滿足高溫風(fēng)沙環(huán)境的SDD1型內(nèi)燃機車提升性研究及應(yīng)用

伍 華，李廉楓，朱延?xùn)|

(中車資陽機車有限公司，四川 資陽 641301)

0 引言

SDD1型內(nèi)燃機車是中車資陽機車有限公司為蘇丹鐵路設(shè)計生產(chǎn)的干線客貨運窄軌電傳動機車，首批5臺SDD1型內(nèi)燃機車為2005年設(shè)計制造，于2006年3月正式交付使用[1]。截至2021年底已經(jīng)出口蘇丹26臺，承擔(dān)了克斯汀—喀土穆—蘇丹港之間的干線貨運牽引任務(wù)。沿線風(fēng)沙嚴(yán)重，起風(fēng)時，漫天風(fēng)沙彌漫，全年大部分溫度都在40 ℃。機車在投入運用初期，存在側(cè)墻防風(fēng)沙過濾能力不足、柴油機進氣過濾能力不足、室內(nèi)溫度高等問題，影響了運行效果。

1 機車關(guān)鍵技術(shù)提升性研究

1.1 高溫風(fēng)沙環(huán)境下的柴油機進氣系統(tǒng)提升性研究

蘇丹國家鐵路沿線多風(fēng)沙，環(huán)境惡劣，為保證柴油機增壓器進氣空氣的清潔度，機車柴油機進氣系統(tǒng)采用成熟的三級過濾系統(tǒng)和動力除塵方案。原SDD1型機車進氣系統(tǒng)由防沙網(wǎng)、粗濾器、紙濾器和排塵風(fēng)機等組成，原機車進氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—防沙網(wǎng)；2—慣性式粗濾器；3—紙濾器；4—排塵風(fēng)機；5—彎頭。

該進氣系統(tǒng)存在的主要問題如下：由于采用卡特空氣濾清器，空間布置緊張造成空濾器與柴油機增壓器之間新增了2個90°直角流道彎頭，導(dǎo)致進氣阻力大，不適合運用于蘇丹風(fēng)沙環(huán)境，濾芯需要經(jīng)常進行吹掃清理；慣性式粗濾器、紙濾器在車上為散件安裝，安裝工作量大，組裝工藝難度大；安裝在機車兩側(cè)走廊上的排塵風(fēng)機電機，在蘇丹高溫的運用環(huán)境里經(jīng)常出現(xiàn)電機燒損情況。因此，本文針對以上問題進行了提升性研究。

1.1.1 模塊化設(shè)計研究

將慣性式粗濾器、紙濾器和流道集成一體，進行模塊化設(shè)計，如圖2所示。2組雙筒紙濾器布置在進氣單元下方，其上方布置4個慣性式粗濾器，4個慣性式粗濾器設(shè)置公共排塵腔道進行集中排塵，2組紙濾器之間設(shè)置細濾腔道。進氣單元在地面組裝后，整體吊裝到車上，通過4顆螺栓安裝在機車側(cè)墻上，再通過軟管與柴油機增壓器、側(cè)墻進風(fēng)道和隔墻排塵道相連，安裝簡單方便，大大提高了生產(chǎn)效率。同時，進氣模塊可在車下組裝，降低了組裝工藝難度并確保了組裝質(zhì)量。

圖2 優(yōu)化后的進氣模塊組裝圖

1.1.2 進氣阻力優(yōu)化研究

為了降低進氣系統(tǒng)阻力，在進氣單元設(shè)計時只采用卡特紙濾器，不再采用阻力較大的空濾器殼體，同時采用空間三維流道代替以前的管道結(jié)構(gòu)，減少了2個90°直角流道彎頭。通過阻力計算，采用進氣單元結(jié)構(gòu)后進氣系統(tǒng)的總成阻力為3.86 kPa，比以前方案降低約0.5 kPa。改進優(yōu)化后的進氣系統(tǒng)如圖3所示，在沒有改變機車走廊通過性的同時降低了進氣系統(tǒng)阻力，簡化了機車上的組裝工藝。同時，將紙濾器的維護保養(yǎng)由以前在主發(fā)電機上方進行優(yōu)化到走廊兩側(cè)，極大地方便了紙濾芯的維護保養(yǎng)和更換。

