查廣軍

(中國鐵路總公司 科技管理部，北京，100844)

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和諧型機車關鍵核心技術自主創(chuàng)新及簡統(tǒng)化

查廣軍

(中國鐵路總公司 科技管理部，北京，100844)

和諧型機車在鐵路運輸中扮演著重要角色，但其引進技術平臺較多，并且部分核心技術未轉讓，導致機車裝備的維護成本一直居高不下。為有效降低鐵路裝備使用及維護成本、提高鐵路運輸?shù)母偁幜?，需系統(tǒng)研究和諧機車自主創(chuàng)新和深入推進機車的簡統(tǒng)化工作?？偨Y分析近年來我國交流傳動機車技術發(fā)展、和諧型內(nèi)電機車技術引進、消化吸收及再創(chuàng)新有關情況，就大功率交流傳動和諧型內(nèi)電機車整車及關鍵核心技術自主創(chuàng)新和簡統(tǒng)化工作進行了梳理并對下一步自主創(chuàng)新及簡統(tǒng)化工作的方向提出了建議。

機車； 核心技術； 自主創(chuàng)新； 簡統(tǒng)化

近年來，隨著大功率交流傳動和諧型內(nèi)電機車的大批量投入運用，中國鐵路牽引動力已進入交流傳動牽引時代。和諧型機車完成的牽引工作量已經(jīng)超過直流傳動機車完成的牽引工作量。

為更好滿足鐵路運輸牽引需求，保障和諧型機車可靠運用，降低運用檢修成本，原鐵道部及中國鐵路總公司組織南、北車集團所屬相關企業(yè)和科研院所等，圍繞和諧型機車關鍵核心技術自主創(chuàng)新和簡統(tǒng)化開展了一系列科研攻關，取得了許多重大科技成果并付諸應用，同時對今后一段時期的工作提前進行了謀劃。本文就和諧型機車關鍵核心技術自主創(chuàng)新及簡統(tǒng)化工作進行簡要梳理回顧，并對下一步工作提出建議。

1 和諧交流傳動機車現(xiàn)狀

目前，已在中國鐵路投入批量運用的和諧型交流傳動內(nèi)燃、電力機車共有以下車型：HXD1、HXD2型8軸9 600 kW交流傳動電力機車，HXD1B、HXD2B、HXD3B型6軸9 600 kW交流傳動電力機車，HXD1C、HXD2C、HXD3、HXD3C型6軸7 200 kW交流傳動電力機車，HXD1D、HXD3D型6軸7 200 kW交流傳動快速客運電力機車；HXN3、HXN5型6軸4 410 kW(6 000馬力)交流傳動內(nèi)燃機車；HXN3B、HXN5B型6軸3 234 kW(4 400馬力)交流傳動內(nèi)燃調(diào)車機車[1-3]。正在研發(fā)和運用考核中的有HXD1F、HXD2F兩種30 t軸重8軸9 600 kW交流傳動電力機車、交流傳動快速客運內(nèi)燃機車、8軸交流傳動快速客運電力機車及高原型交流傳動內(nèi)燃機車等。

以上和諧型機車中，早期的HXD1、HXD2、HXD3、HXN3、HXN5型機車為技術引進、聯(lián)合設計、分階段國產(chǎn)化；HXD1B、HXD2B、HXD3B型機車為整車自主系統(tǒng)集成和制造、部分關鍵系統(tǒng)技術引進或中外合作；HXD1C、HXD2C、HXD3C型機車為完全自主設計制造。

近期對HXD1、HXD2、HXD3等型機車的牽引變流器和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等關鍵技術進行了自主研發(fā)替代，更充分地實現(xiàn)了整車的自主化。

2 機車關鍵核心技術自主創(chuàng)新

為全面深入掌握交流傳動機車關鍵核心技術，鐵路系統(tǒng)近年來組織開展了一系列科研攻關，在許多領域取得了實質(zhì)性進展。

2.1 機車整車集成

目前，我國鐵路機車制造企業(yè)已完全自主掌握了交流傳動內(nèi)燃、電力機車系列車型的設計制造技術，具備根據(jù)用戶需求，設計對應的機車能力，如大同電力機車有限責任公司(簡稱：同車公司)和南車株洲電力機車有限公司(簡稱：株機公司)生產(chǎn)的針對晉中南通道使用的30 t軸重HXD1F,HXD2F機車，整車系統(tǒng)集成能力和技術水平已跨入國際先進行列。

2.2 牽引與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

國內(nèi)相關單位已自主研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的牽引與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，完成了相關型式試驗和運用考核。

