李澍芩

(中國北車集團 大同電力機車有限公司,山西大同037038)

由于中國鐵路線較長,且考慮到機車跨線路運輸向長大交路發(fā)展,鐵路運輸對貨運機車的等級提出了不同需求,在2007年3月12日與鐵道部簽訂了500臺大功率交流傳動6軸(9 600 kW)貨運電力機車。該機車以HXD2型8軸大功率交流貨運電力機車技術(shù)平臺為基礎(chǔ),機車總功率達到9 600 kW,單軸功率為1 600 kW,軸式為C0-C0,是目前世界上單軸功率最大的電力機車,整車設(shè)計水平達到國際一流。2009年6月同車公司按照市場招標機車的需求著手研制7 200 kW交流傳動6軸電力機車,并于2009年12月完成該型機車的樣機試制,于2010年5月和鐵道部簽訂了220臺大功率交流傳動HXD2C型6軸、7 200 kW 電力機車采購合同。至此,同車公司HXD2X型交流傳動電力機車技術(shù)平臺已經(jīng)搭建并逐步完善。

HXD2X型機車的設(shè)計堅持采用標準化、系列化、模塊化、信息化的開發(fā)原則;機車的主要結(jié)構(gòu)基本相同,各大部件采用技術(shù)成熟、可靠的產(chǎn)品;其中HXD2C型系列機車牽引電傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)可以搭載國內(nèi)、國際知名公司的成熟產(chǎn)品,實現(xiàn)了部件的通用、互換,滿足鐵道部電傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)單獨招標的技術(shù)要求,為提高機車整車質(zhì)量及保證其技術(shù)的先進性奠定了基礎(chǔ)。HXD2X型機車平臺上的6軸機車預(yù)留了牽引旅客列車的設(shè)備和功能接口,可以根據(jù)需要增加相應(yīng)設(shè)備;預(yù)留遠程無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備和功能接口,可實現(xiàn)機車狀態(tài)及信息的車地及時通訊,并可實現(xiàn)機車的遠程重聯(lián)控制。表1為該集成平臺開發(fā)制造出來的各型HXD2X機車的技術(shù)參數(shù)。

1 機車總體設(shè)計

HXD2X型機車總體布置的設(shè)計采用同一種整體設(shè)計集成式平臺,機車在滿足用戶功能的前提下不但簡化了設(shè)計輸出,同時還方便了制造,縮短了新產(chǎn)品的研制周期,保證了產(chǎn)品的可靠性、通用性,方便了機車的檢修維護。

表1 同車公司HXD2X型平臺各類機車的技術(shù)參數(shù)

每臺(節(jié))機車的兩端分別是司機室(生活間),見圖1,通過中間走廊貫通。不論是8軸機車還是6軸機車,牽引傳動中質(zhì)量最重、體積最大的牽引變壓器均吊掛在車體底架中部的下方,這種布置能夠有效地降低機車的重心,提高機車的性能指標。

圖1 HXD2X型機車車內(nèi)設(shè)備布置系統(tǒng)集成平臺

機車牽引電傳動部分的能量變換裝置及其冷卻裝置布置在車內(nèi)中部,冷卻系統(tǒng)采用油、水復(fù)合冷卻塔,分別為牽引變壓器和變流裝置冷卻散熱。這樣能夠最大限度的節(jié)省空間,確保了機車牽引電傳動部分的通用互換。輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、列車運行監(jiān)控系統(tǒng)的車載設(shè)備成組、成屏柜組成通用化的模塊,分別布置在機械間兩端;制動系統(tǒng)和風(fēng)源系統(tǒng)按照管路走向最短的原則,采用通用模塊,集中布置在車內(nèi)機械間。這樣,對于HXD2X型的機車車體可以簡化為相同機車車體結(jié)構(gòu),使得電氣和機械接口較為統(tǒng)一。在每組通用的模塊中,都能夠體現(xiàn)相同的系統(tǒng)接口和功能。這種系統(tǒng)化布置的本身,不僅有效地節(jié)省了空間,降低成本,同時還具有安裝和維修簡單,增加了設(shè)備的通用性、互換性,提高了機車運行的安全性,所以是一種具有各種裝備的現(xiàn)代化的機車總體設(shè)計。

2 牽引電傳動及其復(fù)合冷卻系統(tǒng)

HXD2X型機車牽引電傳動系統(tǒng)綜合考慮了國內(nèi)、國外牽引電傳動系統(tǒng)現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的運用,不同公司的產(chǎn)品雖然在內(nèi)部實現(xiàn)方式不同,但牽引變流器、牽引變壓器、牽引電機等可以完全滿足該平臺的設(shè)計要求。同時,對于牽引電傳動系統(tǒng)的每一個功能單元,都確定了一個固定的空間位置,由此可以實現(xiàn)搭載不同供應(yīng)商的電傳動系統(tǒng)。

