薛良君

（南車集團(tuán) 戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州213011）

近10年來，為改變我國鐵路運(yùn)能與運(yùn)量矛盾突出的問題，鐵道部在加快鐵路新線建設(shè)和電氣化改造步伐的同時(shí)，積極推進(jìn)高速客運(yùn)專線的建設(shè)，為此配套的大功率電力機(jī)車和高速動(dòng)車組得到了快速的發(fā)展，因此，業(yè)內(nèi)相當(dāng)部分人士認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)車未來的發(fā)展受到了制約。但我國國土幅員遼闊，地形和氣候復(fù)雜，鐵路運(yùn)輸條件也很不相同，相當(dāng)多的次干線、支線不具備電化的條件，而原有的東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車也逐步進(jìn)入淘汰階段，因此，在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，我國鐵路運(yùn)輸仍需要大量內(nèi)燃機(jī)車。因此，開發(fā)、研制性能先進(jìn)、運(yùn)用可靠、節(jié)能環(huán)保、性價(jià)比高的新型內(nèi)燃機(jī)車仍具有其必要性。

20世紀(jì)90年代開始，在鐵道部的大力支持下，南車集團(tuán)戚墅堰機(jī)車有限公司（以下稱戚機(jī)公司）與國際著名的發(fā)動(dòng)機(jī)咨詢公司——奧地利AVL公司合作，開發(fā)了具有國際先進(jìn)水平的R16V280ZJ型大功率機(jī)車柴油機(jī)，踏上了研制R280系列節(jié)能、環(huán)保機(jī)車柴油機(jī)新的征程。R16V280ZJ型研制成功后，被裝用于我國功率最大、技術(shù)最先進(jìn)的6 000馬力DF8CJ型大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，該型機(jī)車共生產(chǎn)了3臺，在實(shí)際運(yùn)用中顯示了新技術(shù)的優(yōu)勢。后來，由于鐵路實(shí)施“引進(jìn)、消化、再創(chuàng)新”的戰(zhàn)略，戚機(jī)公司和北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司（以下稱連車公司）主要生產(chǎn)從美國GE和EMD公司引進(jìn)的和諧系列6 000馬力交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，裝用R16V280ZJ型柴油機(jī)的DF8CJ型機(jī)車停止了生產(chǎn)，但戚機(jī)公司沒有停止R280系列柴油機(jī)的研發(fā)工作。2005年12月開始了標(biāo)定功率為3 530kW的R12V280ZJ型柴油機(jī)的研制工作，目前，已完成了該型柴油機(jī)的性能開發(fā)工作。

1 R16V280ZJ型柴油機(jī)的研制

1998年2月R16V280ZJ型柴油機(jī)的開發(fā)工作全面展開，1999年4月底，完成了全部施工圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)入樣機(jī)試制階段。由于設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)并充分考慮了現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝，整個(gè)試制工作進(jìn)展順利。1999年12月10日至24日，僅用14天時(shí)間，完成了首臺樣機(jī)的總組裝。1999年12月28日柴油機(jī)一次順利啟動(dòng)成功。2004年11月完成了柴油機(jī)的認(rèn)證試驗(yàn)（圖1）。

1.1 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)思想

在R型柴油機(jī)開發(fā)策劃階段，確定了如下的設(shè)計(jì)思想，新開發(fā)的R型柴油機(jī)應(yīng)充分借鑒在中國鐵路成功運(yùn)用的280A型柴油機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，A型柴油機(jī)的成熟結(jié)構(gòu)應(yīng)在R型機(jī)上得到繼承；鑒于現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步、新材料的運(yùn)用和制造技術(shù)水平的提高，R型柴油機(jī)應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)其先進(jìn)性，總體技術(shù)應(yīng)達(dá)到國際先進(jìn)機(jī)車柴油機(jī)的水平；充分考慮中國國情，零部件的強(qiáng)度、剛度方面應(yīng)有足夠的設(shè)計(jì)裕量；直接影響柴油機(jī)性能指標(biāo)和可靠性的重要部件考慮從國際知名公司進(jìn)口。

圖1 R16V280ZJ型柴油機(jī)