如HXD1引進原型車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采用德國西門子公司的SIBAS32網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，列車級采用WTB網(wǎng)絡，車輛級采用MVB網(wǎng)絡，為兩級總線式拓撲結構，牽引系統(tǒng)采用西門子系統(tǒng)[1]。國產(chǎn)化HXD1及HXD1C、HXD1D型機車采用南車株洲電力機車研究所有限公司(株洲所)的DTECS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、具有完全自主知識產(chǎn)權，牽引系統(tǒng)采用株洲所系統(tǒng)。

HXD2引進原型車微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采用的是法國阿爾斯通FIP網(wǎng)絡系統(tǒng)，通信結構分為兩級：車輛級通信和列車級通信，對應的FIP網(wǎng)也分為兩級：FIP車輛網(wǎng)(FIPV網(wǎng))和FIP列車網(wǎng)(FIPT網(wǎng))，牽引系統(tǒng)整體采用阿爾斯通系統(tǒng)[2]。

國產(chǎn)化HXD2及HXD2C、HXD2F機車采用北車大連機車研究所有限公司具有完全自主知識產(chǎn)權的北車心網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，車與車之間采用WTB進行信息傳輸。通過TCNGW網(wǎng)關完成列車級信息與車輛級信息的轉換；牽引系統(tǒng)采用北車心系統(tǒng)，并根據(jù)運用需求，將輪周功率從引進原型車的10 000 kW降為9 600 kW。

2.3 微機網(wǎng)絡控制的機車制動系統(tǒng)

株機公司、北車青島四方車輛研究所有限公司和北京縱橫機電技術開發(fā)公司分別研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的DK-2型、JZ-8型和CAB型微機網(wǎng)絡控制的機車制動系統(tǒng)。其中DK-2型機車制動系統(tǒng)已完成研發(fā)，通過了中國鐵路總公司組織的技術評審，并已在HXD1、HXD1C、HXD1D機車上批量裝車應用。JZ-8型和CAB型機車制動系統(tǒng)已通過鐵路總公司組織的裝車試用評審，正在組織運用考核。

雖然新研制的各型號機車制動機在控制技術及模塊化程度上存在差異，但它們?nèi)匀粸殍F路機車車輛行業(yè)自主創(chuàng)新的標志性產(chǎn)品，完全能滿足電力、內(nèi)燃機車對機車制動系統(tǒng)的操縱、控制和安全性能的要求，可替代目前占領我國機車制動系統(tǒng)市場的進口產(chǎn)品，降低機車制動系統(tǒng)運用與維護成本，減少對進口設備的依賴性，打破國際巨頭技術壟斷，符合當代中國鐵路自主創(chuàng)新技術發(fā)展的要求。針對現(xiàn)有制動機在運用中出現(xiàn)的問題及簡統(tǒng)化需要，國內(nèi)廠家著手研制下一代制動機，其主要特點[3]如下：

(1)系統(tǒng)采用模塊化設計，板式安裝，便于維護和檢修。

(2)系統(tǒng)采用計算機控制、網(wǎng)絡傳輸制動指令。

(3)系統(tǒng)主要模塊采用冗余設計。

(4)操作簡單、易行。

(5)系統(tǒng)具備500,600 kPa兩種定壓模式，能滿足客、貨運，具有補風及階段、一次緩解功能。具有斷鉤保護等功能。

(6)解決現(xiàn)有制動機運用存在的問題。

2.4 大功率機車車輪

中國鐵路總公司組織中國鐵道科學研究院(簡稱：鐵科院)、馬鋼集團公司等單位，進行了大功率機車車輪運用情況調(diào)研，國內(nèi)外車輪技術及標準分析，輪軌關系和車輪結構及可靠性研究，車輪材料及制造工藝研究及工業(yè)化試制，車輪實物綜合性能分析檢測，整體輾鋼機車車輪技術條件制定。對試制的大功率機車車輪完成了兩個階段24臺和諧型機車308片車輪的裝車運用考核。目前已通過中國鐵路總公司組織的技術評審，已在逐步裝車應用。太原重工股份有限公司也已試制了部分車型的機車車輪，準備裝車進行運用考核。

2.5 內(nèi)燃機車柴油機

隨著6 000馬力大功率交流傳動內(nèi)燃機車的技術引進及國產(chǎn)化，結合國內(nèi)既有機車用柴油機研發(fā)制造技術基礎和對引進技術的消化吸收再創(chuàng)新，自主研發(fā)的12缸280及265柴油機已完成研制，已在HXN5B和HXN3B型4 400馬力交流傳動內(nèi)燃調(diào)車機車上裝車應用。這兩種柴油機的研制也為4 400馬力中等功率等級系列內(nèi)燃機車技術平臺的搭建奠定了基礎。

