HXN3型内燃机车总体设计

　　　　于克俊　　　　（技术开发部）

　　　　摘　　　　要　　ＨＸｗ３型内燃机车是我公司和美国ＥＭＤ公司合作研制开发的大功率交流传动重载货运内燃机车，采用１６Ｖ２６５｝１型柴油机、先进的交流传动及控制技术、３２位微机控制系统，具有先进的网络通讯控制和故障诊断功能，操纵方便，维护便利，持续牵引力大，低油耗，低排放，低辅助功率消耗，运行速度高，安全性高。　　　　关键词：　　ＩＧＢＴ交流传动大功率柴油机ＨＸ　Ｎ３型内燃机车美国ＥＭＤ公司１引言　　ＨＸＮ３型内燃机车是我公司和美国ＥＭＤ公

司台作研发制造的大功率交流传动内燃机车。该机车主要以美国ＥＭＤ公司的ＳＤ７０ＭＡＣ、ＳＤ８０ＭＡＣ和ＳＤ９０ＭＡＣ系列机车为原型，采用了大功率电喷柴油机、ＩＧＢＴ交流传动及控制技术、３２位ＥＭ２０００微机网络控制技术和ＣＣＢＩＩ电控制动等成熟可靠的技术和装备，并进一步进行优化布置及设计。　　该车额定功率为４４００ｋＷ，最大起动牵引力为６２０ｋＮ，持续牵引力为５９８ｋＮ，恒功率速度范围２３～１２０　ｋｍ／ｈ，能够满足干线双机牵引５０００　ｔ，在平直道上行驶１２０ｋｍ／ｈ的要求。２机车总体布置　　　　机车总体布置如图示。　　　　ＨＸｗ３型机车为双司机室、内走廊、承载式燃油箱、桁架式侧墙的整体式承载结构。机车底架将机车分为上部和下部，下部包括底架结构、２个３轴转向架、蓄电池箱、主风缸和启动风缸等；机车上部从前向后分为Ｉ端司机室、电气室、电阻制动室、清洁空气室、动力室、冷却室及ＩＩ端司机室，各室布置如下。２．１司机室

显示屏、ＡＴＰ显示屏、电台等操纵仪表、仪器

及设备，同时室内还布置了改善司机乘条件的冰箱、微波炉、饮水机、高级座椅和电加热器等生活设施。司机室的外部装有刮雨器、风喇叭和空调杌组等。２．２电气室　　　　电气室为全密闭结构，内部主要是电器柜和铝制通风道。电器柜采用分体式模块化屏柜设计结构，各屏框通过铆钉连接到相应的车体钢结构上。这些屏柜包括监控设备及ＥＭ２０００微机屏柜、冷却风扇及空压机控制屏柜、继电器及整流器控制屏柜、电阻屏柜、辅助电源（ＡＰＣ）控制屏柜，接触器和转换开关布置在风道内侧。相模块总成模块形成电气柜的顶部。滤清后空气通过铝制风道分配到发热电气元件附近，起冷却作用，保证室内压力稍高于外界大气压力，防止过多灰尘杂质进入室内对精密的电气元件造成损坏。２．３电阻制动室

　　　　电阻制动室顶部为一个圆筒形的电阻制动模块，顶部为径向布置的电阻带，下部为轴流冷却风机。电阻制动室下部布置了Ｉ转向架

牵引电机通风机，该通风机同时电为交流牵引相模块进行冷却。主发电机通风机及空气制动

　　　　两个基本相同的司机室内部装有单司机

安装架也位于电阻制动风扇下。

操纵台、司机控制器、制动控制器、ＦＩＲＥ微机

２．４　清洁空气室　　　　清洁空气室内主要设备为侧墙上的离心式旋风筒过滤器和ＴＡ２０主发电机的后端部，主发电机上座有柴油机空气滤清器及一个电机带动的双轴身风机，其中一个风机可作为旋风过滤器的除尘风机，另一个风机为电气室提供正压风源及冷却。２．５动力室　　　　动力室安装１６Ｖ２６５Ｈ型柴油机和ＴＡ２０／ＣＡ９型主辆发电机，它们都是通过螺栓刚性连接在底架上。增压器的顶部透过两个烟囱将废气直接排出车外，增压器的底部布置有引水管，可以将通过烟囱进入的雨水引到车下排出。２．６冷却室　　　　绝大部分机车的冷却、机油、燃油系统部件安装在冷却室内。冷却室的顶部为机车散热器组装模块，包括两片高温散热器和两片低温散热器以及管路和支撑结构。其下部为两组风扇电机组，另外还预留了一组风崩电机组的安装位置以满足未来机车达到ＥＰＡ　Ｔｉｅｒ２排放标准的要求。散热器的下方布置有机油滤清器、机油热交换器、启动机油泵、启动燃油泵和燃油滤清器等。在靠近ＩＩ端司机室位置布置有两个螺杆式空压机。３　机车主要技术特性