機車的牽引電傳動系統(tǒng)是圍繞整個能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),按功能進行空間優(yōu)化布置,由于機車采用先進的軸控方式,因此每個牽引變流柜中包括2組或3組相同的牽引變流器,每個牽引變流器由一個4象限變流器、三相逆變器以及中間直流回路組成,正常運行過程中,各牽引變流器單獨工作,向牽引電機供電。在牽引變流柜的正下方,安裝著牽引變壓器。牽引變流器和牽引變壓器發(fā)熱元件的熱量由散熱器進行油路和水路的冷卻循環(huán),再由通風(fēng)機進行強迫風(fēng)冷,形成獨立的變流、變壓通風(fēng)冷卻模塊。

牽引變流柜采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,集成度高,性能可靠,電磁兼容性好。功率模塊技術(shù)先進、工藝性好、質(zhì)量輕,且冷卻管路采用快速接頭設(shè)計,功率模塊更換方便,無需進行放水等作業(yè)。

圖2 HXD2X型機車的牽引變流器

HXD2X型機車牽引傳動系統(tǒng)的復(fù)合冷卻裝置有兩種型式,圖2所示為阿爾斯通牽引電傳動系統(tǒng),系統(tǒng)中牽引變流器及牽引變壓器的散熱器為獨立散熱器,通過空間組合使其形成串聯(lián)通路,由一組通風(fēng)機進行強迫風(fēng)冷,見圖3a;除阿爾斯通牽引電傳動系統(tǒng)外其余供應(yīng)商電傳動系統(tǒng)的牽引變流器及牽引變壓器的散熱器采用復(fù)合散熱器,牽引變流器的水管與牽引變壓器的油管在外部分別與復(fù)合散熱器相連組成冷卻回路,同樣由一組通風(fēng)機進行強迫風(fēng)冷,見圖3b。無論是那種復(fù)合冷卻裝置都能夠最大限度地減少連接的油路和水路,最大限度的節(jié)省空間。

3 輔助系統(tǒng)

HXD2X型機車的輔助系統(tǒng)主要由輔助電源、充電機、輔助負載和相應(yīng)的輔助電器等組成。該系統(tǒng)采用冗余設(shè)計,確保機車的正常運行。每臺機車輔助電源包括4路輔助變流器輸出的三相交流電源和DC 110 V電源,輔助負載有3種:三相交流400 V負載、交流230 V和直流110 V負載。

圖3 HXD2X型機車冷卻系統(tǒng)風(fēng)路

HXD2X型輔助系統(tǒng)的集成模式分為2種,一種模式是除輔助負載外,其余設(shè)備都被集中在輔助變流柜中,輔助變流裝置采用DC-AC的變換模式實現(xiàn)電源的變換輸出,其輸入電源取自牽引變流器中間回路,每臺機車有4組輔助變流器裝置。這種模式適用于HXD2/HXD2B機車。

另一種模式是輔助變流裝置集成在主變流柜中,輔助變流裝置采用AC-DC-AC的變換模式實現(xiàn)電源的變換輸出,其輸入電源取自牽引變壓器的二次交流繞組,每臺機車兩個輔助繞組,這種模式適應(yīng)于 HXD2C型系列機車(圖4)。

無論是那種模式輔助系統(tǒng)的機車都有兩組輔助變流器裝置,一組為變頻變壓型(VVVF),一組為定頻定壓型(CVCF),互為冗余,當(dāng)其中任意一組故障時,另一組為所有的負載提供電源。

高度集成的輔助系統(tǒng)模塊,可以提高控制系統(tǒng)的工作效率,減少故障,具有相同的安裝方式,使得機械接口大大減少,同時還方便了設(shè)備的檢修及維護。

4 制動系統(tǒng)

HXD2X型機車制動機采用Eurotrol制動機,該制動機是在SAB WABCO微機控制電空制動機基礎(chǔ)上為滿足中國鐵路要求開發(fā)出來的,是符合UIC標準的新一代機車制動系統(tǒng)。

制動機系統(tǒng)包括制動柜、制動控制器、顯示屏、基礎(chǔ)制動裝置等。

HXD2X型系列機車的制動機平臺上的主要部件——制動控制器、顯示屏、制動柜、基礎(chǔ)制動裝置可以搭載法維萊系統(tǒng)和克諾爾系統(tǒng),不同供應(yīng)商的系統(tǒng)達到了功能及安裝接口的完全統(tǒng)一,增強了互換性。

圖4 HXD2X型機車的輔助系統(tǒng)

