(中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,湖南 株洲 412001)
近年來,全球鐵路建設(shè)發(fā)展蓬勃向上,各型車輛平臺橫空出世。根據(jù)國情,雖然我國地域遼闊,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,要求我國鐵路總公里12萬km以上,其中電氣化率60%,也就是說,截止2020年,我國仍然存在40%(4.8萬km)的非電氣化線路。而全球前十位鐵路總公里數(shù)國家鐵路情況統(tǒng)計見表1。
表1 全球前十位鐵路總公里數(shù)國家鐵路情況統(tǒng)計表
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)燃動車組具有廣泛的運用前景,本文將分別對比內(nèi)電、內(nèi)液傳動的異同點及相對優(yōu)劣性,進而對其市場前景做出分析。
內(nèi)燃動車組動力包設(shè)備由于排放要求與設(shè)備尺寸等因素限制,一般布置于動車組車體底架,作為兩種主流的內(nèi)燃動車組動力包傳動方式——內(nèi)電傳動及內(nèi)液傳動,其大體相同的部件包括:柴油機組、發(fā)電機系統(tǒng)、柴油機輔助系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、安裝構(gòu)架等,而其相異點主要集中在柴油機輸出后部的動力傳動方式。
2.1.1 柴油機系統(tǒng)
一般來說,柴油機主要分為立式及臥式,考慮到車輛限界等相關(guān)因素,內(nèi)燃動車組動力包一般采用臥式柴油機,并通過懸掛框架,整體安裝于車體底架。
分別選取類似項目內(nèi)電及內(nèi)液兩種動車組動力包所用柴油機參數(shù)見表2。
表2 內(nèi)電及內(nèi)液柴油機參數(shù)對比表
從表2可以看出,不論是內(nèi)液還是內(nèi)電傳動柴油機,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),通過四沖程氣缸將柴油氣體的化學能轉(zhuǎn)換為曲軸的動能,驅(qū)動終端部件運動。其主要包含部件為:進氣接頭、渦輪增壓器、機油濾清器、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
在非電氣化鐵路上,內(nèi)燃動車組所有電能均需由動力包提供。所以內(nèi)電及內(nèi)液傳動動力包均集成有發(fā)電機設(shè)備??紤]到永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、無需勵磁繞組等相關(guān)優(yōu)勢,一般采用永磁發(fā)電機作為動力包發(fā)電機。柴油機旋轉(zhuǎn)輸出端與發(fā)電機輸入端相連,通過發(fā)電機輸出接線給列車提供交流電源。
2.1.3 柴油機輔助設(shè)備
柴油機的良好運行,得益于其進、排氣設(shè)備、機油設(shè)備及燃油設(shè)備等的正常運行。
1)進、排氣設(shè)備。根據(jù)柴油機氣路及車輛設(shè)計要求,動力包的進氣口一般設(shè)置在車側(cè)或車下部,排氣口一般通過客室內(nèi)設(shè)置煙道從車上完成排氣。如此以來,可以使進氣口盡可能遠地遠離排氣口,同時在進氣口后端設(shè)置空氣過濾器設(shè)備,保證渦輪增壓吸入的空氣純凈,且不污染車身。針對尾氣,采用后排氣處理系統(tǒng),通過裝有尿素液的尿素混合器、催化轉(zhuǎn)化器等設(shè)備與柴油機尾氣發(fā)生化學反應(yīng),最終通過消聲器排出符合排放標準的尾氣。
2)機油設(shè)備。柴油機機油設(shè)備主要為柴油機運行提供潤滑油,同時可以完成冷卻任務(wù)。主要包含機油加注口、機油加注管、油尺等部件。
3)燃油設(shè)備。燃油設(shè)備為柴油機氣缸提供柴油氣體,通過空氣與柴油的混合氣體燃燒產(chǎn)生熱能,推動活塞運動。燃油設(shè)備包括油箱、燃油粗濾器、精濾器、手動泵等。燃油箱的容量取決于發(fā)動機參數(shù)、運營線路及管理等因素,盡量靠近動力包布置,縮短管路長度。不論是內(nèi)電還是內(nèi)液傳動動力包,目前一般采用共軌噴油技術(shù),達到噴油量不受發(fā)動機轉(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)液傳動系統(tǒng)的動力包冷卻系統(tǒng)大同小異,根據(jù)是否與柴油機集成在一起,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)動液壓馬達)。以下按照冷卻介質(zhì)分類說明:
