和谐型机车关键核心技术自主创新及简统化

查广军

(中国铁路总公司 科技管理部，北京，100844)



和谐型机车关键核心技术自主创新及简统化

查广军

(中国铁路总公司 科技管理部，北京，100844)

和谐型机车在铁路运输中扮演着重要角色，但其引进技术平台较多，并且部分核心技术未转让，导致机车装备的维护成本一直居高不下。为有效降低铁路装备使用及维护成本、提高铁路运输的竞争力，需系统研究和谐机车自主创新和深入推进机车的简统化工作。总结分析近年来我国交流传动机车技术发展、和谐型内电机车技术引进、消化吸收及再创新有关情况，就大功率交流传动和谐型内电机车整车及关键核心技术自主创新和简统化工作进行了梳理并对下一步自主创新及简统化工作的方向提出了建议。

机车； 核心技术； 自主创新； 简统化

近年来，随着大功率交流传动和谐型内电机车的大批量投入运用，中国铁路牵引动力已进入交流传动牵引时代。和谐型机车完成的牵引工作量已经超过直流传动机车完成的牵引工作量。

为更好满足铁路运输牵引需求，保障和谐型机车可靠运用，降低运用检修成本，原铁道部及中国铁路总公司组织南、北车集团所属相关企业和科研院所等，围绕和谐型机车关键核心技术自主创新和简统化开展了一系列科研攻关，取得了许多重大科技成果并付诸应用，同时对今后一段时期的工作提前进行了谋划。本文就和谐型机车关键核心技术自主创新及简统化工作进行简要梳理回顾，并对下一步工作提出建议。

1 和谐交流传动机车现状

目前，已在中国铁路投入批量运用的和谐型交流传动内燃、电力机车共有以下车型：HXD1、HXD2型8轴9 600 kW交流传动电力机车，HXD1B、HXD2B、HXD3B型6轴9 600 kW交流传动电力机车，HXD1C、HXD2C、HXD3、HXD3C型6轴7 200 kW交流传动电力机车，HXD1D、HXD3D型6轴7 200 kW交流传动快速客运电力机车；HXN3、HXN5型6轴4 410 kW(6 000马力)交流传动内燃机车；HXN3B、HXN5B型6轴3 234 kW(4 400马力)交流传动内燃调车机车[1-3]。正在研发和运用考核中的有HXD1F、HXD2F两种30 t轴重8轴9 600 kW交流传动电力机车、交流传动快速客运内燃机车、8轴交流传动快速客运电力机车及高原型交流传动内燃机车等。

以上和谐型机车中，早期的HXD1、HXD2、HXD3、HXN3、HXN5型机车为技术引进、联合设计、分阶段国产化；HXD1B、HXD2B、HXD3B型机车为整车自主系统集成和制造、部分关键系统技术引进或中外合作；HXD1C、HXD2C、HXD3C型机车为完全自主设计制造。

近期对HXD1、HXD2、HXD3等型机车的牵引变流器和网络控制系统、制动系统等关键技术进行了自主研发替代，更充分地实现了整车的自主化。

2 机车关键核心技术自主创新

为全面深入掌握交流传动机车关键核心技术，铁路系统近年来组织开展了一系列科研攻关，在许多领域取得了实质性进展。

2.1 机车整车集成

目前，我国铁路机车制造企业已完全自主掌握了交流传动内燃、电力机车系列车型的设计制造技术，具备根据用户需求，设计对应的机车能力，如大同电力机车有限责任公司(简称：同车公司)和南车株洲电力机车有限公司(简称：株机公司)生产的针对晋中南通道使用的30 t轴重HXD1F,HXD2F机车，整车系统集成能力和技术水平已跨入国际先进行列。

2.2 牵引与网络控制系统

国内相关单位已自主研发了具有自主知识产权的牵引与网络控制系统，完成了相关型式试验和运用考核。

如HXD1引进原型车网络控制系统采用德国西门子公司的SIBAS32网络控制系统，列车级采用WTB网络，车辆级采用MVB网络，为两级总线式拓扑结构，牵引系统采用西门子系统[1]。国产化HXD1及HXD1C、HXD1D型机车采用南车株洲电力机车研究所有限公司(株洲所)的DTECS网络控制系统、具有完全自主知识产权，牵引系统采用株洲所系统。

HXD2引进原型车微机网络控制系统采用的是法国阿尔斯通FIP网络系统，通信结构分为两级：车辆级通信和列车级通信，对应的FIP网也分为两级：FIP车辆网(FIPV网)和FIP列车网(FIPT网)，牵引系统整体采用阿尔斯通系统[2]。

国产化HXD2及HXD2C、HXD2F机车采用北车大连机车研究所有限公司具有完全自主知识产权的北车心网络控制系统，车与车之间采用WTB进行信息传输。通过TCNGW网关完成列车级信息与车辆级信息的转换；牵引系统采用北车心系统，并根据运用需求，将轮周功率从引进原型车的10 000 kW降为9 600 kW。