1.2 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.3 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)兩排氣缸成V型50°夾角排列，在機(jī)體V型夾角中，自下而上分別布置主機(jī)油道、高溫水冷卻腔和空氣腔。兩根凸輪軸分別布置在左右排氣缸的外側(cè)，單體電控噴油泵和配氣推桿一起安裝在凸輪軸上方的機(jī)體孔內(nèi)。機(jī)體夾角的中部布置兩臺銅中冷器，機(jī)體夾角的兩端垂直曲軸軸線布置兩臺ABB TPR61型無水冷增壓器，采用MPC增壓系統(tǒng)

在拆除氣缸蓋以后，鋼頂鋁裙組合式活塞和平切口連桿的動(dòng)力組可以直接從氣缸套中抽出來。氣缸蓋用4個(gè)螺柱緊固在機(jī)體上。曲軸前端錐度安裝曲軸齒輪和減振器，曲軸后端的整體法蘭與板簧聯(lián)軸器連接并輸出柴油機(jī)功率。

齒輪系統(tǒng)布置在機(jī)體前端的齒輪箱內(nèi)，曲軸齒輪通過配氣惰輪驅(qū)動(dòng)凸輪軸、高低溫水泵和兩臺安裝在油底殼上的機(jī)油泵。

所有油水管路盡量布置在鑄造機(jī)體內(nèi)部，提高了管路的可靠性。管路中法蘭連接處采用橡膠圈密封，使管路系統(tǒng)密封更可靠。

1.4 柴油機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作

柴油機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作由戚機(jī)公司與AVL合作進(jìn)行，由AVL和戚機(jī)公司工程師在AVL公司總部利用AVL的專用計(jì)算軟件及數(shù)據(jù)庫完成柴油機(jī)及其零部件的主要技術(shù)參數(shù)確定、主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算等工作。如利用Boost熱力學(xué)循環(huán)模擬計(jì)算軟件及AVL的經(jīng)驗(yàn)，通過燃燒模型的建立與分析，優(yōu)化燃燒過程；采用Hydsim液壓模擬計(jì)算軟件，建立燃油噴射系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，完成燃油噴射設(shè)備的選型；利用Excite軟件完成柴油機(jī)軸系計(jì)算和軸承負(fù)荷計(jì)算等。對柴油機(jī)主要零部件利用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保零部件強(qiáng)度和運(yùn)用可靠性。機(jī)體、氣缸蓋有限元計(jì)算模型如圖2所示。

為保證柴油機(jī)的開發(fā)質(zhì)量，對直接影響柴油機(jī)性能指標(biāo)和運(yùn)用可靠性的重要部件選用國外知名公司產(chǎn)品，如增壓器采用瑞士ABB公司產(chǎn)品，軸瓦采用奧地利MIBA公司產(chǎn)品，電控噴油泵、噴油器采用奧地利BOSCH公司產(chǎn)品、電噴控制系統(tǒng)采用德國 HEINZMANN公司產(chǎn)品、高壓油管采用瑞士NOVA公司產(chǎn)品。

圖2 機(jī)體、氣缸蓋有限元計(jì)算模型

1.5 樣機(jī)試制和開發(fā)試驗(yàn)

1999年12月樣機(jī)試制完成后，開始進(jìn)行柴油機(jī)性能開發(fā)試驗(yàn)及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的改進(jìn)工作，柴油機(jī)的主要性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值的要求，特別是燃油消耗率比較低，且油耗曲線平坦。與此同時(shí)，對柴油機(jī)的主要零部件進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)試驗(yàn)。如氣缸蓋運(yùn)送到奧地利AVL公司進(jìn)行了氣道吹風(fēng)試驗(yàn)，與北車集團(tuán)大連機(jī)車研究所有限公司一起完成平切口連桿螺栓疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，與同濟(jì)大學(xué)一起進(jìn)行了機(jī)體動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)、氣缸蓋靜應(yīng)力測試和溫度場測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明柴油機(jī)主要零部件結(jié)構(gòu)可靠，沒有發(fā)生設(shè)計(jì)不合理的問題。

1.6 柴油機(jī)的認(rèn)證試驗(yàn)