　机车主要装备及系统配置

．１柴油机　　　该机车动力装置是目前世界上最先进的该柴油机采用动整体铸造式机体、悬挂式全纤单根驱动镶嵌式凸轮轴、高压电子喷油泵、多孔式喷油ＰＳ喷射系统等多项先进结构和技　　　该柴油机采用铸造机体和焊接构架油底６个气缸按每列各８个气缸排列，两列之型夹角为４５°，气缸的左右分列是由后端　　　柴油机的前端布置有高低温泵、燃油喷射机一个增柔性的连接盘将　　　动力组模块是可完全互换的，包括连杆、活塞装配、气缸套和气缸盖。每一个带有各自的气阀驱动４４　大功率低排放四冲程柴油机，力组工作单元、维锻造钢曲轴、比废气涡轮增压器、器和集成Ｕ术。具有低油耗、低排放、功率大、故障率低和可靠性高等特点。　壳，１间Ｖ（输出端）看向柴油机来决定的。　控制装置和齿轮驱动的机油一燃油泵组等；体的后端铸有支架来支撑两个增压器，压器供应柴油机的一列气缸。柴油机与主发发电机连在一起。

　活塞销、动力组装配都自成体系，机构和摇臂箱盖。每一个装配都有其的进、排气道和出水支管。

４．２　机车车体

　　　　ＨＸ　Ｎ３型机车车体为内走廊、侧墙承载的轻量化焊接结构车体。　　　　车体结构主要包括底架、侧墙、隔墙、大盖和顶盖等。为满足机车重量的要求，底架采用鱼膣结构，整个底架近似于等强度设计。鱼腹部分同时也是燃油箱，可装燃油９３００Ｌ。车体倒墙为整体焊接的桁架结构，侧墙蒙皮为提高车体承载强度设计成瓦楞板结构，活动顶盖拆装方便。车体从前向后被隔墙分为几个室，根据室内主要部件的功能分为电气室、电阻制动室、清洁空气室、动力室及冷却室。该车体结构简单可靠，承载能力强。　　　　机车最大高度（ｍｍ）　　　　４７０５　　　　机车最大宽度（　ｍｍ）　　　　３３７０　　　　两端车钩中心距（ｍｍ）　　　　２２２５０　　　　机车总长（两端面间，ｍｍ）　　　　２０９８０　４．３司机室模块　　　　ＨＸ　Ｎ３型机车司机室设计是典型的模块化设计，室内布置了仪表显示、电气控制、机车操纵等设备以及司乘人员的生活设施。该司机室为的模块化结构，通过橡胶支撑、弹簧和减震器形成阻尼结构，使其与车体钢结构完全隔离。这种布置隔离了来自于线路和柴油机两方面产生的噪声和振动，为司机提供了一个舒适的工作环境，并且非常有利于批量化生产及模块化组装。４　４机车电气系统