2.6 和諧型內(nèi)電機車油脂

中國鐵路總公司組織鐵科院與國內(nèi)石化系統(tǒng)合作，開展技術研究，對各種型號的和諧型內(nèi)燃、電力機車所用的各種進口油脂進行全面研究開發(fā)，目的是實現(xiàn)完全自主替代?，F(xiàn)已對柴油機油、齒輪油、壓縮機油、變壓器油、軸承脂等進行了配方篩選研究、臺架試驗，已完成在幾十臺和諧型內(nèi)燃、電力機車上進行的裝車對比運用考核，2014年通過了中國鐵路總公司組織的技術評審。

2.7 和諧型機車安全保障技術

中國鐵路總公司組織鐵科院、信息技術中心等單位研發(fā)的機車車載安全防護系統(tǒng)(6A系統(tǒng))和機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))可實現(xiàn)機車走行部、空氣制動、高壓絕緣、列車供電、防火監(jiān)控、視頻監(jiān)視等安全防護，以及機車狀態(tài)信息、報警信息及運行監(jiān)控信息的匯總分析、車地傳輸和地面綜合應用。已在和諧型機車批量裝車應用。為和諧型機車的安全可靠運用和方便維護檢修提供了技術支持。

2.8 其他關鍵核心技術自主化

和諧型機車其他關鍵核心技術，如車體、轉向架、牽引變壓器、牽引電機、輔助系統(tǒng)、受電弓、高壓電器等，在大功率機車技術引進之前，國內(nèi)已具有相當?shù)募夹g基礎，近幾年，結合引進技術的消化吸收和再創(chuàng)新以及中國鐵路和諧型機車的大量生產(chǎn)和運用，這些關鍵設備的技術水平得到進一步提升，完全具備自主設計制造能力。

3 和諧型機車簡統(tǒng)化

隨著和諧型機車品種型號的逐步增多，機車簡統(tǒng)化工作的重要性更加凸顯。為便于和諧型機車的運用乘務和檢修維護，鐵路總公司正在積極推進和諧型機車簡統(tǒng)化工作。

(1)和諧型機車目前在車輪直徑及踏面外型、車鉤及安裝高度、網(wǎng)壓適應范圍、受電弓等高壓電氣性能指標、車體強度等方面已實現(xiàn)簡統(tǒng)化。

(2)機車運用操作、檢修及整備接口正逐步進行簡統(tǒng)。目前，在速度160 km/h交流傳動客運電力機車及研發(fā)中的30 t軸重交流傳動貨運電力機車上，已基本實現(xiàn)不同廠家的機車在司機室布局及功能、控制及保護功能、檢修及整備接口、電氣重聯(lián)控制及互聯(lián)互通等方面的簡統(tǒng)。

(3)正在推進機車重要系統(tǒng)及部件互換。目前，同廠家同型號機車、同廠家不同型號機車、不同廠家同平臺機車，在部分車型上分別進行了牽引、制動系統(tǒng)和受電弓、車鉤等部件的整體互換，以及輪軸驅(qū)動、牽引電機、變流器模塊、高壓電器、控制等系統(tǒng)的統(tǒng)一，同時，部分車型間正在推進鉤緩裝置、高壓安全聯(lián)鎖裝置、制動盤和閘片、車輪毛坯、軸箱軸承等互換。

針對各主要系統(tǒng)的特點，需制定不同部件互換推進方案。以HXD3系列機車牽引系統(tǒng)為例進行說明。HXD3系列機車牽引系統(tǒng)參數(shù)如表1[4-5]所示。

表1 大功率HXD3系列電力機車牽引系統(tǒng)參數(shù)

目前已經(jīng)實現(xiàn)高壓電器簡統(tǒng)化，根據(jù)HXD3系列電力機車牽引系統(tǒng)可知：從機車單軸功率等級來看有1 200 kW和1 600 kW兩種；中間電壓等級均為2 800 V；開關器件均為IGBT 4.5 kV；從中間回路結構方式來看有獨立中間回路和共用中間回路兩種。既有機車牽引變流器基本保持了參數(shù)一致性，但是由于機車功率不同，軸數(shù)不同，有無諧振電抗器的不同及安裝機械接口不同，實現(xiàn)簡統(tǒng)化也比較困難。但后續(xù)新型機車則可以根據(jù)軸功率、軸數(shù)研制，從而滿足變流器或功率模塊的簡統(tǒng)化要求[5]。