HXD2X型機車的風(fēng)源系統(tǒng)每臺機車由2臺螺桿壓縮機、雙塔干燥器、總風(fēng)缸等組成,對于6軸機車這些部件與制動系統(tǒng)的部件集中在2個氣動柜模塊、1個制動柜模塊和1個壓縮機模塊組件中,這4個模塊集成在Ⅱ端機械間內(nèi);對于8軸機車,每節(jié)機車制動系統(tǒng)與風(fēng)源系統(tǒng)組成制動柜模塊、氣動柜模塊和干燥器模塊,這3個模塊集中布置在機車Ⅰ端機械間左側(cè)位置。靈活合理的模塊組合使得HXD2X型機車制動系統(tǒng)的功能更加完善、布置更加合理,有效的減少了管路走向,方便了設(shè)備的檢修維護(圖5)。

圖5 HXD2X型機車制動系統(tǒng)模塊

5 機車車體

HXD2X型機車車體以HXD2機車為基礎(chǔ),可實現(xiàn)對所有類型的機車完全相同的車體。在主體結(jié)構(gòu)參數(shù)上(車體長、寬、高)保持了高度的一致性,除8軸機車結(jié)構(gòu)參數(shù)不同外,6軸機車的主體結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同(表1)。

車體的設(shè)計,具有超載承受能力,車體兩端車鉤處能夠承受3 000 kN壓縮載荷,2 500 kN拉伸載荷,靜強度符合UIC566標準。

車體的主要模塊包括底架、司機室、左右側(cè)墻、臺架等,如圖6所示。

圖6 HXD2X型機車車體的模塊化結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)不同電傳動系統(tǒng)的需求,同時滿足相關(guān)設(shè)備的通風(fēng)冷卻要求,只需對臺架的設(shè)備安裝接口以及頂蓋和側(cè)墻的通風(fēng)口做適應(yīng)性更改。這種創(chuàng)新的平臺設(shè)計措施,提供了部件布置的靈活性。

6 司機室的人機工程學(xué)及操縱臺

HXD2X型機車平臺上具有高度統(tǒng)一的司機室,不論是8軸機車還是6軸機車,司機室的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、功能等完全相同。司機室設(shè)計滿足UIC651的要求,前窗視野開闊,符合中國境內(nèi)信號瞭望的要求。司機采用中央駕駛,司機座位和操縱臺的布置符合人機工程學(xué)原理,可減少司機的疲勞感并簡化駕駛動作。司機室設(shè)計具有4個特點:①較大空間(擋風(fēng)玻璃和司機室后墻間距約2.2 m);②具有一套圍繞司機的合理空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng);③司機室的總體設(shè)計滿足隔熱降噪的要求;④活動坐椅可滿足司機在任何緊急情況下逃生的要求;

司機操縱臺采用源于法國技術(shù)的單司機值乘的操縱臺,功能區(qū)域劃分清晰、合理,充分考慮了人機工程學(xué)要求。臺面上操縱臺上的設(shè)備環(huán)繞司機坐椅布置,臺面上的制動控制器及制動顯示屏可以滿足法維萊或克諾爾等制動系統(tǒng)的要求(圖7)。

圖7 HXD2X型機車司機操縱臺

簡統(tǒng)化的設(shè)計,合理的功能區(qū)的劃分使得司機操縱更加安全、合理,簡潔;同時縮短了產(chǎn)品的研制周期。

7 控制系統(tǒng)和列車安全裝置(圖8)

HXD2X型電力機車的控制系統(tǒng)由微機控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和DC110 V電氣控制電路組成。HXD2/HXD2B機車的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是基于WorldFIP總線的微機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),整套微機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,具有充分的可擴展性,可按照用戶要求,適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p少接入FIP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點;HXD2C(A)方案機車(東芝系統(tǒng))微機網(wǎng)絡(luò)列車級網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)通訊,車輛級網(wǎng)絡(luò)采用RS485通訊,微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與BCU的通訊采用MVB總線;HXD2C(B)/HXD2C(C)方案機車(時代電器/龐巴迪)控制系統(tǒng)采用基于TCN網(wǎng)絡(luò)標準結(jié)構(gòu)形式,通過車輛總線連接車內(nèi)各相關(guān)設(shè)備,通過列車總線實現(xiàn)機車重聯(lián)控制,列車級網(wǎng)絡(luò)通訊采用WTB總線,車輛級網(wǎng)絡(luò)通訊采用MVB總線,BCU與BDU(制動顯示屏)之間通訊采用RS485總線。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用了設(shè)備冗余和線路冗余方式,確保了控制系統(tǒng)的可靠性。

