內電共平臺機車技術方案探析

摘? 要：介紹了內電共平臺機車技術的設計思路，分析了電傳動系統(tǒng)的拓撲結構，針對各系統(tǒng)的結構和功能性特點，進行了功能性模塊劃分，最后提出了內電共平臺機車的應用模式。

關鍵詞：內電共平臺;拓撲結構;功能模塊;機車應用模式

0? ? 引言

我國鐵路干線幅員遼闊，電氣化率已達到60%以上，但在東北、西北、高原等偏遠地區(qū)仍無法實現(xiàn)電氣化，只能維持內燃運輸。機車運用部門除了要考慮機車的安全性、可靠性外，在機車購置維修成本、備件存儲方面也面臨重要選擇?；谶@種情況，開展內燃機車和電力機車融合設計，滿足共用一個機車平臺的要求，實現(xiàn)模塊化簡統(tǒng)設計，不僅有利于制造企業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)，對于運用部門的使用、檢修和維護也極其重要，是未來機車的一個發(fā)展方向[1]。

1? ? 內電共平臺機車技術的設計思路

內電共平臺機車的設計研發(fā)理念就是在既有內燃機車和電力機車平臺基礎上進行設計，實現(xiàn)共用一個機車平臺，對機車各系統(tǒng)在兼顧差異性基礎上進行融合，實現(xiàn)內燃機車和電力機車相同功能模塊的共用互換，不同功能模塊考慮如何實現(xiàn)模塊的替換安裝及空間合理利用。

2? ? 內電共平臺機車的電傳動系統(tǒng)拓撲結構

2.1? ? 既有內燃機車電傳動系統(tǒng)拓撲結構梳理

我國交流傳動內燃機車主要有HXN3/HXN5系列機車、3000馬力混合動力系列機車，電傳動系統(tǒng)的主拓撲結構為：柴油機→主發(fā)電機→三相整流模塊→機車牽引變流系統(tǒng)+制動電阻→機車牽引電機[2]。

2.2? ? 既有電力機車電傳動系統(tǒng)拓撲結構梳理

我國交流傳動電力機車主要由HXD1、HXD2、HXD3等系列機車構成，分為兩種拓撲結構：（1）采用主輔一體化和TCN網(wǎng)絡拓撲結構形式;（2）采用主輔獨立繞組供電模式，車內設備采用RS485總線形式，外重聯(lián)采用以太網(wǎng)形式。主電路拓撲結構為：網(wǎng)側受流設備→主變壓器系統(tǒng)→機車牽引變流系統(tǒng)→機車牽引電機。

2.3? ? 內電共平臺機車的電傳動系統(tǒng)拓撲結構

2.3.1? ? 拓撲結構

基于我國既有內燃機車和電力機車等機車產(chǎn)品平臺特點，進行電傳動系統(tǒng)拓撲結構的優(yōu)化組合設計，形成以下內燃機車電傳動系統(tǒng)的拓撲結構：柴油機→主發(fā)電機→三相整流模塊→機車牽引變流系統(tǒng)+制動電阻→機車牽引電機。

內電共平臺下的電力機車電傳動系統(tǒng)拓撲結構基于既有電力機車，并兼顧內燃機車，使整車牽引變壓器由6個牽引繞組和2個輔助繞組構成，滿足牽引變流器和輔助變流器獨立繞組供電模式，實現(xiàn)機車軸控運行。變流系統(tǒng)由兩個變流柜構成，每個變流柜由3個獨立的牽引變流器、一個輔助變流器及一組輔助電源的L/C濾波裝置共同集成構成。

2.3.2? ? 牽引變流系統(tǒng)

在電力模式下，如圖1所示，電能由接觸網(wǎng)提供，經(jīng)受電弓等高壓設備進入主變壓器，并通過主變壓器牽引繞組進入變流回路，并最終供給牽引電機。輔助直接從中間直流環(huán)節(jié)取電，進行電源變換后送給輔助負載。

在內燃模式下，如圖2所示，電能由柴油機主發(fā)機組提供，經(jīng)過整流模塊整流后匯入中間直流環(huán)節(jié)，一路給三個牽引電機供電，一路送給輔助，與電力模式下一致。

3? ? 機車功能模塊劃分及牽引性能

經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，鐵路機車產(chǎn)品已日趨成熟。為進一步適應行業(yè)的發(fā)展趨勢，縮短供貨周期，提高產(chǎn)品的可靠性和設計質量，降低用戶的檢修維護成本，對內電共平臺機車要采用模塊化的設計理念進行研發(fā)。