2004年5月15日至19日在鐵道部產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)中心的主持及監(jiān)督下，按鐵道部頒布的TB／T 2745－2002《動(dòng)力裝置用柴油機(jī)認(rèn)證試驗(yàn)》的標(biāo)準(zhǔn)，003＃R16V280ZJ型柴油機(jī)順利完成了UIC100h性能試驗(yàn)。試驗(yàn)中，柴油機(jī)狀態(tài)良好，各參數(shù)穩(wěn)定、正常，沒有發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)油水泄漏痕跡，而且沒有發(fā)生試驗(yàn)中斷問題，試驗(yàn)中標(biāo)定工況時(shí)的平均燃油消耗率為196.67g／（kW·h）。

2004年10月25日360h試驗(yàn)正式開始，11月13日試驗(yàn)圓滿結(jié)束。試驗(yàn)期間，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，在標(biāo)定工況測得的主要性能參數(shù)穩(wěn)定，并滿足任務(wù)書的要求。因柴油機(jī)后增壓器回油管裂漏問題導(dǎo)致試驗(yàn)中斷一次，中斷時(shí)間在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

試驗(yàn)結(jié)束后對柴油機(jī)零部件的拆檢結(jié)果顯示活塞頂部及氣缸蓋底部僅有輕微積炭，表明柴油機(jī)燃燒狀態(tài)良好；活塞環(huán)、氣缸套等運(yùn)動(dòng)件的工作面沒有明顯磨損，表明柴油機(jī)具有較高的使用壽命；主軸瓦、連桿瓦工作面有明顯的顆粒嵌入痕跡，說明試驗(yàn)臺管路改造后殘留顆粒較多，導(dǎo)致滑油清潔度較差，同時(shí)也說明主軸瓦、連桿瓦具有優(yōu)良的順應(yīng)性。

根據(jù)TB／T 2745－2002《動(dòng)力裝置用柴油機(jī)認(rèn)證試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的要求，柴油機(jī)在100h和360h試驗(yàn)中，因柴油機(jī)零部件故障而導(dǎo)致的試驗(yàn)中斷不應(yīng)超過2次，每次中斷的時(shí)間不得超過30min。R16V280ZJ型柴油機(jī)試驗(yàn)中僅中斷一次，中斷時(shí)間也沒有超過規(guī)定，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求。

TB／T 2745－2002標(biāo)準(zhǔn)等同采用國際鐵路聯(lián)盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)較原標(biāo)準(zhǔn)大大減少了允許的試驗(yàn)中斷次數(shù)。據(jù)了解，R16V280ZJ型柴油機(jī)是目前國內(nèi)外唯一通過該認(rèn)證試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的大功率機(jī)車柴油機(jī)，表明該柴油機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和較高運(yùn)用可靠性。

1.7 柴油機(jī)裝車運(yùn)用情況

根據(jù)鐵道部運(yùn)輸局運(yùn)裝機(jī)運(yùn)電［2003］327號電報(bào)要求，裝用002＃R16V280ZJ型柴油機(jī)的DF8CJ－0001號交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車配屬上海鐵路局南翔機(jī)務(wù)段進(jìn)行15萬km線路運(yùn)用考核試驗(yàn)，該機(jī)車于2003年7月30日到機(jī)務(wù)段投入運(yùn)用，至2004年11月30日回工廠拆檢，機(jī)車?yán)塾?jì)走行169 314km，完成運(yùn)量48 855.4萬t·km。在運(yùn)用考核期間，裝用R16V280ZJ型柴油機(jī)的DF8CJ－0001號交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車充分發(fā)揮了大功率的優(yōu)勢，牽引加速快、趕點(diǎn)能力強(qiáng)。在運(yùn)用中沒有發(fā)生拉缸、碾瓦等重大部件故障。進(jìn)口的電噴泵、噴油器及控制系統(tǒng)性能良好，運(yùn)用可靠。0001號DF8CJ型機(jī)車在完成拆檢后與隨后生產(chǎn)的2臺DF8CJ機(jī)車一起配屬鄭州鐵路局運(yùn)用至今，柴油機(jī)運(yùn)行情況良好。R16V280ZJ柴油機(jī)主要技術(shù)參與國外同類型柴油機(jī)比較見表1。

