìn)技術(shù),聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn),打造中國品牌”的總體要求,我國鐵路內(nèi)燃牽引動(dòng)力技術(shù)發(fā)展,依托和諧型內(nèi)燃機(jī)車設(shè)計(jì)、制造,建立起世界先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái),機(jī)車柴油機(jī)單機(jī)功率和強(qiáng)化程度進(jìn)一步提高,采用燃油電控噴射方式和模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),排放性能及可靠性指標(biāo)顯著提高,實(shí)現(xiàn)了單機(jī)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(jī)車柴油機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

1.1 新型大功率機(jī)車柴油機(jī)技術(shù)平臺(tái)

新型大功率機(jī)車柴油機(jī)選用V型16缸、4沖程、渦輪增壓、電控噴射、中速柴油機(jī)。柴油機(jī)額定功率4 660 kW,排放指標(biāo)達(dá)到EPA Tier2標(biāo)準(zhǔn)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(jī)車柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

新型大功率機(jī)車柴油機(jī)技術(shù)平臺(tái)提升了國內(nèi)機(jī)車柴油機(jī)技術(shù)水平[1],即提高了柴油機(jī)平均有效壓力和強(qiáng)化系數(shù),使其由國內(nèi)既有批量機(jī)車柴油機(jī)的1.8 MPa和17.1提高到2.1 MPa和23.7;柴油機(jī)大修周期由90萬km,提高到180萬km;柴油機(jī)燃油電控噴射系統(tǒng)得到批量使用。柴油機(jī)電控系統(tǒng)與機(jī)車控制系統(tǒng)形成完整的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng),既優(yōu)化了柴油機(jī)性能,又提高了柴油機(jī)故障診斷和保護(hù)能力;標(biāo)定工況下的柴油機(jī)燃油消耗率,由208～204 g/(kW?h),在滿足更為嚴(yán)格的排放指標(biāo)前提下,降低到200 g/(kW?h)左右;柴油機(jī)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(jī)車柴油機(jī)技術(shù)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)16V 265H柴油機(jī)技術(shù)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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

(2)GEVO16柴油機(jī)技術(shù)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

GEVO16中速柴油機(jī)采用鑄造機(jī)體和動(dòng)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(jìn)氣管、進(jìn)水管、進(jìn)油管和泵體集成安裝在機(jī)體前端蓋上;冷卻水系統(tǒng)采用單水泵設(shè)計(jì)方案。

2 機(jī)車柴油機(jī)國產(chǎn)化工作重點(diǎn)

新型大功率機(jī)車柴油機(jī)在新的技術(shù)平臺(tái)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(qiáng)關(guān)鍵部件國產(chǎn)化工作,強(qiáng)化柴油機(jī)整機(jī)與部件試驗(yàn)。

2.1 新型大功率機(jī)車柴油機(jī)關(guān)鍵部件

(1)整鑄機(jī)體

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

(2)動(dòng)力組

動(dòng)力組模塊集成了氣缸蓋、加強(qiáng)套、氣缸套、活塞和連桿等部件,既有效提高了柴油機(jī)的可靠性,又提高了柴油機(jī)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(jī)車柴油機(jī)從未采用此結(jié)構(gòu),需要進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)理念的理解和制造工藝研究,如薄壁加強(qiáng)套因結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(yàn);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(shè)計(jì)更為合理,但為滿足高機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷和長期使用壽命的要求,材料性能及加工要求更高,同時(shí)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(jī)車柴油機(jī)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(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng),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(jī)車柴油機(jī)凸輪軸不同,新型機(jī)車柴油機(jī)均采用單缸分段式凸輪軸,便于安裝和檢查,但對(duì)兩端面孔的位置度、法蘭端面跳動(dòng)和相對(duì)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(jiǎn)化了柴油機(jī)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(jī)“3濾”(燃油濾清器、潤滑油濾清器和空氣濾清器)及軸承等對(duì)柴油機(jī)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(jī)車柴油機(jī)常常因?yàn)椤?濾”質(zhì)量問題而導(dǎo)致柴油機(jī)摩擦副的異常磨損和損壞。新型大功率機(jī)車柴油機(jī)采用電控噴油系統(tǒng)后,對(duì)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(jī)功率和強(qiáng)化程度的提高而需要有更高的質(zhì)量。因此,在注重柴油機(jī)改進(jìn)主要部件結(jié)構(gòu)和提高性能的同時(shí),還要關(guān)注柴油機(jī)濾清器及軸承等配套件技術(shù)的發(fā)展。

