李澍芩

(中國(guó)北車集團(tuán) 大同電力機(jī)車有限公司,山西大同037038)

由于中國(guó)鐵路線較長(zhǎng),且考慮到機(jī)車跨線路運(yùn)輸向長(zhǎng)大交路發(fā)展,鐵路運(yùn)輸對(duì)貨運(yùn)機(jī)車的等級(jí)提出了不同需求,在2007年3月12日與鐵道部簽訂了500臺(tái)大功率交流傳動(dòng)6軸(9 600 kW)貨運(yùn)電力機(jī)車。該機(jī)車以HXD2型8軸大功率交流貨運(yùn)電力機(jī)車技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ),機(jī)車總功率達(dá)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(jī)車,整車設(shè)計(jì)水平達(dá)到國(guó)際一流。2009年6月同車公司按照市場(chǎng)招標(biāo)機(jī)車的需求著手研制7 200 kW交流傳動(dòng)6軸電力機(jī)車,并于2009年12月完成該型機(jī)車的樣機(jī)試制,于2010年5月和鐵道部簽訂了220臺(tái)大功率交流傳動(dòng)HXD2C型6軸、7 200 kW 電力機(jī)車采購(gòu)合同。至此,同車公司HXD2X型交流傳動(dòng)電力機(jī)車技術(shù)平臺(tái)已經(jīng)搭建并逐步完善。

HXD2X型機(jī)車的設(shè)計(jì)堅(jiān)持采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、信息化的開發(fā)原則;機(jī)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(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)可以搭載國(guó)內(nèi)、國(guó)際知名公司的成熟產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了部件的通用、互換,滿足鐵道部電傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)招標(biāo)的技術(shù)要求,為提高機(jī)車整車質(zhì)量及保證其技術(shù)的先進(jìn)性奠定了基礎(chǔ)。HXD2X型機(jī)車平臺(tái)上的6軸機(jī)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(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備和功能接口,可實(shí)現(xiàn)機(jī)車狀態(tài)及信息的車地及時(shí)通訊,并可實(shí)現(xiàn)機(jī)車的遠(yuǎn)程重聯(lián)控制。表1為該集成平臺(tái)開發(fā)制造出來的各型HXD2X機(jī)車的技術(shù)參數(shù)。

1 機(jī)車總體設(shè)計(jì)

HXD2X型機(jī)車總體布置的設(shè)計(jì)采用同一種整體設(shè)計(jì)集成式平臺(tái),機(jī)車在滿足用戶功能的前提下不但簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)輸出,同時(shí)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(jī)車的檢修維護(hù)。

表1 同車公司HXD2X型平臺(tái)各類機(jī)車的技術(shù)參數(shù)

每臺(tái)(節(jié))機(jī)車的兩端分別是司機(jī)室(生活間),見圖1,通過中間走廊貫通。不論是8軸機(jī)車還是6軸機(jī)車,牽引傳動(dòng)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(jī)車的重心,提高機(jī)車的性能指標(biāo)。

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

機(jī)車牽引電傳動(dòng)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(jī)車牽引電傳動(dòng)部分的通用互換。輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、列車運(yùn)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(jī)械間兩端;制動(dòng)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(jī)械間。這樣,對(duì)于HXD2X型的機(jī)車車體可以簡(jiǎn)化為相同機(jī)車車體結(jié)構(gòu),使得電氣和機(jī)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(shí)還具有安裝和維修簡(jiǎn)單,增加了設(shè)備的通用性、互換性,提高了機(jī)車運(yùn)行的安全性,所以是一種具有各種裝備的現(xiàn)代化的機(jī)車總體設(shè)計(jì)。

2 牽引電傳動(dòng)及其復(fù)合冷卻系統(tǒng)

HXD2X型機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)綜合考慮了國(guó)內(nèi)、國(guó)外牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的運(yùn)用,不同公司的產(chǎn)品雖然在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式不同,但牽引變流器、牽引變壓器、牽引電機(jī)等可以完全滿足該平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。同時(shí),對(duì)于牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的每一個(gè)功能單元,都確定了一個(gè)固定的空間位置,由此可以實(shí)現(xiàn)搭載不同供應(yīng)商的電傳動(dòng)系統(tǒng)。