HXD2X型系列機車不論采用那種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其模塊的集成是相同的,它們都具有相同的結(jié)構(gòu)和機械接口,相同的功能要求。

圖8 HXD2X型機車控制系統(tǒng)模塊

HXD2X型機車的DC110 V電氣控制電路,包括有接點電路指控制電源為DC110 V(包括DC24 V)的低壓電氣控制電路、列車超速防護設(shè)備、列車通訊設(shè)備、無線重聯(lián)控制設(shè)備等,用于提供部分不接入微機網(wǎng)絡(luò)的DC110 V設(shè)備的控制功能。列車運行控制系統(tǒng)車載設(shè)備、顯示設(shè)備、地面信號接收裝置以及由控制機箱組成的2組電器屏柜模塊都具有一致的功能和相同的機械和電氣接口。

8 轉(zhuǎn)向架(圖9)

HXD2X型系列機車平臺上的走行部包括B0轉(zhuǎn)向架與C0轉(zhuǎn)向架,8軸機車采用B0轉(zhuǎn)向架,6軸機車采用C0轉(zhuǎn)向架。B0轉(zhuǎn)向架與C0轉(zhuǎn)向架的不同的部件有構(gòu)架、二系懸掛和牽引裝置,除此之外的結(jié)構(gòu)基本相同,因此HXD2X機車走行部零部件的互換性及通用性具有較高的一致性。

圖9 HXD2X型機車轉(zhuǎn)向架

9 其他裝置

鐵路運輸方面的安全性是影響鐵路安全運輸?shù)闹匾h(huán)節(jié),火災(zāi)的預(yù)防及消防措施又是影響安全性的重要指標。HXD2X型機車在火災(zāi)的預(yù)防及滅火方面的技術(shù)有了相對的提高,首先在非金屬材料的防火性能上,對材料的氧指數(shù)及煙密度都作了明確的規(guī)定;電線電纜采用法國和歐洲的防火標準;HXD2/HXD2B機車設(shè)有火災(zāi)報警系統(tǒng),當(dāng)機械間溫度升高,連接到總風(fēng)管的火災(zāi)監(jiān)測管路發(fā)生泄漏,相應(yīng)火災(zāi)檢測壓力開關(guān)動作,將信號送至司機室報警,司機確認是否存在火災(zāi)后進行相應(yīng)操作。

HXD2X型機車重要部件都增加了RAMS(全壽命周期)要求,把可靠性、可用性、可維護性、安全性指標首次納入到機車重要零部件中,進而推廣在整個機車產(chǎn)品,提高機車產(chǎn)品的全壽命周期,確保機車安全、可靠的運行。

10 相同部件

統(tǒng)一的機車設(shè)計平臺,使得HXD2X型機車上具有最多的相同部件,具有以下優(yōu)點:(1)高靈活性的系統(tǒng)集成,為機車的設(shè)計及制造爭取到了時間;(2)由于減少了接口,提高了部件的通用性、互換性,簡化了維修;(3)簡化了基礎(chǔ)設(shè)施,包括配件和工具的數(shù)量、種類等;(4)在售后服務(wù)、編制檢修維護手冊、培訓(xùn)方面實現(xiàn)一致性。(5)機車系統(tǒng)集成貫徹以維修為導(dǎo)向的設(shè)計理念,采用基于系統(tǒng)功能為基礎(chǔ)的模塊化設(shè)計方法,部件的互換性、維修性和可靠性大幅提高。(6)轉(zhuǎn)向架創(chuàng)造性采用了整體化的抱軸箱、牽引齒輪懸掛簡支結(jié)構(gòu)以及鑄鐵齒輪箱設(shè)計,有效提高了機車轉(zhuǎn)向架運行的可靠性。

11 結(jié)論

同車公司HXD2X型平臺上機車總體結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計提高了產(chǎn)品形式的可塑性,拓展了產(chǎn)品種類并加快了新產(chǎn)品的更新速度,有利于提高產(chǎn)品的標準化、系列化、可維護性和可使用性,被認為是通用化水平最高的機車。因此對于HXD2X型平臺上的各型機車及按用戶所需的加裝設(shè)備,通過簡單的配置,就可以完成設(shè)計,這樣就形成了部件高度一致性的集成平臺。

HXD2X型系列機車平臺,具有最現(xiàn)代化的機車技術(shù),從機車的設(shè)計到交付使用,它可以靈活地滿足用戶對產(chǎn)品的不同需求,能夠滿足當(dāng)前鐵路運輸快速發(fā)展的需求。

[1] 張曙光.HXD2型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 張 中.HXD2型大功率交流傳動貨運電力機車牽引電傳動系統(tǒng)[J].機車電傳動2008(6):5-8.