1—防沙網(wǎng)；2—紙濾器；3—粗濾器。

柴油機在滿載負荷工況下的對比分析：現(xiàn)車(0001#)試驗進氣阻力測試值3.81 kPa小于現(xiàn)車?yán)碚撚嬎阒?.86 kPa，也小于已出廠SDD1型機車進氣阻力測試值4.3 kPa。 對比已出廠SDD1型機車，優(yōu)化后進氣阻力值比已出廠SDD1型機車低約0.5 kPa，對比柴油機要求的最大阻力6.2 kPa，富余量由原1.9 kPa提高到2.39 kPa，提高比例約25.8%，改善明顯。

1.1.3 除塵通風(fēng)機優(yōu)化研究

研制了機械式動力除塵通風(fēng)機，安裝在前變速箱上，由柴油機驅(qū)動。除塵通風(fēng)機轉(zhuǎn)速隨柴油機轉(zhuǎn)速變化，除塵通風(fēng)機通風(fēng)量隨柴油機進氣量變化，保證柴油機在不同轉(zhuǎn)速下除塵通風(fēng)機通風(fēng)量與柴油機進氣量維持在相對固定的比例，以保證慣性式粗濾器引射抽塵率維持在10%～13%的高效濾清區(qū)域，慣性式粗濾器始終工作在94%的最高濾清效率點，較大程度地提升了進氣單元風(fēng)沙過濾效率。機械式除塵通風(fēng)機全為鋼結(jié)構(gòu)，不受環(huán)境溫度影響，解決了電機驅(qū)動的排塵風(fēng)機組在高溫運用環(huán)境中電機頻繁燒損的問題。

1.2 高溫風(fēng)沙環(huán)境中車體通風(fēng)方式適應(yīng)性研究

原有機車在運用中暴露出車體漏沙的問題，主要有：機車的側(cè)墻防沙濾網(wǎng)與車體不密貼，有閃縫，風(fēng)沙從縫隙中進入車內(nèi)；機車主車架上開孔未做好密封處理，機車運行時，風(fēng)沙從開孔處進入車內(nèi)。如果機車柴油機廢氣排放管處，周邊閃縫很大，動力間的沙塵主要從此處進入機車。機車電阻制動裝置進風(fēng)口密封不好，造成電氣間進沙嚴(yán)重。機車?yán)鋮s間后牽引電機通風(fēng)機處，風(fēng)量需求大，由于側(cè)墻防沙濾網(wǎng)與機車車體不密貼，大量風(fēng)沙由側(cè)墻進入車內(nèi)，加上冷卻間有油污、水蒸氣，這些臟氣由風(fēng)道進入牽引電機造成牽引電機整流柜表面吸附沙塵和油水[2]。

為適應(yīng)機車在蘇丹高溫及多風(fēng)沙的運用環(huán)境，機車在運行過程中，柴油機、主發(fā)電機、硅整流柜和其他一些電氣設(shè)備等需要冷卻用風(fēng)來保證機車的正常運轉(zhuǎn)，為此進行了機車車體通風(fēng)方式的研究。

在蘇丹，機車運行環(huán)境比較惡劣，機車不但要承受高溫、風(fēng)沙的影響，而且機車在用風(fēng)清潔度方面也有一定的要求。因此，當(dāng)機車運用環(huán)境為多風(fēng)沙地區(qū)時，須進行防風(fēng)沙提升設(shè)計。優(yōu)化后的機車車體通風(fēng)流向如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的車體通風(fēng)圖

車體進風(fēng)采用側(cè)壁進風(fēng)，靠機車內(nèi)部負壓自然進風(fēng)，電器室、動力室、冷卻室側(cè)壁兩側(cè)均設(shè)有瓦楞百葉窗，瓦楞百葉窗背后安裝有濾器裝配，動力室頂棚設(shè)有2個車體通風(fēng)機。雖然瓦楞百葉窗加濾器結(jié)構(gòu)能減少有效通風(fēng)面積，但為保證進入車體內(nèi)部空氣的清潔度，有效防止風(fēng)沙樹葉等雜物進入車體內(nèi)部，濾器裝配由濾網(wǎng)及可換式濾芯組成，濾器裝配安裝方式采用快裝機構(gòu)，方便檢修。