機(jī)車的牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)是圍繞整個(gè)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),按功能進(jìn)行空間優(yōu)化布置,由于機(jī)車采用先進(jìn)的軸控方式,因此每個(gè)牽引變流柜中包括2組或3組相同的牽引變流器,每個(gè)牽引變流器由一個(gè)4象限變流器、三相逆變器以及中間直流回路組成,正常運(yùn)行過程中,各牽引變流器單獨(dú)工作,向牽引電機(jī)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(jìn)行油路和水路的冷卻循環(huán),再由通風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷,形成獨(dú)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(jì),集成度高,性能可靠,電磁兼容性好。功率模塊技術(shù)先進(jìn)、工藝性好、質(zhì)量輕,且冷卻管路采用快速接頭設(shè)計(jì),功率模塊更換方便,無需進(jìn)行放水等作業(yè)。

圖2 HXD2X型機(jī)車的牽引變流器

HXD2X型機(jī)車牽引傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng),系統(tǒng)中牽引變流器及牽引變壓器的散熱器為獨(dú)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(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷,見圖3a;除阿爾斯通牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)外其余供應(yīng)商電傳動(dòng)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(jī)進(jìn)行強(qiáng)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(jī)車的輔助系統(tǒng)主要由輔助電源、充電機(jī)、輔助負(fù)載和相應(yīng)的輔助電器等組成。該系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì),確保機(jī)車的正常運(yùn)行。每臺(tái)機(jī)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(fù)載有3種:三相交流400 V負(fù)載、交流230 V和直流110 V負(fù)載。

圖3 HXD2X型機(jī)車?yán)鋮s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(fù)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(shí)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(tái)機(jī)車有4組輔助變流器裝置。這種模式適用于HXD2/HXD2B機(jī)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(shí)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(tái)機(jī)車兩個(gè)輔助繞組,這種模式適應(yīng)于 HXD2C型系列機(jī)車(圖4)。

無論是那種模式輔助系統(tǒng)的機(jī)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(shí),另一組為所有的負(fù)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(jī)械接口大大減少,同時(shí)還方便了設(shè)備的檢修及維護(hù)。

4 制動(dòng)系統(tǒng)

HXD2X型機(jī)車制動(dòng)機(jī)采用Eurotrol制動(dòng)機(jī),該制動(dòng)機(jī)是在SAB WABCO微機(jī)控制電空制動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上為滿足中國(guó)鐵路要求開發(fā)出來的,是符合UIC標(biāo)準(zhǔn)的新一代機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)。

制動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括制動(dòng)柜、制動(dòng)控制器、顯示屏、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等。

HXD2X型系列機(jī)車的制動(dòng)機(jī)平臺(tái)上的主要部件——制動(dòng)控制器、顯示屏、制動(dòng)柜、基礎(chǔ)制動(dòng)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(dá)到了功能及安裝接口的完全統(tǒng)一,增強(qiáng)了互換性。

圖4 HXD2X型機(jī)車的輔助系統(tǒng)

HXD2X型機(jī)車的風(fēng)源系統(tǒng)每臺(tái)機(jī)車由2臺(tái)螺桿壓縮機(jī)、雙塔干燥器、總風(fēng)缸等組成,對(duì)于6軸機(jī)車這些部件與制動(dòng)系統(tǒng)的部件集中在2個(gè)氣動(dòng)柜模塊、1個(gè)制動(dòng)柜模塊和1個(gè)壓縮機(jī)模塊組件中,這4個(gè)模塊集成在Ⅱ端機(jī)械間內(nèi);對(duì)于8軸機(jī)車,每節(jié)機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)與風(fēng)源系統(tǒng)組成制動(dòng)柜模塊、氣動(dòng)柜模塊和干燥器模塊,這3個(gè)模塊集中布置在機(jī)車Ⅰ端機(jī)械間左側(cè)位置。靈活合理的模塊組合使得HXD2X型機(jī)車制動(dòng)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(hù)(圖5)。

圖5 HXD2X型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)模塊

5 機(jī)車車體

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

車體的設(shè)計(jì),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(qiáng)度符合UIC566標(biāo)準(zhǔn)。

車體的主要模塊包括底架、司機(jī)室、左右側(cè)墻、臺(tái)架等,如圖6所示。

圖6 HXD2X型機(jī)車車體的模塊化結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)不同電傳動(dòng)系統(tǒng)的需求,同時(shí)滿足相關(guān)設(shè)備的通風(fēng)冷卻要求,只需對(duì)臺(tái)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(tái)設(shè)計(jì)措施,提供了部件布置的靈活性。

6 司機(jī)室的人機(jī)工程學(xué)及操縱臺(tái)

