重载机车牵引动力的性能与技术特点

重载机车牵引动力的性能与技术特点

伍赛特

0 引言

机车是铁路运输的牵引动力。一般来说，列车的质量和速度主要取决于机车的功率和性能。开行重载列车必须采用大功率的电力或内燃机车，并追求轮轨之间的最佳黏着特性来提高机车的牵引能力；机车采用低动力作用的转向架以减轻对线路的破坏作用；采用电空制动方式提高机车的制动能力；在多机牵引条件下，不仅重视牵引动力在列车头部和中部的合理配置，以减少列车纵向冲击力的不利影响。

1 牵引动力特点

1.1 牵引方式

重载铁路运输动力牵引包括电力牵引和内燃牵引两种方式。除美国、加拿大、澳大利亚主要采用内燃牵引外，绝大多数国家均采用电力牵引。国外运营实践表明，电力牵引由于其功率大、效率高、污染少等众多优点，大多数国家都将其作为牵引动力现代化的发展方向。由于电力机车本身不带动力能源，具有功率大、单位功率质量小、过载能力强等特点，能大幅度提高货物列车质量。因此，电气化铁路最适于发展重载运输。

(1)从能源利用效率看，电力机车和内燃机车牵引效率都很高，都可用于重载运输。但内燃牵引必须使用贵重的液体燃料柴油，对石油资源有很强的依赖性。根据有关资料统计，2006年全球石油探明储量为1 645亿t。《BP世界能源统计2006》指出，以目前的开采速度计算，全球石油储量仅可供生产40年。而电力牵引不但可以更有效地利用其他化学燃料，而且可以利用水力发电或核能电力。在能源问题成为全球关注焦点的今天，从综合利用能源的角度看，电力牵引比内燃牵引具有更广阔的发展前景。

(2)电力牵引可以应用“再生制动”技术，在下坡和减速或停车时，使牵引电机作为发电机工作而产生制动力，将运行中列车的动能转换为电能，并反馈回电网再使用。在一般情况下，再生所节约的电能可以达到列车全部电能消耗量的18%～20%。虽然目前从技术上看比较复杂，但经济上是合算的。

(3)电力机车由于车上没有原动机，因此它可以比同样质量的其他形式的机车功率更大。同时，它的功率不像其他机车那样受原动机功率的限制，可以短时由接触网取用超额的电力。因此，相同质量的电力机车比其他机车功率更大，速度和牵引质量更大，采用电气牵引可以大大地提高铁路的通过能力和输送能力。

(4)电气化铁路还具有所需操作人员较少，劳动生产率较高，污染小，劳动条件好等优点。

1.2 动力牵引要求

单节机车的功率大，则可以减少机车数量，减少机车购置费及维修费用，降低运输成本，电力机车较内燃机车更容易实现大功率，故重载运输采用电力牵引优于内燃牵引。各国用于重载牵引的机车，不论内燃机车或电力机车，近些年来都有增大功率的趋势，其目的在于减少牵引机车的台数，降低运输成本。

重载列车在起动及通过限制坡道时，列车的阻力较大，因此对机车的牵引力就有一定的要求；但机车的最大牵引力不能超过机车黏着牵引力，因此对机车的轴数、轴重、能发挥的黏着系数都有一定的要求。轴重受线路的限制，美国内燃机车的轴重达28～30 t。机车能够发挥的黏着系数，不同类型的机车相差甚大，通常称为该机车黏着性能的好坏。

重载机车应注重提高牵引机车的性能，机车功率和轮轨间黏着力应相互匹配。在重载运输中，机车轮轨间黏着力的限制往往比功率的限制更为突出，应选择合理的功率与黏着质量比，以保证机车有足够的牵引力。目前由于货车普遍采用滚动轴承，限坡起动一般不成为牵引质量提高的限制因素，列车的牵引质量应根据以持续速度通过长大限制坡道而不发生空转的条件来确定。

一般地说，电力机车的黏着性能比内燃机车好（黏着系数大于0.1）；交流传动机车比直流传动的黏着性能好；机车采用径向转向架通过曲线时的黏着系数不下降，与直线上一样；微机控制的防空转装置能使轮轨问的黏着潜力得到充分的利用。必须指出，机车的功率及牵引力必须同时满足要求。若功率足够但牵引力不足，则可能发生列车起动困难或在区间长大上坡段发生途停；若功率不足则列车不能达到规定的速度。