機車為了適用于高溫、風(fēng)沙大的惡劣的環(huán)境中，對散熱與防風(fēng)沙要求高。通過對比西亞國家與非洲沙漠國家客戶以往的機車運行情況及公司售后反饋的信息，選取了瓦楞百葉作為機車主要的通風(fēng)方式，瓦楞百葉具有很好的防風(fēng)沙效果，能夠應(yīng)對風(fēng)沙環(huán)境。針對原有瓦楞百葉通風(fēng)弊端面積較小，影響機車高溫散熱的情況，結(jié)合機車總體布局，將側(cè)墻盡可能地全部布置為瓦楞百葉，瓦楞百葉布置面積大了，散熱通風(fēng)量自然上去了。通過對車體通風(fēng)風(fēng)量流場計算，車體電氣室的進風(fēng)速度為2.78 m/s，動力室、冷卻室進風(fēng)風(fēng)速為7.9 m/s，動力室排風(fēng)速度0.83 m/s，機車車體通風(fēng)方式能夠適應(yīng)蘇丹高溫、多風(fēng)沙的運行環(huán)境。

1.3 適應(yīng)高溫、風(fēng)沙環(huán)境的微機控制技術(shù)研究

原SDD1型內(nèi)燃機車采用16位CPU微機系統(tǒng)，該微機控制系統(tǒng)主要包含電源板、輔發(fā)板、調(diào)速板、驅(qū)動板、數(shù)字量板、模擬量板、主控板、通信板、繼電器板、信號轉(zhuǎn)換板、PRCM和顯示屏，需要通過中間繼電器配合來進行邏輯控制，并需要配備獨立的信號處理板，對信號進行采集和處理。該系統(tǒng)微機拓撲圖見圖5。

圖5 原微機系統(tǒng)拓撲圖

原SDD1型機車微機系統(tǒng)存在的問題：微機的警惕功能在用戶處多次出現(xiàn)問題；微機使用的顯示屏按鍵不良；微機系統(tǒng)的配件采購周期長，故障率高；微機系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，由電源濾波裝置、微機控制箱、信號轉(zhuǎn)換板等多硬件構(gòu)成。

為提升公司自主微機可靠性，增強抗振動能力，提高微機系統(tǒng)散熱能力，適應(yīng)蘇丹線路高溫、多風(fēng)沙的運行環(huán)境，微機系統(tǒng)主要從以下方面進行優(yōu)化研究：①強化自主開發(fā)設(shè)計微機控制系統(tǒng)控制功能，達到微機系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。②提升微機箱安裝的可靠性，優(yōu)化微機柜內(nèi)敏感電子元件的安裝方式，增強抗沖擊振動的能力。③優(yōu)化微機柜內(nèi)的布線，降低導(dǎo)線接插點松動和虛接風(fēng)險。④提高微機箱的防風(fēng)沙和散熱能力，提升微機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。⑤新增部分邏輯控制程序替代部分繼電器控制，提高機車可靠性。

優(yōu)化后的微機控制統(tǒng)由G300微機主機、Ⅰ/Ⅱ端顯示屏、柴油機控制器ECM等組成，微機系統(tǒng)工作原理圖見圖6，機車微機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖7。微機箱采用緊湊型G300 3U84R，全鋁合金型材組裝，無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。微機控制系統(tǒng)通過對機車上各種信號的采集，實現(xiàn)了機車的牽引控制、故障診斷、故障保護及其他控制功能，提高了機車在高溫、風(fēng)沙環(huán)境的適應(yīng)能力和運行可靠性。

圖6 微機系統(tǒng)工作原理

圖7 微機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

采用新型微機控制系統(tǒng)后，取消了原控制線路中的中間繼電器，由微機系統(tǒng)代替中間繼電器實現(xiàn)機車的邏輯控制功能，提高機車可靠性的同時也增強了機車整體的防風(fēng)沙能力。機車微機系統(tǒng)集成了柴油機PRCM的功能，實現(xiàn)了機車在高海拔、高溫的運行條件下，自動降低柴油機輸出功率的功能，避免因柴油機過載故障而機破，提高了機車在高溫環(huán)境的適應(yīng)能力和運行可靠性。