1)水冷系統(tǒng)。水冷系統(tǒng)主要包括水泵、液壓馬達、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,冷卻水通過柴油機組帶動的水泵加壓,流向溫控閥,經(jīng)過水冷風扇散熱后,低溫冷卻水流向發(fā)電機進行冷卻,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,可能會產(chǎn)生爆震等問題。故在吸入的空氣后端與柴油機氣缸前端增加中冷設(shè)備,對吸入的高溫空氣利用中冷風扇提前進行冷卻。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)。上述冷卻風扇,均由靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動。其中靜液壓系統(tǒng)主要包括:液壓泵、液壓馬達、油溫控閥等設(shè)備。靜液壓油通過液壓泵加壓,驅(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)動,從而帶動冷卻風扇轉(zhuǎn)動,然后通過油溫控閥判斷是否需要對靜液壓油進行冷卻,最終回到油箱,完成循環(huán)。其驅(qū)動流向如圖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)液動力包傳動系統(tǒng),均設(shè)置有集成于動力包的電控箱,其主要功能為:①整個動力包所包含的部件的控制、診斷及運行記錄功能。②防滑/防空轉(zhuǎn)功能、監(jiān)控和診斷。
2.1.6 安裝框架
動力包安裝框架在考慮減振、防脫和放松設(shè)計的基礎(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4個彈性吊掛點,采用螺栓連接懸掛在車體側(cè)梁下。
2.2.1 輸出端結(jié)構(gòu)及設(shè)備差異
內(nèi)電動力包末端為永磁發(fā)電機,將柴油機的動能轉(zhuǎn)換為電能,通過電纜等將發(fā)電機產(chǎn)生的交流電送往后續(xù)電氣設(shè)備。最終經(jīng)過整流器、變流器等電源轉(zhuǎn)換設(shè)備,最終輸入三相交流牽引電機,將電能轉(zhuǎn)換為內(nèi)燃動車組的動能。整體能量傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 內(nèi)電動車組能量傳輸流程圖
內(nèi)液動力包柴油機輸出端通過飛輪等裝置與液力傳動裝置連接,將柴油機的動能傳遞給液力傳動裝置后端連接的萬向軸,通過萬向軸及傳動齒輪箱,最終轉(zhuǎn)換為內(nèi)燃動車組的動能。整體能量傳輸結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 內(nèi)液動車組能量傳輸流程圖
2.2.2 設(shè)備及重量對比
相比內(nèi)液傳動動力包,內(nèi)電動力包可能會增加蓄電池、整流器等相關(guān)電能儲備及轉(zhuǎn)換設(shè)備,從整套傳動系統(tǒng)角度對比,同等平臺情況下,內(nèi)電動力包可能會比內(nèi)液動力包在電氣設(shè)備方面增重4 t左右。
2.2.3 性能對比
由于三相交流電機相比液力傳動裝置存在短時啟動過載能力,故同等平臺情況下,內(nèi)電動力包加速性能稍優(yōu)于內(nèi)液動力包。兩類似項目對牽引加速度統(tǒng)計如表3。
表3 類似項目內(nèi)電及內(nèi)液動車組加速度對比表
2.2.4 成本對比
相比內(nèi)液傳動動力包,內(nèi)電動力包的成本會增加蓄電池、整流器等相關(guān)電能儲備及轉(zhuǎn)換設(shè)備,從整套傳動系統(tǒng)角度對比,同等平臺情況下,內(nèi)電動力包會比內(nèi)液動力包在電氣設(shè)備方面成本更高。
根據(jù)上述內(nèi)電及內(nèi)液傳動動力包異同點分析,可得出優(yōu)劣性對比如表4所示。
表4 內(nèi)電及內(nèi)液動力包對比表
不論是內(nèi)電還是內(nèi)液傳動動力包系統(tǒng),均在非電氣化鐵路車輛上擔負著重要任務(wù)。從車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來講,內(nèi)液傳動系統(tǒng)更簡單高效,設(shè)備較少,維護更方便,有利于車輛設(shè)計廠商前期設(shè)計與使用方中后期的運營及維護。從使用方使用要求方面來說,若需要性能更優(yōu)異,適應(yīng)線路快起快停等要求,適當增加成本的條件下,選擇內(nèi)電傳動系統(tǒng)更容易滿足要求。所以在內(nèi)燃動車組設(shè)計規(guī)劃時,需提前判定項目側(cè)重方面,從而才能選擇更符合項目要求的技術(shù)方案。