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

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

圖7 HXD2X型機(jī)車司機(jī)操縱臺(tái)

簡(jiǎn)統(tǒng)化的設(shè)計(jì),合理的功能區(qū)的劃分使得司機(jī)操縱更加安全、合理,簡(jiǎn)潔;同時(shí)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(jī)車的控制系統(tǒng)由微機(jī)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(jī)車的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是基于WorldFIP總線的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng),整套微機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),具有充分的可擴(kuò)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(diǎn);HXD2C(A)方案機(jī)車(東芝系統(tǒng))微機(jī)網(wǎng)絡(luò)列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)通訊,車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用RS485通訊,微機(jī)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(jī)車(時(shí)代電器/龐巴迪)控制系統(tǒng)采用基于TCN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)機(jī)車重聯(lián)控制,列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊采用WTB總線,車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊采用MVB總線,BCU與BDU(制動(dòng)顯示屏)之間通訊采用RS485總線。整個(gè)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(jī)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(jī)械接口,相同的功能要求。

圖8 HXD2X型機(jī)車控制系統(tǒng)模塊

HXD2X型機(jī)車的DC110 V電氣控制電路,包括有接點(diǎn)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(hù)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(jī)網(wǎng)絡(luò)的DC110 V設(shè)備的控制功能。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載設(shè)備、顯示設(shè)備、地面信號(hào)接收裝置以及由控制機(jī)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(jī)械和電氣接口。

8 轉(zhuǎn)向架(圖9)

HXD2X型系列機(jī)車平臺(tái)上的走行部包括B0轉(zhuǎn)向架與C0轉(zhuǎn)向架,8軸機(jī)車采用B0轉(zhuǎn)向架,6軸機(jī)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(jī)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(jī)車轉(zhuǎn)向架

9 其他裝置

鐵路運(yùn)輸方面的安全性是影響鐵路安全運(yùn)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(biāo)。HXD2X型機(jī)車在火災(zāi)的預(yù)防及滅火方面的技術(shù)有了相對(duì)的提高,首先在非金屬材料的防火性能上,對(duì)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(guó)和歐洲的防火標(biāo)準(zhǔn);HXD2/HXD2B機(jī)車設(shè)有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),當(dāng)機(jī)械間溫度升高,連接到總風(fēng)管的火災(zāi)監(jiān)測(cè)管路發(fā)生泄漏,相應(yīng)火災(zāi)檢測(cè)壓力開關(guān)動(dòng)作,將信號(hào)送至司機(jī)室報(bào)警,司機(jī)確認(rèn)是否存在火災(zāi)后進(jìn)行相應(yīng)操作。

HXD2X型機(jī)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(hù)性、安全性指標(biāo)首次納入到機(jī)車重要零部件中,進(jìn)而推廣在整個(gè)機(jī)車產(chǎn)品,提高機(jī)車產(chǎn)品的全壽命周期,確保機(jī)車安全、可靠的運(yùn)行。

10 相同部件

統(tǒng)一的機(jī)車設(shè)計(jì)平臺(tái),使得HXD2X型機(jī)車上具有最多的相同部件,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)高靈活性的系統(tǒng)集成,為機(jī)車的設(shè)計(jì)及制造爭(zhēng)取到了時(shí)間;(2)由于減少了接口,提高了部件的通用性、互換性,簡(jiǎn)化了維修;(3)簡(jiǎn)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(hù)手冊(cè)、培訓(xùn)方面實(shí)現(xiàn)一致性。(5)機(jī)車系統(tǒng)集成貫徹以維修為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)理念,采用基于系統(tǒng)功能為基礎(chǔ)的模塊化設(shè)計(jì)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(jiǎn)支結(jié)構(gòu)以及鑄鐵齒輪箱設(shè)計(jì),有效提高了機(jī)車轉(zhuǎn)向架運(yùn)行的可靠性。

11 結(jié)論

同車公司HXD2X型平臺(tái)上機(jī)車總體結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化、系列化、可維護(hù)性和可使用性,被認(rèn)為是通用化水平最高的機(jī)車。因此對(duì)于HXD2X型平臺(tái)上的各型機(jī)車及按用戶所需的加裝設(shè)備,通過簡(jiǎn)單的配置,就可以完成設(shè)計(jì),這樣就形成了部件高度一致性的集成平臺(tái)。

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

[1] 張曙光.HXD2型電力機(jī)車[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2009.

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