2.3 微机网络控制的机车制动系统

株机公司、北车青岛四方车辆研究所有限公司和北京纵横机电技术开发公司分别研发了具有自主知识产权的DK-2型、JZ-8型和CAB型微机网络控制的机车制动系统。其中DK-2型机车制动系统已完成研发，通过了中国铁路总公司组织的技术评审，并已在HXD1、HXD1C、HXD1D机车上批量装车应用。JZ-8型和CAB型机车制动系统已通过铁路总公司组织的装车试用评审，正在组织运用考核。

虽然新研制的各型号机车制动机在控制技术及模块化程度上存在差异，但它们仍然为铁路机车车辆行业自主创新的标志性产品，完全能满足电力、内燃机车对机车制动系统的操纵、控制和安全性能的要求，可替代目前占领我国机车制动系统市场的进口产品，降低机车制动系统运用与维护成本，减少对进口设备的依赖性，打破国际巨头技术垄断，符合当代中国铁路自主创新技术发展的要求。针对现有制动机在运用中出现的问题及简统化需要，国内厂家着手研制下一代制动机，其主要特点[3]如下：

(1)系统采用模块化设计，板式安装，便于维护和检修。

(2)系统采用计算机控制、网络传输制动指令。

(3)系统主要模块采用冗余设计。

(4)操作简单、易行。

(5)系统具备500,600 kPa两种定压模式，能满足客、货运，具有补风及阶段、一次缓解功能。具有断钩保护等功能。

(6)解决现有制动机运用存在的问题。

2.4 大功率机车车轮

中国铁路总公司组织中国铁道科学研究院(简称：铁科院)、马钢集团公司等单位，进行了大功率机车车轮运用情况调研，国内外车轮技术及标准分析，轮轨关系和车轮结构及可靠性研究，车轮材料及制造工艺研究及工业化试制，车轮实物综合性能分析检测，整体辗钢机车车轮技术条件制定。对试制的大功率机车车轮完成了两个阶段24台和谐型机车308片车轮的装车运用考核。目前已通过中国铁路总公司组织的技术评审，已在逐步装车应用。太原重工股份有限公司也已试制了部分车型的机车车轮，准备装车进行运用考核。

2.5 内燃机车柴油机

随着6 000马力大功率交流传动内燃机车的技术引进及国产化，结合国内既有机车用柴油机研发制造技术基础和对引进技术的消化吸收再创新，自主研发的12缸280及265柴油机已完成研制，已在HXN5B和HXN3B型4 400马力交流传动内燃调车机车上装车应用。这两种柴油机的研制也为4 400马力中等功率等级系列内燃机车技术平台的搭建奠定了基础。

2.6 和谐型内电机车油脂

中国铁路总公司组织铁科院与国内石化系统合作，开展技术研究，对各种型号的和谐型内燃、电力机车所用的各种进口油脂进行全面研究开发，目的是实现完全自主替代。现已对柴油机油、齿轮油、压缩机油、变压器油、轴承脂等进行了配方筛选研究、台架试验，已完成在几十台和谐型内燃、电力机车上进行的装车对比运用考核，2014年通过了中国铁路总公司组织的技术评审。

2.7 和谐型机车安全保障技术

中国铁路总公司组织铁科院、信息技术中心等单位研发的机车车载安全防护系统(6A系统)和机车远程监测与诊断系统(CMD系统)可实现机车走行部、空气制动、高压绝缘、列车供电、防火监控、视频监视等安全防护，以及机车状态信息、报警信息及运行监控信息的汇总分析、车地传输和地面综合应用。已在和谐型机车批量装车应用。为和谐型机车的安全可靠运用和方便维护检修提供了技术支持。

2.8 其他关键核心技术自主化

和谐型机车其他关键核心技术，如车体、转向架、牵引变压器、牵引电机、辅助系统、受电弓、高压电器等，在大功率机车技术引进之前，国内已具有相当的技术基础，近几年，结合引进技术的消化吸收和再创新以及中国铁路和谐型机车的大量生产和运用，这些关键设备的技术水平得到进一步提升，完全具备自主设计制造能力。

3 和谐型机车简统化

随着和谐型机车品种型号的逐步增多，机车简统化工作的重要性更加凸显。为便于和谐型机车的运用乘务和检修维护，铁路总公司正在积极推进和谐型机车简统化工作。

(1)和谐型机车目前在车轮直径及踏面外型、车钩及安装高度、网压适应范围、受电弓等高压电气性能指标、车体强度等方面已实现简统化。

(2)机车运用操作、检修及整备接口正逐步进行简统。目前，在速度160 km/h交流传动客运电力机车及研发中的30 t轴重交流传动货运电力机车上，已基本实现不同厂家的机车在司机室布局及功能、控制及保护功能、检修及整备接口、电气重联控制及互联互通等方面的简统。

