HXD2X型交流传动电力机车集成平台

李澍芩

(中国北车集团 大同电力机车有限公司,山西大同037038)

由于中国铁路线较长,且考虑到机车跨线路运输向长大交路发展,铁路运输对货运机车的等级提出了不同需求,在2007年3月12日与铁道部签订了500台大功率交流传动6轴(9 600 kW)货运电力机车。该机车以HXD2型8轴大功率交流货运电力机车技术平台为基础,机车总功率达到9 600 kW,单轴功率为1 600 kW,轴式为C0-C0,是目前世界上单轴功率最大的电力机车,整车设计水平达到国际一流。2009年6月同车公司按照市场招标机车的需求着手研制7 200 kW交流传动6轴电力机车,并于2009年12月完成该型机车的样机试制,于2010年5月和铁道部签订了220台大功率交流传动HXD2C型6轴、7 200 kW 电力机车采购合同。至此,同车公司HXD2X型交流传动电力机车技术平台已经搭建并逐步完善。

HXD2X型机车的设计坚持采用标准化、系列化、模块化、信息化的开发原则;机车的主要结构基本相同,各大部件采用技术成熟、可靠的产品;其中HXD2C型系列机车牵引电传动系统和制动系统可以搭载国内、国际知名公司的成熟产品,实现了部件的通用、互换,满足铁道部电传动系统和制动系统单独招标的技术要求,为提高机车整车质量及保证其技术的先进性奠定了基础。HXD2X型机车平台上的6轴机车预留了牵引旅客列车的设备和功能接口,可以根据需要增加相应设备;预留远程无线数据通信设备和功能接口,可实现机车状态及信息的车地及时通讯,并可实现机车的远程重联控制。表1为该集成平台开发制造出来的各型HXD2X机车的技术参数。

1 机车总体设计

HXD2X型机车总体布置的设计采用同一种整体设计集成式平台,机车在满足用户功能的前提下不但简化了设计输出,同时还方便了制造,缩短了新产品的研制周期,保证了产品的可靠性、通用性,方便了机车的检修维护。

表1 同车公司HXD2X型平台各类机车的技术参数

每台(节)机车的两端分别是司机室(生活间),见图1,通过中间走廊贯通。不论是8轴机车还是6轴机车,牵引传动中质量最重、体积最大的牵引变压器均吊挂在车体底架中部的下方,这种布置能够有效地降低机车的重心,提高机车的性能指标。

图1 HXD2X型机车车内设备布置系统集成平台

机车牵引电传动部分的能量变换装置及其冷却装置布置在车内中部,冷却系统采用油、水复合冷却塔,分别为牵引变压器和变流装置冷却散热。这样能够最大限度的节省空间,确保了机车牵引电传动部分的通用互换。辅助系统、控制系统、列车运行监控系统的车载设备成组、成屏柜组成通用化的模块,分别布置在机械间两端;制动系统和风源系统按照管路走向最短的原则,采用通用模块,集中布置在车内机械间。这样,对于HXD2X型的机车车体可以简化为相同机车车体结构,使得电气和机械接口较为统一。在每组通用的模块中,都能够体现相同的系统接口和功能。这种系统化布置的本身,不仅有效地节省了空间,降低成本,同时还具有安装和维修简单,增加了设备的通用性、互换性,提高了机车运行的安全性,所以是一种具有各种装备的现代化的机车总体设计。

2 牵引电传动及其复合冷却系统

HXD2X型机车牵引电传动系统综合考虑了国内、国外牵引电传动系统现有成熟产品的运用,不同公司的产品虽然在内部实现方式不同,但牵引变流器、牵引变压器、牵引电机等可以完全满足该平台的设计要求。同时,对于牵引电传动系统的每一个功能单元,都确定了一个固定的空间位置,由此可以实现搭载不同供应商的电传动系统。

机车的牵引电传动系统是围绕整个能量转换系统,按功能进行空间优化布置,由于机车采用先进的轴控方式,因此每个牵引变流柜中包括2组或3组相同的牵引变流器,每个牵引变流器由一个4象限变流器、三相逆变器以及中间直流回路组成,正常运行过程中,各牵引变流器单独工作,向牵引电机供电。在牵引变流柜的正下方,安装着牵引变压器。牵引变流器和牵引变压器发热元件的热量由散热器进行油路和水路的冷却循环,再由通风机进行强迫风冷,形成独立的变流、变压通风冷却模块。

牵引变流柜采用模块化结构设计,集成度高,性能可靠,电磁兼容性好。功率模块技术先进、工艺性好、质量轻,且冷却管路采用快速接头设计,功率模块更换方便,无需进行放水等作业。