2 交流传动技术

2.1 概述

机车电传动技术的发展经历了直一直传动到交一直传动再到交一直一交传动（又称交流传动）三个阶段，其中交流传动技术已成为现代机车发展的方向，在铁路高速、重载领域得到广泛应用。交流传动机车的出现是技术进步的表现，随着大功率硅整流技术的出现，直一直传动很必然地被更优越的交一直传动所取代。同样，随着电子技术、大功率晶闸管变流装置和微机控制技术等的发展，交一直传动很自然地被交一直一交传动所取代。交流传动技术是一门综合技术，其本质特点是牵引电动机采用了交流异步电动机以代替交一直传动系统中的直流电动机驱动。在交流传动系统中，交流牵引电动机较传统的直流牵引电动机的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、黏着、维修、效率、质量尺寸等诸多方面，具有额定输出功率大、结构简单、体积小、质量轻、易维修、速度控制方便、效率高等一系列优点。

2.2 构造简单

异步电动机是所有电机中结构最简单的电动机，除轴承外，没有其他机械接触部分。直流串励电动机则不然，结构复杂，定子、转子都有绝缘要求很高的绕组，有换向器装置和电刷机构，摩擦部分多，接线复杂，机械转速受换向条件和机械强度的限制，只能达到2 500 r/min左右。而交流异步电动机转速可达4 000 r/min以上，试验转速甚至可达6 000 r/min，这是直流电机望尘莫及的。

2.3 黏着性能好

(1)异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速升高，转矩很快降低，具有很强的恢复黏着的能力。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。串励电动机则不然，转矩稍有变化，转速就有较大的变化。

(2)异步电动机的工作点可以很方便地进行平滑调节，以实现最大可能的黏着利用，不会出现黏着中断情况。可根据检测有关黏着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。

(3)可实现各轴单独控制。当某台电机发生空转时，可调节该台电机，这样能充分利用机车的黏着性能。在交一直传动系统中，某轴空转时，需要使所有各轴电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引能力。

2.4 功率大、牵引力大

这是指在其他条件大致相同的前提下，在机车结构所提供的空间条件下，可以装设更大功率的异步电动机。

2.5 可靠性高，维修简便

交流异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无摩擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好；全部电气部件均是绝缘的，且所用绝缘材料均为H级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低、可靠性高。控制装置是模块结构，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和控制过程均由无触点电子元件完成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘连、接触不良、机械卡滞等问题。

2.6 效率高，利用率高、使用灵活性强

对铁路运营管理来说，在计算所需机车数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资有决定性的影响。此外，交流传动机车有很强的使用灵活性，它既可满足货运需要较大起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。

2.7 动力性能好、制动性能好

交流传动系统的异步电动机结构紧凑、质量轻，同时采用特殊的悬挂装置，簧下质量小，有较高的曲线通过能力，对轨面的冲击力小。制动功率大，可在比较大的速度范围内施行电制动，甚至可以制动到零。此外，部分电制动的能量可用于其他辅助设备。

3 转向架技术

转向架是铁路列车实现重载牵引的关键部件之一，它的性能好坏直接影响列车的运行安全性和可靠性。重载牵引机车转向架由于其在轴重、牵引、制动等方面的特点决定了其特殊的技术要求，需要从设计、结构、材料、试验、制造工艺等方面提高水平。我国铁路技术政策明确指出要发展25 t轴重的机车车辆。为了减轻机车车辆对线路的破坏作用，必须发展低动力作用的转向架；为了改善机车的曲线通过性能，同时又不降低机车的横向稳定性，必须发展径向转向架。

3.1 低动力作用转向架

降低转向架自重，是转向架技术开发的一个重要方面，它对改善车辆振动性能和减小轮轨之间的动力作用均具有显著效果。

3.1.1 机车转向架悬挂系统

以DJ4型机车为例，其悬挂结构借鉴了高速动力转向架的悬挂结构特点，二系采用高挠弹簧，轴箱采用单侧轴箱拉杆定位，轴箱拉杆两端采用球形橡胶关节。由于橡胶关节径向刚度大、回转刚度小，因而使轴箱具有较大的纵向定位刚度，并可使轴箱相对构架能自由的沉浮及绕其本身轴线回转。该种结构的特点是：结构简单，一系纵向刚度大，横向刚度小，且可实现一系纵向、横向弹性参数相对独立，有利于提高临界速度，保持驱动系统稳定，提高黏着利用率及改善曲线通过性能。采用单侧轴箱拉杆的DJ4型机车更适合重载机车以较高速度运行，这对保证实现重载机车转向架的动力学性能是十分重要的。