2 R12V280ZJ型柴油機(jī)的開發(fā)

為滿足我國鐵路大功率調(diào)車機(jī)車和鐵路次干線、支線對新一代內(nèi)燃機(jī)車的需要，戚機(jī)公司以與AVL合作開發(fā)的R16V280ZJ型柴油機(jī)為基礎(chǔ)，消化、吸收引進(jìn)柴油機(jī)的相關(guān)技術(shù)，開發(fā)了R12V280ZJ型機(jī)車用柴油機(jī)，設(shè)計(jì)采用了大量R16V280ZJ型柴油機(jī)成熟、可靠的零部件。研發(fā)工作于2005年12月開始，2009年完成樣機(jī)的組裝，目前已完成柴油機(jī)前期的性能開發(fā)試驗(yàn)。

表1 R16V280ZJ柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及與國際先進(jìn)柴油機(jī)的比較

2.1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 柴油機(jī)主要結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)氣缸采用V形排列，V形夾角內(nèi)自上而下布置中冷器、穩(wěn)壓箱、空氣腔、高溫水腔及主潤滑油道。

柴油機(jī)自由端上部，平行軸線方向布置2臺增壓器，便于從機(jī)車進(jìn)氣室吸氣。采用集成式增壓器支架，支架內(nèi)布置有燃油精濾器、機(jī)油管路和冷卻水管路，保證柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。

凸輪軸、單體式電控噴油泵布置在機(jī)體兩側(cè)，在氣缸蓋外側(cè)設(shè)計(jì)全封閉防護(hù)罩對噴油泵、燃油管路等進(jìn)行保護(hù)，防止燃油泄漏造成的火災(zāi)。

齒輪傳動(dòng)裝置布置在機(jī)體前端的齒輪箱內(nèi)，曲軸齒輪通過傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的凸輪軸、冷卻水泵及機(jī)油泵。

曲軸傳動(dòng)齒輪和卷簧減振器通過錐度配合方式與曲軸自由端相連，聯(lián)軸器通過連接螺栓與曲軸輸出法蘭相連。

管路集成化設(shè)計(jì)，減少外部管路泄漏，提高運(yùn)用可靠性。

2.3 柴油機(jī)零部件

柴油機(jī)零部件最大程度地借用了R16V280ZJ型柴油機(jī)零部件，如氣缸蓋、活塞、連桿、凸輪軸、齒輪系統(tǒng)、MIBA軸瓦、BOSCH 電控噴油泵、噴油器、德國HEINZMANN的電噴控制系統(tǒng)、瑞士NOVA的高壓油管等。同時(shí)，采用了部分16V280ZJA型柴油機(jī)的零部件，如水泵和機(jī)油泵等。如此，保證柴油機(jī)盡可能采用成熟、可靠的零部件，以保證將來柴油機(jī)運(yùn)用的可靠性。對機(jī)體、曲軸、進(jìn)排氣系統(tǒng)等無法借用的零部件進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。

2.4 柴油機(jī)性能開發(fā)試驗(yàn)

由于設(shè)計(jì)采用了ABB公司高效、高壓比增壓器，并通過對柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)及配氣系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化，有效地降低柴油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的燃油消耗率和排氣溫度。

已完成的性能開發(fā)試驗(yàn)證明，柴油機(jī)性能指標(biāo)基本達(dá)到了目標(biāo)值要求，柴油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的燃油消耗率有明顯改善、排溫明顯降低，與優(yōu)化前相比，柴油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)油耗最低降低了10g／（kW·h），渦輪前最高溫度降低了近60℃（具體參圖3、圖4），不僅可以有效降低機(jī)車的運(yùn)用成本，而且提高了排氣系統(tǒng)和增壓器的運(yùn)用可靠性。可以認(rèn)為，R12V280ZJ型柴油機(jī)總體技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先并達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

圖3 柴油機(jī)優(yōu)化前后燃油消耗率比較

2.5 下一步的工作

為進(jìn)一步驗(yàn)證柴油機(jī)的性能和零部件運(yùn)用的可靠性，計(jì)劃按TB／T 2745－2002標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行柴油機(jī)的100h性能試驗(yàn)和360h耐久性試驗(yàn)。