卡特柴油机在攀钢内燃机车动力改造中的研究及应用

金造权

（攀枝花钢钒有限责任公司物流中心，四川 攀枝花 617000）

1 国内外相关技术与产品的现状和发展趋势

铁路运输在国民经济发展中，在国家物流运输系统中扮演着重要角色。攀钢物流中心现配备内燃机车48台，其中180型柴油机机车27台，约占56%，最早于1987年投用，平均使用年限已超过20年，绝大部分机车已进入报废期。目前该类机车柴油机严重老化，故障频繁，其中柴油机故障占机车故障80%以上，且备件采购困难，维护检修成本较高。

资料表明，欧美一些发达国家对旧车均采取局部改造的方式使旧车换新颜。通过充分挖掘旧车潜力，从而达到降低了投资成本的同时提高使用效率的目的。美国从上世纪末就开始着手实施机车改造工作，一般旧改新的投入成本为新造机车总价的40%～60%左右，通常情况下，经改造后的机车可以继续使用约15年，接近一台机车的一个寿命周期。

而国内对老旧机车进行改造的研究较少，而通过采购新型柴油机对原旧机车进行改造，一方面可节约高额固定资产投资，另一方面可延长机车的使用寿命10年以上。因此，对工矿企业来说，改进旧机车动力系统延长其使用寿命的研究和探索是十分必要的。

2 内燃机车动力系统改造的设计思路

改造对象采用攀钢1987年购置的DFH5型内燃机车，首先根据DFH5型内燃机车的动力及传动配置参数筛选与之匹配的柴油机，然后需要根据新型柴油机的参数配置对原机车未改造的传动、电气、循环系统等进行验算，满足机车整体输出功率不降低，同时兼顾减少故障点以及节能降耗的目的。

2.1 DFH5B机车基本参数（表1）

表1 DFH5B型机车基本参数

2.2 柴油机选型

本次机车改造的基本原则就是在满足机车性能前提之下，做到最大限度的不变动。液力传动箱最好不做变动调整，因此柴油机的转速及功率要尽可能的与原装12V180ZJ型柴油机保持一致。在综合考虑性价比、可靠性等因素后，倾向装用CAT公司的3508C-DM8758型柴油机（特性曲线如图1）完全满足了DFH5B机车的装车要求。

图1 3508C-DM8758型柴油特性曲线

该型柴油机是V型、8缸、增压、空气中间冷却、电子控制喷射、缸径170mm、行程190mm的高速柴油机。该型柴油机拥有先进的电子系统，新的电子控制泵喷嘴燃油系统，以及改良的活塞和凸轮轴，比一般同级柴油机节省10～20%的油耗。再加上采用的排气装置，更能降低排烟，有效地减少排气中有害气体的含量，使其排放达到EUROII标准水平。

CAT3508C型柴油机拥有先进的电子监控系统，通过外接软硬件，建立柴油机运行模型、检查运行状态并自行诊断、显示故障的起因，从而确保柴油机更加安全可靠地进行工作。

2.3 功率计算

（1）机车辅助功率。

效率选取：

万向轴η万=0.993；圆柱齿轮η圆=0.985；锥齿轮η锥=0.97；耦合器η耦=0.95。

换算到柴油机曲轴上的功率为：

（a）辅助电机：N电=31kW

（b）控制泵：4马力

（c）供油泵：N供=20.7马力

（d）风扇：90马力

N辅=43.4+4+22.15+98.9=168.45马力

上述几项同时进行工作机会较少，故取其2/3作为本机车的辅助功率。即N辅=112.3马力=82.57kW。

（2）传动箱特性。

（a）变扭器泵轮吸收功率NB：

柴油机装车功率：N柴=920kW

NB=（N柴-N辅）×η万×η圆=（920-82.57）×0.993×0.985=819kW

（b）用B45作为起动变扭器，其有效直径DⅠ=0.485m；B85作为运转变扭器，其有效直径DⅡ=0.38m

（d）在此泵轮转速下，泵轮吸收功率NB：

式中：γ=830kg/m3（工作油90°时的重度）

起动变扭器取i=0.45时的λB=0.67×10-6作为计算点。

（3）机车功率。

ZJ2011型液传箱泵轮标定吸收功率：714kW

N机=N辅+NB=82.57+714=796.57kW＜920kW

故装用3508C-DM8758型柴油机，在转速1500r/min时柴油机功率有13.4%的冗余。因此，装用CAT3508C-DM8758型柴油机功率完全满足ZJ2011型液传箱吸收功率等级。

2.4 柴油机辅助系统

（1）柴油机组安装。柴油机先通过油底壳安装孔安装于两个自制的安装架上，再通过4个橡胶弹性支座固定于车架上以减少和消除由柴油机传递到车架的振动力和由车架传递到柴油机的振动。柴油机输出端与传动箱的联结选用BC41/7.5/140型高阻尼簧片式联轴节以缓冲、减振和提高轴系动态性能。

（2）燃油系统。燃油系统主要由燃油箱、油水分离器、燃油管路等组成，并与柴油机本身的内部燃油系统形成一个完整的供油系统。根据柴油机对油品的要求，在燃油进柴油机前的管路中设油水分离器，以除去燃油中的水分及杂质。

（3）进气系统。车内自然吸气。采用CAT柴油机自带空滤器，其性能可靠、结构简单。但存在进气温度过高、空气清洁度不足降低纸滤器的寿命等风险。针对此问题，建议先按此方案实施，机车试运中如若出现上述问题，可以增加防沙网及惯性式空气滤清器。

（4）排气系统。排气采用一个90°弯头（CAT配件）将增压器排气口引向车体顶盖。根据CAT公司人员建议，将排气管道分为独立的两路，以排除异物落入排气管道同时对左右两边增压器等柴油机部件的损坏可能。

（5）冷却装置。3508C水系统只有一个进口和两个出口，高温水系统设有恒温阀，水温达到84℃时开始动作，92℃时全开参与循环。初步散热计算3508C柴油机装用23节散热器（散热量约41kW/节）及装用现车的额定转速1680r/min的φ1280mm的轴流式风扇，即能满足散热条件。

2.5 电气控制系统

主要涉及机车逻辑控制的编程和柴油机调速系统编程，从新柴油机上引出转速、油压、油温等传感器数据线，引入中控电气柜中的PLC控制单元经程序运算后输出相应控制指令，完成相应部分改造。

3 改造后效果

（1）运行状态稳定。柴油机运行低噪稳定，整车系统稳定；杜绝了最常见的柴油机漏水、漏油、漏气故障。

（2）节能显著。相同转速，原车柴油机为12缸V型180mm缸径，新柴油机为8缸直列170mm缸径，机车输出功率较原车略有增加，且低转速输出功率增加明显；通过3个月实测，较改进前单位油耗降低10%～20%。

（3）维护保养方便。柴油机自带故障诊断提示系统，集成多项柴油机参数传感器，可与司机室终端连接，清楚反映柴油机运行各部状态；维护频次少，节约检修物耗及人工成本。柴油机部分大、中修可延长近一倍检修周期。

4 结语

目前我国工矿冶金企业在线机车普遍以内燃机车为主，许多上世纪的内燃机车仍处于修和换的纠结之中。结合攀钢针对DFH5型内燃机车动力系统改造的研究与应用实例，探索出一条内燃机车改造的新道路。