對于后續(xù)車型，牽引系統(tǒng)簡統(tǒng)化可以按如下方案：

高壓電器部分：根據(jù)機車總功率、最高允許速度進行選型簡統(tǒng)。

牽引變壓器：根據(jù)機車軸式、電壓等級、配置結構逐步形成系列產(chǎn)品，實現(xiàn)統(tǒng)一性能參數(shù)變壓器的簡統(tǒng)化、系列化，減少不必要的重復開發(fā)。

牽引變流器：根據(jù)中間電壓等級、組合形式(主、輔集成)、冷卻塔形式進行簡統(tǒng)化設計，優(yōu)先實現(xiàn)TCU單元、功率模塊、冷卻單元等部件的簡統(tǒng)化。

功率模塊：從功率模塊的角度，采取模塊化、標準化、簡統(tǒng)化設計，在相同等級的電壓和容量下，功率模塊的輸入輸出參數(shù)一致，均可采用簡統(tǒng)化設計。

牽引電機：根據(jù)變流器中間電壓等級、功率等級、機車速度等級進行簡統(tǒng)化設計。

4 下一步工作

4.1 核心技術自主化

下一步將針對機車軸承、內(nèi)燃機車柴油機電噴控制、增壓器等關鍵技術及交流傳動機車相關檢修技術組織自主創(chuàng)新科研攻關，更全面深入地實現(xiàn)交流傳動機車各項關鍵技術的自主化和早期引進產(chǎn)品、特別是易損易耗品的高水平自主替代。

4.2 簡統(tǒng)化

機車簡統(tǒng)化下一步還將就關鍵系統(tǒng)及重要部件研究確定統(tǒng)型方案，在互聯(lián)互通、運用操作、檢修整備、部件互換、控制邏輯、安全設施等方面進一步實現(xiàn)接口簡統(tǒng)和內(nèi)電互通。

5 結束語

和諧型機車自主創(chuàng)新和簡統(tǒng)化工作得到了鐵路系統(tǒng)和行業(yè)研發(fā)制造單位的高度重視，投入了相當多的人力、物力和資金支持推進各項工作，取得了顯著成效，當然也還有很多后續(xù)工作需要不斷深化擴展和進一步提升。和諧型機車自主化和簡統(tǒng)化水平的提高，將對中國鐵路牽引動力的技術升級、運營效率的改善、運營維護成本的降低、安全可靠性的強化及中國鐵路自主技術裝備走出去等提供堅實有力的技術保障。

[1] 廖洪濤.和諧HXD1型大功率交流電力機車概述[J].電力機車與城軌車輛,2007, 30(1):7-10.

[2] 馬延品.基于TCN與WordFIP網(wǎng)絡的HXD2機車微機控制系統(tǒng)比較[J]. 中國新通信. 2014, (19):115-116.

[3] 閆志強，林 暉. 機車制動系統(tǒng)簡統(tǒng)化及自主替代策略、總體方案研究[R]. TY字第3885-3號，北京：中國鐵道科學研究院，2014.

[4] 楊守君.HXD3型交流傳動電力機車[J].電力機車與 城軌車輛 2007, 30(4):9-13.

[5] 陸 陽，宋永豐.機車牽引傳動系統(tǒng)簡統(tǒng)化及自主替代策略、總體方案研究 [R]. TY字第3885-1號，北京：中國鐵道科學研究院，2014.

Indigenous Innovation and Simplification of core technologies on HX-type Locomotive

ZHAGuangjun

(Department of Technology Management, China Railway Corporation, Beijing 100844,China)

HX-type locomotive plays an important role in our railway transportation. However the introduced technology platforms are diverse and some of the core technologies are not transferred, resulting in the high maintenance cost of the locomotive equipment. To effectively reduce the cost of the railway equipment using and maintenance also improve the competitiveness of the rail transport, there needs to systematically study on Indigenous Innovation and promote the Simplification of HX-type Locomotive. This paper analyzes the recent technology development of AC drive locomotive, the introduction, absorption and re-innovation situation of the HX-Type locomotive as well as the core technology innovation and simplification of HX-type high power AC drive diesel and electrical locomotive. Moreover it gives recommendations for future works of innovation and simplification.

locomotive; core technologies; Indigenous Innovation; Simplification

1008-7842 (2015) 03-0063-03

??)男，高級工程師(

2015-05-04)

U262.0，U264.0

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.15