　　　　机车电气系统技术平台分为主传动系统、辅助传动系统和微机控制系统等三大部分。４．４．１机车电气主传动系统　　　　机车主传动系统主要由主发电机、牵引整流单元、牵引逆变器、牵引电机和电阻制动装置等组成。主发电机发出的三相交流电通过集成在主发电机端部的牵ｇｌ整流单元转变为高压直流电，高压直流电通过牵引逆变器逆变并输出给牵引电动机。机车的交流驱动采用架控方式。主发电机的电抠为双绕组，两套绕组分别经两组单独的牵引整流模块为前后转向架的牵引逆变嚣供电。牵引逆变器由六个相模块组成，安装在电器室顶部，由前牵引通风机提供空气冷却。牵引逆变器的两块控制板在车载微机ＥＭ２０００的机箱内，通过接口模块进行光电转换来控制安装在相模块附近的驱动板。机车配置一个电阻制动模块，由一组冷却风扇进行冷却，采取顶置式布置。电阻制动模块可完成３７００ｋＷ的自负荷试验。４．４．２机车电气辅助传动系统平台　　　　ＨＸＮ３型机车采用交流辅助传动系统，由与主发电机同轴的辅助发电机供电。辅助发电机电枢有两套三相交流电抠绕组，其中一套为控制电源和蓄电池充电绕组，另一套绕组由中间抽头分成两组的电压输出，一组为辅助设备供电绕组，另一组为励磁供电绕组。　　　　控制电源和蓄电池充电绕组输出７２～２２０ＶＡＣ、２７～８３．３Ｈｚ的三相交流电，经辅助电源变换器ＡＰＣ整流变压输出７４ＶＤＣ控制电，为控制系统、蓄电池充电、照明、启动燃油泵、电暖器、司机室风扇和空调逆变器等供电。所有的主要用电设备均由微机控制，以便匹配各种情况下的用电负荷。　　　　辅助设备供电绕组输出１３６～４２０ＶＡＣ、２７～８３．３Ｈｚ的三相交流电，直接驱动前后牵引通风机电机、一个主发避风机电机、两个冷却风扇变极电机（Ｔｉｅｒ２机车改为经逆变器供电的三个电机）、经逆变器供电的两个空压机电

机和一个电器柜通风机电机等。　　　　励磁供电绕组经主发励磁斩波器提供励磁电源给主发励磁绕组，由斩波器直接控制主发电机励磁绕组的电流。４．４．３　机车电气微机控制系统　　　　ＨＸ　Ｎ３型机车采用３２位的ＥＭ２０００微机系统进行机车的牵引、电阻制动、牵引逆变器、主发励磁和辅助系统等控制，使机车在不同的运行条件下的各牵引及制动手柄位平稳地发挥相应的牵引和电阻制动能力。桃车的ＧＥＮ２　ＦＩＲＥ显示系统完成信息显示、数据下载、操作及维护界面、电子式制动机控制、远程监控数据接口等功熊。机车采用ＥＭＤＥＣ控制器进行柴油机电子喷射控制。４．４．４．主要部件的性能参数　（１）主辅发电机主发电机技术参数　　　　型号　　　　ＴＡ２０　　　　容量　　　　在持续点时为３９２７　ｋＶＡ，在满　　　　功率最高转速点为４４０３。　　　　输出电压（Ｖ）　　１０００ｒ／ｍｉｎ时为１００　ＡＣ　　　　输出电流（Ａ）　　　　在持续点主发电机电流为１７５０　　　　频率（Ｈｚ）　　　　１０００ｒ／ｍｉｎ时为３．３　　　　绝缘等级　　　　≥Ｈ级　　　　额定效率　　　　９６％辅助发电机技术参数　　　　型号　　　　ＣＡ９　　　　容量（ｋＶＡ）　　　　３４７　　　　输出电压（Ｖ）　　　　线电压４４４　　　　输出电流（Ａ）　　　　４５０　　　　频率（Ｈｚ）　　　　４３．　３—１３３　　　　绝缘等级　　　　≥Ｈ级整流器技术参数　　　　输出电压（ｖ）　　　　２７３８　ＤＣ　Ｍａｘ．　　　　整流二极管参数（Ｖ，Ａ）　　　　４４００，２７５（２）牵引逆变器　　　　输入电压（最大值，Ｖ）　　　　３２００　　　　输入电流（最大值，Ａ）　　　　１２２７（在运用时切除一个逆变器时）　　　　输出容量（ｋＶＡ）　　　　２６２４持续

