出口非洲机车的运用分析与未来机车开发设想

李廉枫

(南车资阳机车有限公司技术中心,四川资阳641301)

随着发展中国家经济的发展,运量将大幅增加,铁路装备的需求量也随之大幅增加,美国GE和EMD、德国西门子、法国阿尔斯通、加拿大庞巴迪等世界知名公司利用已搭建完善的机车技术和产品平台大力开发国际市场,其产品以先进、可靠的优势赢得世界各国青睐。

近年来,我国铁路实行快速发展战略,通过自主创新,机车的设计水平和制造质量有了极大提高,同时,各机车制造公司积极开拓国际市场,大量出口自主开发的新型机车,积累了出口非洲、亚洲、拉美等国家机车开发的大量经验,以较低的价格、高的性价比、最短的交货期以及良好的售后服务赢得广大发展中国家铁路用户的青睐,内燃、电力机车等轨道装备纷纷出口到亚洲、非洲、拉美等国家。

1 主要出口机车

非洲市场是重点开拓的市场之一,已有5种型号50余台内燃机车在非洲铁路上运用,除了CKD8C型内燃机车不能满足纳米比亚铁路运用外,其余4种车型均很好的满足用户要求,其中,SDD1和SDD1A型内燃机车已经成为苏丹铁路的主型机车,成为未来苏丹铁路采购内燃机车的首选产品,资阳公司也成为苏丹铁路机车用户合作伙伴。资阳公司已出口非洲机车的主要技术参数见表1。

表1 已出口非洲机车主要技术参数

2 出口机车运用分析

2.1 机车运用数据统计

根据出口苏丹机车的质量信息进行统计分析,按照发生故障的部件统计情况见表2,按照故障来源情况统计见表3。由于原始资料的收集不详细完整,统计结果并不能全面反映部件发生故障的绝对数值,也不能进行诸如零部件可靠性和寿命等内容更深入的分析,但可以大体地反映影响机车整体性能和可靠性的因素,为今后提高机车可靠性奠定一定的基础。

2.2 机车运用故障原因分析

从表2、表3中可以看出,外购件故障是影响机车整体性能的重要原因,约占44%,外购件故障主要有以下两方面的原因:

表2 部件故障统计

表3 故障来源统计

(1)产品不能完全满足特定的运用环境(高温、风沙、线路差等)和使用要求;

(2)本身质量问题。

从表2、表3中可以看出,与设计、制造和试验等环节有关的故障约占36%,其主要原因有以下3方面:①设计理念和结构不能满足特定的运用环境和使用要求。②制造质量不高,仅螺纹连接造成的故障占总故障次数的10℅。③厂内试验不充分,质量控制不科学。

为此,应提高机车开发水平,严格控制各零部件质量,提高机车整体性能和可靠性。

3 未来机车开发的设想

3.1 非洲铁路基本特点

(1)自然环境普遍恶劣,既有热带沙漠气候,也有热带雨林气候,气温高,最热季节气温可达50℃,风沙大。

(2)铁路状况极差,路基差、路轨差,机车设计的动载荷系数在0.7以上。

(3)铁路运营均采用轮乘制,司机没有处理突发事件的能力和责任,技术人员的维修能力和水平较低。

(4)非洲各国主要以内燃牵引为主。

(5)机车轴重在13.5 t～18 t之间,功率在1 500～2 000 kW之间,随着新型线路的修建,未来轴重可能达到21 t,功率3 000 kW左右。

3.2 设计准则

非洲各国或地区铁路的内燃机车运用条件存在着一定差异,如果针对每个铁路用户的运用条件来设计机车,固然能够保证技术上的运用性能,但是明显存在着不经济和质量得不到保证的风险。内燃机车的设计思想就是在避免发生上述风险的前提下,尽可能满足各个用户的不同需求,为此应采用以下设计准则:

(1)采用模块化设计理念;

(2)采用先进、成熟可靠的零部件;

(3)机车平均无故障间隔时间更长,并且维修方便;

(4)经济合理的寿命周期成本。

3.3 设计思想与关键技术

3.3.1 交直流传动内燃机车的完善与升级

内燃机车交直流传动技术在我国设计、制造和运用已经非常成熟,特别是和谐号机车的发展,一些交流传动机车的配套技术和装置随后也将被移植到交直流传动机车上,从而使得交直流传动机车更加完善,目前,交直流传动内燃机车主要有以下3个特点:

(1)交直流传动技术成熟、部件可靠

从以上机车运用分析结果也可以看出,机车的交直流传动系统各部件是相当可靠的,在苏丹恶劣的环境下运用已近5年,还未出现由机车交直流系统部件直接引起的故障,采用滚动抱轴承结构的交直流牵引系统除了牵引电机定期更换碳刷之外,相比交流牵引不需要其他额外的维护。

(2)价格优势

即使随着交流传动技术快速发展,两种型式内燃机车的差价在进一步缩小,交直流传动内燃机车价格约为交流传动内燃机车价格的70%,在价格指标方面还有相当的优势。

(3)特定的运用条件限制了交流传动机车性能的发挥

目前,非洲大部分铁路较落后,轴重低,且牵引吨位不高,运行速度不高于60 km/h,交流传动内燃机车并不能很好地发挥应有的优势,交直流传动内燃机车完全能够满足非洲国家铁路运用的需要。

根据目前的发展形势来看,在未来10年左右的时间内,直流传动内燃机车在非洲还有很大的需求市场。因此,很有必要以现有出口内燃机车为原型,积极深入用户现场调研和分析,并进行系统性的整改、简化、优化、完善等工作,以期达到以下目标:

(1)机车更符合用户的使用要求;

(2)提高机车整体可靠性;

(3)操作更简单,维护量更少;

(4)降低制造成本和售后服务成本,增加利润。

3.3.2 交流传动技术

在交直流传动内燃机车完善升级的同时,还必须加大交流传动内燃机车的研制,以获得更有前景的未来市场。

相比交直流传动内燃机车,交流传动内燃机车具有更高的牵引力、恒功速度范围广、更大的黏着力和制动力,因而特别适合于重载、快速、存在长大坡道的铁路线路。从机车整体性能和运用维护角度,内燃机车的交流传动系统较之直流传动系统有许多优越之处,这一点为世界铁路行业所公认,传动方式交流化是未来机车发展的趋势。非洲铁路需求交流传动内燃机车的主要原因有以下两点:

(1)非洲经济发展的实际需求

随着世界格局的变化,发达国家为寻求更大的发展空间,积极加强同非洲各国进行广泛的合作,非洲经济的快速发展,非洲铁路将面临很大的压力,需要现代化高效率的铁路和牵引装备,以满足高速、重载运输的需要。

(2)铁路交流传动技术运用优势的引导

随着交流传动技术快速发展和普及,两种传动型式内燃机车的差价在进一步缩小,特别是美国等发达国家知名公司对国际机车市场的引导和积极开拓,非洲等不发达国家在电传动机车采购中也逐步倾向于交流传动内燃机车。

根据目前的发展形势,大约5年后,交流传动内燃机车将至少占居未来非洲内燃机车采购数量40℅～50℅的份额,因此,积极开发低成本的、高可靠性的内燃机车交流传动系统有着深远的市场价值。

3.3.3 径向转向架

机车径向转向架是80年代末至90年代初国际上发展起来的新型机车转向架,既适合重载货运,又适合于客运;既适应于山区线路,又适合于干线运输。世界上应用较好的径向转向架主要有德国的E120机车、瑞士的460机车、美国的SD70M-AC机车以及南非的3 000 VDC机车等,其中,美国GM公司设计制造的径向转向架属于3轴、高黏着、重载、货运内燃机车,是目前世界上径向转向架运用最成功的例子。至今,国外已有3 000台以上的装用径向转向架的机车在成功运用。

国内机车在径向转向架的开发和运用方面也做了大量有价值的工作,主要在 DF4D、DF7D、DF8B等成熟车型的机车上进行径向技术改造,在中国铁路上有近30台采用径向转向架技术的内燃机车在成功运用。

理论分析和国内外应用实践均表明,采用径向转向架技术能有效降低机车轮缘和钢轨的磨耗、减少曲线黏着降低、改善牵引性能、提高曲线通过能力,而且对提高机车在曲线上的安全性能,效果也比较显著。国内实际运用测试发现,轮缘万公里平均磨耗量为0.046 mm,踏面万公里平均磨耗量约为0.115 mm,即HTCR径向转向架机车运行约60万km后由于车轮踏面的磨耗到限才进行旋轮,是普通转向架的4倍多。

径向转向架以其优良的特性必将在新开发机车和重造机车中普及使用,因此,需充分总结现有研究成果,并继续加大研发力度,开发适用于准轨、窄轨和宽轨的低成本、结构简单、维护量少的径向转向架。

3.3.4 全寿命周期成本

寿命周期费用(LCC:Life Cycle Cost)是指设备或系统在预定的寿命周期内为购置和维持其正常运用所支付的全部费用,是一个非常重要的经济参数,已成为现代质量观念的重要内涵和要素。

对于铁路运输企业来说,如何节约运营费用的问题备受关注。近年来,某些国家在采购机车车辆时非常注重寿命周期的费用指标,在采购合同中,不仅对机车车辆有明确的性能要求,而且还要求给出寿命周期的费用计算,并在机车车辆交付使用后对合同规定的寿命周期费用指标进行严格的验证。全寿命周期费用将成为未来机车车辆国际采购中的一项重要指标,如何在保证机车、车辆等产品使用性能的前提下,降低其寿命周期费用,已经成为机车车辆购销双方共同关心的问题。

机车寿命周期/安全性(LCC/RAMS)数值直接影响其在市场上的竞争能力,因此,机车制造商除了提升公司自身的设计和制造水平之外,还应向部件供应商提出确保其部件性能的担保要求。对于机车制造商来说,机车成本至少应包括设计、制造、试验、运输、交验、培训与售后服务、质保期等阶段所产生费用,并受到机车潜在市场的影响,直接影响到公司的实际利润。所以,机车的开发应立足于机车全寿命周期成本的角度,通过改善可靠性、维修性、可用性和安全性(RAMS),优化机车制造成本和降低全寿命周期费用,以提高机车在国际市场上的竞争力。

为此,公司很有必要就所开发的内燃机车进行寿命周期费用的研究,对于指导公司产品的销售决策、零部件采购决策等具有重要的现实意义。

4 结束语

非洲各国不具备机车设计、制造能力,与铁路配套的机车主要来自美国、德国和日本以及俄罗斯,虽然近年来也从中国、印度和南非等国家购买了一些新造机车和二手机车,整体水平仍处于上世纪80年代的水平。

因此,充分考虑非洲铁路多年的运用习惯,基于LCC/RAMS的思想和方法,以模块化设计理念开发结构简单、低成本、高可靠性的径向转向架、交直流传动、交流传动内燃机车,对于开拓未来的非洲市场有着深远的经济意义。

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