2 其他結(jié)構(gòu)提升性研究

2.1 車體

頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化：頂蓋輪廓及把接方式調(diào)整。

冷卻室側(cè)壁結(jié)構(gòu)更改：為解決空壓機檢修、更換困難的問題，將冷卻室側(cè)壁斜撐結(jié)構(gòu)調(diào)整，將靠近司機室側(cè)的斜撐取消，預(yù)留空壓機起吊空間。

車架邊梁結(jié)構(gòu)更改：司機室更換成流線型，車架邊梁側(cè)板下部分須改成曲面，因側(cè)板厚度為12 mm，工藝成型難度較大，故此次車架改進將邊梁側(cè)板拉直，調(diào)整與側(cè)板下邊緣相接的排障器輪廓，使二者過渡圓滑。

2.2 轉(zhuǎn)向架

構(gòu)架上焊接的電機吊座由鑄件結(jié)構(gòu)簡統(tǒng)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

由于原側(cè)梁端部成封閉型結(jié)構(gòu)，焊接工藝性差，側(cè)梁端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，成開放式結(jié)構(gòu)，提高了側(cè)梁焊接工藝性。構(gòu)架側(cè)梁原拉桿座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫多，焊接工藝性差。拉桿座優(yōu)化設(shè)計后，實現(xiàn)了與HD100B蘇丹動車的簡統(tǒng)，減少了焊縫，提高了焊接工藝性。

原焊接在車體橫梁上整車起吊座，由于車架橫梁成不對稱布置，轉(zhuǎn)向架整體起吊存在前、后轉(zhuǎn)向架差異。現(xiàn)車整體起吊采用對稱結(jié)構(gòu)布置，將車架橫梁不對稱處的整體起吊座更改為焊接結(jié)構(gòu)件，其他對稱位置整體起吊座保持與原設(shè)計結(jié)構(gòu)相同，實現(xiàn)了前、后轉(zhuǎn)向架簡統(tǒng)。

2.3 空氣制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)采用Wabtec公司的26-L型制動機，具備重聯(lián)功能。針對前幾批SDD1型機車運行情況及用戶車輛泄漏嚴(yán)重情況，將機車緊急制動方式由原緊急制動改為常用制動，減少列車組在線路上非正常停車時間。

將緊急制動下小閘增壓的制動缸壓力限制在420 kPa，避免用戶因誤操作而出現(xiàn)輪對抱死的情況。為提高管路清潔度和外觀質(zhì)量，減少制動故障，原制動管材質(zhì)由碳鋼管改為不銹鋼管。對管接頭進行簡統(tǒng)，將原廠標(biāo)接頭統(tǒng)一為鐵標(biāo)接頭，機車端部防塵堵板由固定結(jié)構(gòu)改為可調(diào)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)無火組裝。

3 應(yīng)用效果

2020年9月，中車資陽機車有限公司又獲得了27臺蘇丹SDD1型窄軌貨運內(nèi)燃機車訂單，關(guān)鍵技術(shù)提升性研究成果全部應(yīng)用于新制的SDD1型機車上，“中國造”的窄軌內(nèi)燃機車產(chǎn)品已徹底在蘇丹鐵路市場扎根，經(jīng)濟和社會效益顯著。目前完成研制的23臺已發(fā)往蘇丹，樣車實物見圖8。

圖8 樣車實物

4 結(jié)語

為更好適應(yīng)高溫風(fēng)沙環(huán)境下窄軌鐵路的要求，本文對SDD1內(nèi)燃型機車關(guān)鍵技術(shù)進行提升性研究并取得以下的研究成果。

1)針對沙漠風(fēng)沙運用環(huán)境，研發(fā)了模塊化進氣單元，降低了進氣阻力提高空氣過濾效率。

2)針對沙漠風(fēng)沙環(huán)境下原有瓦楞百葉存在通風(fēng)面積較小、防風(fēng)沙能力不強、機車高溫散熱能力等問題，結(jié)合機車總體布局，研發(fā)了一種新型的瓦楞百葉結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化濾器結(jié)構(gòu)、增加新型瓦楞百葉的安裝數(shù)量，提升了機車通風(fēng)散熱能力和機車防風(fēng)沙性能。

3)自主研發(fā)了微機控制系統(tǒng)，通過對機車上各種信號的采集，實現(xiàn)對機車的保護、故障診斷及其他控制功能，提高了機車在高溫風(fēng)沙環(huán)境的適應(yīng)能力和運行可靠性。