(3)正在推进机车重要系统及部件互换。目前，同厂家同型号机车、同厂家不同型号机车、不同厂家同平台机车，在部分车型上分别进行了牵引、制动系统和受电弓、车钩等部件的整体互换，以及轮轴驱动、牵引电机、变流器模块、高压电器、控制等系统的统一，同时，部分车型间正在推进钩缓装置、高压安全联锁装置、制动盘和闸片、车轮毛坯、轴箱轴承等互换。

针对各主要系统的特点，需制定不同部件互换推进方案。以HXD3系列机车牵引系统为例进行说明。HXD3系列机车牵引系统参数如表1[4-5]所示。

表1 大功率HXD3系列电力机车牵引系统参数

目前已经实现高压电器简统化，根据HXD3系列电力机车牵引系统可知：从机车单轴功率等级来看有1 200 kW和1 600 kW两种；中间电压等级均为2 800 V；开关器件均为IGBT 4.5 kV；从中间回路结构方式来看有独立中间回路和共用中间回路两种。既有机车牵引变流器基本保持了参数一致性，但是由于机车功率不同，轴数不同，有无谐振电抗器的不同及安装机械接口不同，实现简统化也比较困难。但后续新型机车则可以根据轴功率、轴数研制，从而满足变流器或功率模块的简统化要求[5]。

对于后续车型，牵引系统简统化可以按如下方案：

高压电器部分：根据机车总功率、最高允许速度进行选型简统。

牵引变压器：根据机车轴式、电压等级、配置结构逐步形成系列产品，实现统一性能参数变压器的简统化、系列化，减少不必要的重复开发。

牵引变流器：根据中间电压等级、组合形式(主、辅集成)、冷却塔形式进行简统化设计，优先实现TCU单元、功率模块、冷却单元等部件的简统化。

功率模块：从功率模块的角度，采取模块化、标准化、简统化设计，在相同等级的电压和容量下，功率模块的输入输出参数一致，均可采用简统化设计。

牵引电机：根据变流器中间电压等级、功率等级、机车速度等级进行简统化设计。

4 下一步工作

4.1 核心技术自主化

下一步将针对机车轴承、内燃机车柴油机电喷控制、增压器等关键技术及交流传动机车相关检修技术组织自主创新科研攻关，更全面深入地实现交流传动机车各项关键技术的自主化和早期引进产品、特别是易损易耗品的高水平自主替代。

4.2 简统化

机车简统化下一步还将就关键系统及重要部件研究确定统型方案，在互联互通、运用操作、检修整备、部件互换、控制逻辑、安全设施等方面进一步实现接口简统和内电互通。

5 结束语

和谐型机车自主创新和简统化工作得到了铁路系统和行业研发制造单位的高度重视，投入了相当多的人力、物力和资金支持推进各项工作，取得了显著成效，当然也还有很多后续工作需要不断深化扩展和进一步提升。和谐型机车自主化和简统化水平的提高，将对中国铁路牵引动力的技术升级、运营效率的改善、运营维护成本的降低、安全可靠性的强化及中国铁路自主技术装备走出去等提供坚实有力的技术保障。

[1] 廖洪涛.和谐HXD1型大功率交流电力机车概述[J].电力机车与城轨车辆,2007, 30(1):7-10.

[2] 马延品.基于TCN与WordFIP网络的HXD2机车微机控制系统比较[J]. 中国新通信. 2014, (19):115-116.

[3] 闫志强，林 晖. 机车制动系统简统化及自主替代策略、总体方案研究[R]. TY字第3885-3号，北京：中国铁道科学研究院，2014.

[4] 杨守君.HXD3型交流传动电力机车[J].电力机车与 城轨车辆 2007, 30(4):9-13.

[5] 陆 阳，宋永丰.机车牵引传动系统简统化及自主替代策略、总体方案研究 [R]. TY字第3885-1号，北京：中国铁道科学研究院，2014.

Indigenous Innovation and Simplification of core technologies on HX-type Locomotive

ZHAGuangjun

(Department of Technology Management, China Railway Corporation, Beijing 100844,China)

HX-type locomotive plays an important role in our railway transportation. However the introduced technology platforms are diverse and some of the core technologies are not transferred, resulting in the high maintenance cost of the locomotive equipment. To effectively reduce the cost of the railway equipment using and maintenance also improve the competitiveness of the rail transport, there needs to systematically study on Indigenous Innovation and promote the Simplification of HX-type Locomotive. This paper analyzes the recent technology development of AC drive locomotive, the introduction, absorption and re-innovation situation of the HX-Type locomotive as well as the core technology innovation and simplification of HX-type high power AC drive diesel and electrical locomotive. Moreover it gives recommendations for future works of innovation and simplification.

locomotive; core technologies; Indigenous Innovation; Simplification

1008-7842 (2015) 03-0063-03

��)男，高级工程师(

2015-05-04)

U262.0，U264.0

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.15