3.1.2 驱动系统

重载牵引机车转向架的传动系统结构基本相同，均采用抱轴驱动，主要由电机、抱轴箱组装、传动齿轮箱组装组成。电机一端采用抱轴悬挂，另一端由带橡胶关节的吊杆悬挂在构架上。传动轴承或采用滑动抱轴承，或采用滚动抱轴承。由于牵引、制动力比一般客货运机车大，重载牵引机车牵引齿轮以及轴承的受力比较复杂，其设计制造要求高。

重载牵引机车转向架齿轮箱的设计不但要保证齿轮的润滑，同时也要保证电机轴承的润滑，因此，需对齿轮箱在高速运行时的内部空间进行压力分布分析和试验测试。在此基础上进行油路（进油、回油）设计，以保证油路畅通，油量适中；同时优化旋转件间的迷宫密封，保证润滑油不泄漏（润滑不良或润滑油泄漏对重载牵引转向架的可靠运行是一个严重的威胁）。

重载牵引机车转向架滚动抱轴承均采用脂润滑，并需在结构上保证齿轮润滑油不得进入抱轴承。在轴箱设计中要保证雨、雪、沙不得进入轴箱轴承内。

3.1.3 牵引装置

牵引装置是重载牵引机车转向架在设计制造过程中必须重点关注的部件之一。为了有效地传递牵引力和制动力，牵引点距离轨面的距离应尽可能低；在保证转向架与车体的相对运动的同时，牵引装置纵向刚度要尽量大。在设计牵引装置时，牵引杆的强度和刚度必须考虑5倍于转向架重量惯性力的冲击载荷。

3.1.4 主要结构的抗疲劳设计

目前重载牵引机车均采用整体碾钢车轮，对车轮的化学成分、杂质含量、力学性能和内部缺陷提出了很高的要求。特别是要求对车轮的疲劳性能进行全面的分析和试验，对车轮辐板形状和厚度需进行优化设计，在强度计算中需要考虑离心力、牵引制动力以及轮轴装配应力的影响。在车轮上不允许有应力集中的棱角存在。需要确定重载牵引机车用车轮材料的疲劳极限，这对车轮设计极其重要。

3.1.5 基础制动

重载牵引机车基础制动可采用踏面制动，也可采用盘形制动，但目前国外的发展趋势是采用盘形制动。采用盘形制动的最大好处是制动热量不传递到车轮，不会引起车轮踏面的热疲劳，并且制动可靠。

3.2 径向转向架技术

径向转向架是为了提高车辆的曲线通过能力而在常规转向架的基础上设计出的转向架，广泛应用于货车、准高速列车和摆式列车上。迫导向径向转向架是利用进入曲线轨道时车体与转向架构架间的相对回转运动，通过专门的导向机构使轮对偏转，强迫轮对进入曲线的径向位置。

大功率交流传动内燃机车和电力机车采用径向转向架成为国际重载机车发展趋势，尤其在美国、加拿大、澳大利亚等国的重载线路上，径向转向架技术越来越成熟。我国主要机车制造厂如大连、戚墅堰、紫阳等工厂均开始生产带径向转向架的重载机车。

4 重载内燃机车柴油机节油技术

内燃机车使用柴油机作为热能动力机械。柴油机能在宽广的功率范围内以较高的效率将燃料中的化学能转换成为机械功，而且结构相对简单，操纵较为方便，机动性好，适应性强，这些都是其他热能动力机械无法比拟的。但柴油机是以碳氢化合物为燃料的动力机械，受到石油资源储量及其燃烧产物中有害排放物质的制约，发展面临着严重的挑战。而且，随着人们对生产的高效性、运输的快捷性及运用的安全性等要求的进一步提高，相应地在柴油机的节能、强化以及可靠性等方面都提出了新的要求。

重载内燃机车由于牵引质量大，燃油消耗相应也大，因此采用先进的节油降耗技术，可以提高机车利用效率，更好地适应重载运输的发展。降低有效燃油消耗率有两个基本途径，即提高燃烧的有效性和机械效率。其中可燃混合气的形成与燃烧是柴油机能量转换过程中的一个核心环节，在充分利用气缸内新鲜空气充量的前提下完善组织燃烧过程；在满足平稳运转要求的同时，最大限度地提高燃烧的等容度，可使工质实现充分膨胀，并能减少散热损失，从而可以提高燃烧的有效性，使柴油机的做功能力与经济性能都得到应有的改善。

参考文献

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