图2 HXD2X型机车的牵引变流器

HXD2X型机车牵引传动系统的复合冷却装置有两种型式,图2所示为阿尔斯通牵引电传动系统,系统中牵引变流器及牵引变压器的散热器为独立散热器,通过空间组合使其形成串联通路,由一组通风机进行强迫风冷,见图3a;除阿尔斯通牵引电传动系统外其余供应商电传动系统的牵引变流器及牵引变压器的散热器采用复合散热器,牵引变流器的水管与牵引变压器的油管在外部分别与复合散热器相连组成冷却回路,同样由一组通风机进行强迫风冷,见图3b。无论是那种复合冷却装置都能够最大限度地减少连接的油路和水路,最大限度的节省空间。

3 辅助系统

HXD2X型机车的辅助系统主要由辅助电源、充电机、辅助负载和相应的辅助电器等组成。该系统采用冗余设计,确保机车的正常运行。每台机车辅助电源包括4路辅助变流器输出的三相交流电源和DC 110 V电源,辅助负载有3种:三相交流400 V负载、交流230 V和直流110 V负载。

图3 HXD2X型机车冷却系统风路

HXD2X型辅助系统的集成模式分为2种,一种模式是除辅助负载外,其余设备都被集中在辅助变流柜中,辅助变流装置采用DC-AC的变换模式实现电源的变换输出,其输入电源取自牵引变流器中间回路,每台机车有4组辅助变流器装置。这种模式适用于HXD2/HXD2B机车。

另一种模式是辅助变流装置集成在主变流柜中,辅助变流装置采用AC-DC-AC的变换模式实现电源的变换输出,其输入电源取自牵引变压器的二次交流绕组,每台机车两个辅助绕组,这种模式适应于 HXD2C型系列机车(图4)。

无论是那种模式辅助系统的机车都有两组辅助变流器装置,一组为变频变压型(VVVF),一组为定频定压型(CVCF),互为冗余,当其中任意一组故障时,另一组为所有的负载提供电源。

高度集成的辅助系统模块,可以提高控制系统的工作效率,减少故障,具有相同的安装方式,使得机械接口大大减少,同时还方便了设备的检修及维护。

4 制动系统

HXD2X型机车制动机采用Eurotrol制动机,该制动机是在SAB WABCO微机控制电空制动机基础上为满足中国铁路要求开发出来的,是符合UIC标准的新一代机车制动系统。

制动机系统包括制动柜、制动控制器、显示屏、基础制动装置等。

HXD2X型系列机车的制动机平台上的主要部件——制动控制器、显示屏、制动柜、基础制动装置可以搭载法维莱系统和克诺尔系统,不同供应商的系统达到了功能及安装接口的完全统一,增强了互换性。

图4 HXD2X型机车的辅助系统

HXD2X型机车的风源系统每台机车由2台螺杆压缩机、双塔干燥器、总风缸等组成,对于6轴机车这些部件与制动系统的部件集中在2个气动柜模块、1个制动柜模块和1个压缩机模块组件中,这4个模块集成在Ⅱ端机械间内;对于8轴机车,每节机车制动系统与风源系统组成制动柜模块、气动柜模块和干燥器模块,这3个模块集中布置在机车Ⅰ端机械间左侧位置。灵活合理的模块组合使得HXD2X型机车制动系统的功能更加完善、布置更加合理,有效的减少了管路走向,方便了设备的检修维护(图5)。

图5 HXD2X型机车制动系统模块

5 机车车体

HXD2X型机车车体以HXD2机车为基础,可实现对所有类型的机车完全相同的车体。在主体结构参数上(车体长、宽、高)保持了高度的一致性,除8轴机车结构参数不同外,6轴机车的主体结构参数完全相同(表1)。

车体的设计,具有超载承受能力,车体两端车钩处能够承受3 000 kN压缩载荷,2 500 kN拉伸载荷,静强度符合UIC566标准。

车体的主要模块包括底架、司机室、左右侧墙、台架等,如图6所示。

图6 HXD2X型机车车体的模块化结构

为了适应不同电传动系统的需求,同时满足相关设备的通风冷却要求,只需对台架的设备安装接口以及顶盖和侧墙的通风口做适应性更改。这种创新的平台设计措施,提供了部件布置的灵活性。

6 司机室的人机工程学及操纵台

HXD2X型机车平台上具有高度统一的司机室,不论是8轴机车还是6轴机车,司机室的结构、设备、功能等完全相同。司机室设计满足UIC651的要求,前窗视野开阔,符合中国境内信号瞭望的要求。司机采用中央驾驶,司机座位和操纵台的布置符合人机工程学原理,可减少司机的疲劳感并简化驾驶动作。司机室设计具有4个特点:①较大空间(挡风玻璃和司机室后墙间距约2.2 m);②具有一套围绕司机的合理空调通风系统;③司机室的总体设计满足隔热降噪的要求;④活动坐椅可满足司机在任何紧急情况下逃生的要求;