2.2 柴油機(jī)試驗(yàn)

新型大功率機(jī)車柴油機(jī)隨著功率和強(qiáng)化程度的提高及高可靠性的要求,進(jìn)一步加強(qiáng)柴油機(jī)整機(jī)和零部件試驗(yàn)十分必要。以往國內(nèi)批量生產(chǎn)的機(jī)車柴油機(jī)認(rèn)證試驗(yàn)主要是按與UIC等效的鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(TB)完成規(guī)定的100 h性能試驗(yàn)和360 h耐久試驗(yàn),相應(yīng)超負(fù)荷試驗(yàn)按110%超負(fù)荷累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)1 h[2],相比北美要求新產(chǎn)品完成350 h和700 h試驗(yàn)及120%超負(fù)荷工況要求低。為確保柴油機(jī)可靠性要求,提高柴油機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的核心關(guān)鍵部件之一,其性能與可靠性制約柴油機(jī)整機(jī)性能與可靠性。國內(nèi)既有批量生產(chǎn)的主型機(jī)車柴油機(jī)增壓器始終是其可靠性的薄弱環(huán)節(jié)[3]。為適應(yīng)新型機(jī)車柴油機(jī)發(fā)展和型譜化發(fā)展要求,國內(nèi)需要通過再創(chuàng)新進(jìn)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(jī)以提高壓氣機(jī)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(dòng)軸承以提高軸承的可靠性。

(2)柴油機(jī)電控噴射技術(shù)研究

柴油機(jī)燃油噴射采用電控噴射方式是提升柴油機(jī)性能的核心技術(shù)之一,也是現(xiàn)代機(jī)車柴油機(jī)獲得高經(jīng)濟(jì)性和低排放性能的必然選擇。加強(qiáng)新型機(jī)車柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)研究,需要在電噴系統(tǒng)的高壓油泵上實(shí)現(xiàn)突破,使其滿足多缸機(jī)批量使用要求;配套控制系統(tǒng)研究將是全面實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)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(jī)模塊化結(jié)構(gòu)有利于提高可靠性及組裝效率,便于實(shí)現(xiàn)專業(yè)化更換與維修。新型機(jī)車柴油機(jī)已采用了動(dòng)力組模塊和集成式端蓋,今后可進(jìn)一步對(duì)輔助裝置(濾清器與油、水泵)、凸輪軸箱和供氣機(jī)組(增壓器與中冷器等)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.3 柴油機(jī)信息管理與狀態(tài)分析

柴油機(jī)電控噴射及保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展,使柴油機(jī)工作過程的許多有效信息得以完整保存,為柴油機(jī)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(shì)分析,需要大量實(shí)踐積累和理論分析。特別隨著機(jī)車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)的建立,包含機(jī)車柴油機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)分析與故障診斷成為今后技術(shù)發(fā)展的必然?，F(xiàn)階段機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已完成車載設(shè)備的裝車驗(yàn)證及地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)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(yīng)用系統(tǒng)(平臺(tái))子模塊。

3.4 柴油機(jī)型譜化

新型大功率16缸機(jī)車柴油機(jī)在形成穩(wěn)定批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)一步開展型譜化工作研究,即配套研發(fā)12缸和6缸機(jī),以滿足機(jī)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(jī)車的需求。

4 結(jié)束語

為進(jìn)一步構(gòu)建國內(nèi)新型機(jī)車柴油機(jī)的技術(shù)平臺(tái),促進(jìn)批量產(chǎn)品有穩(wěn)定的質(zhì)量和技術(shù)的發(fā)展,新型機(jī)車柴油機(jī)在全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)圍繞機(jī)車柴油機(jī)低排放和高可靠性為目標(biāo),進(jìn)一步強(qiáng)化關(guān)鍵部件的生產(chǎn)與技術(shù)研究,深刻理解設(shè)計(jì)、制造的先進(jìn)理念,完善工藝流程,注重并積極推進(jìn)再創(chuàng)新工作,以適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)鐵路內(nèi)燃牽引動(dòng)力的要求。

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

[2]TB/T 2745-2002.動(dòng)力裝置用柴油機(jī)認(rèn)證試驗(yàn)[S].

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