內電共平臺機車應按照實現(xiàn)最大一致性的總體布置進行設計，并按照相同功能和不同功能進行模塊化的劃分。

3.1? ? 總體布置

內燃、電力采用統(tǒng)一的總體布置方式，設備采用模塊化設計，最大限度實現(xiàn)部件的通用，對不能通用的部件采用相同安裝接口，實現(xiàn)在同一車體下的安裝，如圖3、圖4所示。

3.2? ? 內電共平臺下的相同功能模塊

（1）制動系統(tǒng)：共用相同的制動柜、基礎制動單元、風源系統(tǒng)等。（2）行車安全系統(tǒng)：共用相同的監(jiān)控系統(tǒng)。（3）轉向架系統(tǒng)：共用相同的轉向架系統(tǒng)。（4）司機室：兼顧內燃機車和電力機車的控制需求進行兼容設計，滿足通用互換性。（5）通風系統(tǒng)：針對牽引電機通風及變流系統(tǒng)通風，實現(xiàn)該部分的通用互換。

3.3? ? 內電共平臺下的不同功能模塊

根據(jù)內燃機車和電力機車各自的電傳動系統(tǒng)拓撲結構，分別將電源變換裝置以動力包形式進行組合、集成和打包設計：對于電力機車，其專用的能量變換裝置集中安裝在機車的中部，構成電氣動力包;對于內燃機車，由柴油機和主發(fā)電機等構成柴油機動力包。輔助系統(tǒng)是電力機車和電傳動內燃機車均必須具備的系統(tǒng)，分別構成電氣輔助包及柴油機輔助包。內燃機車和電力機車的輔助包機械安裝接口一致，可實現(xiàn)互換。

3.3.1? ? 電氣動力包

電力機車的電氣動力包由牽引變流器、復合冷卻裝置、高壓設備柜、牽引變壓器集成組合。所有部件均有良好的可維護性，按區(qū)域設置維護通道。

3.3.2? ? 柴油機動力包

柴油機和主發(fā)電機剛性相連，并在機車上按傳統(tǒng)方式布置?？諝鉃V清器、柴油機和主發(fā)電機有效地整合在一個單元內，把這一部分稱為柴油機動力包[3]。該動力包與機車車體的機械接口與電氣動力包相同。在柴油機動力包下方安裝燃油箱（替換電力機車的主變壓器）。

3.3.3? ? 輔助傳動裝置包

輔助傳動系統(tǒng)以一貫的方式集成在一個空間內，稱之為輔助傳動裝置包，采用相同的機械接口;對于同樣功能的輔助包，也可以采用相同的電氣接口[3]。

高度集成的連接裝置及一目了然的部件布置，加上控制系統(tǒng)的診斷能力，可保證產(chǎn)品在檢驗和維修方面達到前所未有的效果[3]。

3.4? ? 通用互換性

基于相同及不同功能模塊的設計，匯總整理部件的通用互換性，如表1所示。

3.5? ? 機車牽引性能

內電共平臺機車在未來主要的應用環(huán)境是快捷貨運，針對此應用環(huán)境進行了機車模擬牽引能力計算，如表2所示，結果表明，不論電力還是內燃模式，均能滿足牽引3 000 t列車以時速160 km運行的要求。

4? ? 平臺機車應用模式

平臺下產(chǎn)品可實現(xiàn)不同地域、不同編組的寬廣域快捷貨物運輸，可滿足3 000 t編組運輸需求。

搭建內電共用技術平臺，在同一平臺下實現(xiàn)內燃、電力兩種車型，可以滿足未來鐵路運輸市場對兩種機車的需求，同時也可最大程度上實現(xiàn)部件的通用性，實現(xiàn)內燃機車和電力機車生產(chǎn)的快速轉換，節(jié)約生產(chǎn)、維護成本，提升企業(yè)市場競爭力。

[參考文獻]

[1] 王勇智，張大勇.交流傳動技術的發(fā)展及在我國的開發(fā)應用[J].內燃機車，2002（10）：1-4.

[2] 王強.大功率交流傳動內燃機車產(chǎn)品技術平臺的建立[J].鐵道機車車輛，2011，31（2）：11-15.

[3] BUSCHER M，KOCK F，韓才元.龐巴迪公司TRAXX機車集成平臺[J].國外內燃機車，2007（4）：7-15.

收稿日期：2020-06-10

作者簡介：杜靜遠（1986—），男，河北石家莊人，工程師，研究方向：鐵路機車車輛設計。