司机操纵台采用源于法国技术的单司机值乘的操纵台,功能区域划分清晰、合理,充分考虑了人机工程学要求。台面上操纵台上的设备环绕司机坐椅布置,台面上的制动控制器及制动显示屏可以满足法维莱或克诺尔等制动系统的要求(图7)。

图7 HXD2X型机车司机操纵台

简统化的设计,合理的功能区的划分使得司机操纵更加安全、合理,简洁;同时缩短了产品的研制周期。

7 控制系统和列车安全装置(图8)

HXD2X型电力机车的控制系统由微机控制系统、网络通信系统和DC110 V电气控制电路组成。HXD2/HXD2B机车的网络通信系统是基于WorldFIP总线的微机网络监控系统,整套微机网络监控系统采用模块化设计,具有充分的可扩展性,可按照用户要求,适当的增加或减少接入FIP网络节点;HXD2C(A)方案机车(东芝系统)微机网络列车级网络采用以太网通讯,车辆级网络采用RS485通讯,微机网络控制系统与BCU的通讯采用MVB总线;HXD2C(B)/HXD2C(C)方案机车(时代电器/庞巴迪)控制系统采用基于TCN网络标准结构形式,通过车辆总线连接车内各相关设备,通过列车总线实现机车重联控制,列车级网络通讯采用WTB总线,车辆级网络通讯采用MVB总线,BCU与BDU(制动显示屏)之间通讯采用RS485总线。整个系统结构采用了设备冗余和线路冗余方式,确保了控制系统的可靠性。

HXD2X型系列机车不论采用那种网络结构,其模块的集成是相同的,它们都具有相同的结构和机械接口,相同的功能要求。

图8 HXD2X型机车控制系统模块

HXD2X型机车的DC110 V电气控制电路,包括有接点电路指控制电源为DC110 V(包括DC24 V)的低压电气控制电路、列车超速防护设备、列车通讯设备、无线重联控制设备等,用于提供部分不接入微机网络的DC110 V设备的控制功能。列车运行控制系统车载设备、显示设备、地面信号接收装置以及由控制机箱组成的2组电器屏柜模块都具有一致的功能和相同的机械和电气接口。

8 转向架(图9)

HXD2X型系列机车平台上的走行部包括B0转向架与C0转向架,8轴机车采用B0转向架,6轴机车采用C0转向架。B0转向架与C0转向架的不同的部件有构架、二系悬挂和牵引装置,除此之外的结构基本相同,因此HXD2X机车走行部零部件的互换性及通用性具有较高的一致性。

图9 HXD2X型机车转向架

9 其他装置

铁路运输方面的安全性是影响铁路安全运输的重要环节,火灾的预防及消防措施又是影响安全性的重要指标。HXD2X型机车在火灾的预防及灭火方面的技术有了相对的提高,首先在非金属材料的防火性能上,对材料的氧指数及烟密度都作了明确的规定;电线电缆采用法国和欧洲的防火标准;HXD2/HXD2B机车设有火灾报警系统,当机械间温度升高,连接到总风管的火灾监测管路发生泄漏,相应火灾检测压力开关动作,将信号送至司机室报警,司机确认是否存在火灾后进行相应操作。

HXD2X型机车重要部件都增加了RAMS(全寿命周期)要求,把可靠性、可用性、可维护性、安全性指标首次纳入到机车重要零部件中,进而推广在整个机车产品,提高机车产品的全寿命周期,确保机车安全、可靠的运行。

10 相同部件

统一的机车设计平台,使得HXD2X型机车上具有最多的相同部件,具有以下优点:(1)高灵活性的系统集成,为机车的设计及制造争取到了时间;(2)由于减少了接口,提高了部件的通用性、互换性,简化了维修;(3)简化了基础设施,包括配件和工具的数量、种类等;(4)在售后服务、编制检修维护手册、培训方面实现一致性。(5)机车系统集成贯彻以维修为导向的设计理念,采用基于系统功能为基础的模块化设计方法,部件的互换性、维修性和可靠性大幅提高。(6)转向架创造性采用了整体化的抱轴箱、牵引齿轮悬挂简支结构以及铸铁齿轮箱设计,有效提高了机车转向架运行的可靠性。

11 结论

同车公司HXD2X型平台上机车总体结构的模块化设计提高了产品形式的可塑性,拓展了产品种类并加快了新产品的更新速度,有利于提高产品的标准化、系列化、可维护性和可使用性,被认为是通用化水平最高的机车。因此对于HXD2X型平台上的各型机车及按用户所需的加装设备,通过简单的配置,就可以完成设计,这样就形成了部件高度一致性的集成平台。

HXD2X型系列机车平台,具有最现代化的机车技术,从机车的设计到交付使用,它可以灵活地满足用户对产品的不同需求,能够满足当前铁路运输快速发展的需求。

[1] 张曙光.HXD2型电力机车[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[2] 张 中.HXD2型大功率交流传动货运电力机车牵引电传动系统[J].机车电传动2008(6):5-8.