　　　　输出频率（最大值，Ｈｚ）　　　　１２０

　　　　ＩＧＢＴ功率器件参数：　　　　４．５　ｋＶ／１２００　Ａｍｐｓ　ＤＣ　　额定效率　　　　≥０．　９８（３）牵引电机　　型号ｌＴＢ２６３０　ＭＯＤ　　极数　　　　４　　额定功率（ｋＷ）　　　　６９０　　持续电流（基波有效值，Ａ）　　　　２７４　　最大起动电流（基波有效值，Ａ）　　　　２４　　持续电压（基波有效值，ｖ）线电压１３４３　　持续点频率（Ｈｚ）　　　　１９．１　　持续点转速（ｒ／ｍｉｎ）　　　　５５７　　最高运用转速　（ｒ／ｍｉｎ）　　　　３４７５　　控制方法　　　　矢量控制　　绝缘等级　　　　≥Ｈ级　　颂定效率　　　　≥０．９４４．５　重载转向架技术　　ＨＸＮ３型机车上装有两台高牵引力、快速三轴ＩｌＴＳＣ型转向架，与常规的转向架一样，该转向架承担机车的全部重量，同时将机车动力传递到钢轨上。全部的纵向牵引和制动载荷都通过拐臀牵引杆机构从转向架传递到机车底槊。该转向架采用一系双弹簧、二系橡胶堆悬挂装置、焊接式轻量级构架、滚动抱轴及电机吊棵组成的电机悬挂系统，有单元式轴箱轴承的分体式轴箱、斜齿传动和踏面制动单元等结构及技术。每台转向架装有三台ＥＭＤ交流牵引电动机。　　　　整个转向架设计简单、成熟、可靠，具有良好的动力学性能。驱动装置的设计充分借鉴了北美及国内机车多年来的成熟经验，确保了机车安全可靠运行。分体式轴箱设计大大减少了维修工作量，降低了维修成本。　　轮径（　ｍｍ）　　　　１０５０　　轮对内侧距（　ｍｍ）　　　　１３５３　　转向架中心距（　ｍｍ）　　　　１４２８０　　转向架轴距（ｍｍ）　　　　１７５５＋１９２５　　齿轮传动比　　　　８５：１６

９４．６机车制动系统　　　　该车制动部分采用国际先遴的微机控制空气制动系统ＣＣＢＩＩ，其自我诊断、故障显示及人机对话功能被集成到机车ＦＩＲＥ显示系统中。该制动系统是基于网络控制技术的电控空气制动系统，除紧急制动外，所有的逻辑均由计算机控制，是当今世界上最先进的机车制动系统之一。该系统减压准确，反应迅速，保养少，并具有安全性、可靠性、集成化程度高的特点；采用“在线可更换单元”的设计理念，维护简单；功能可扩展性良好，可实现分布式无线重联控制等功能。　　　　ＣＣＢＩＩ电子空气制动系统主要有电一空控制单元（ＥＰＣＵ）、集成处理模块（ＩＰＭ）、继电气借口模块（ＲＩＭ）、单独制动阀和自动制动阀。　　　　制动系统中的风源部分为两个由交流电机驱动的螺杆式空压机、干燥器及各种风缸、管路及各种阀类和管路。４．７冷却水系统

　　　ＨＸＮ３型机车冷却水系统分为高温冷却系统和低温冷却系统。高温水冷却柴油机的气缸套、散热器和机油等，低温水主要冷却柴油机进气。散热器为顶置式、压风式冷却。当柴油机停止运转后，散热单节的冷却水将全部流回膨胀水箱内。为提高冷却能力，膨胀水箱上装有１３８ｋＰａ的压力阀盖，保证水系统内部压力。４．８　机油系统

　　　　安装在柴油机端板上的单体式高压润滑油泵从油底壳通过粗滤器抽油，通过安装在机车上机油滤清器及机油冷却器的机油被输送到柴油机前端安装的分配支管上。支管的作用是导流机油到柴油机各个轴承进行润滑，通过在柴油机内循环之后机油便排放回油底壳。　　　　机车上还安装有（双向旋转）辅助机油泵，布置在冷却室的下部支架上，它不但承担柴油机启动前的预润滑功能，而且在柴油机停机后，为保护增压器而进行反转单独给增压器轴承进行后润滑。４．９燃油系统

　　燃油系统包括安装在机车上的启动燃油

泵、燃油滤清器、燃油预热器及相关管路阀件以及安装在柴油机上的机械传动的燃油输送泵、喷油泵、喷油器、燃油分配器、供油和回路等。　　　　在司机按下柴油机启动按钮后，电动的启动燃油泵由微机控制从燃油箱抽油，经过粗、精滤器后送到安装在柴油机上的燃油分配器，并输送到每个缸的燃油泵。小部分燃油被加压成很高的压力后由喷油嘴喷出参与做功燃烧。大部分燃油用来冷却和润滑喷油泵机构，最后经回回到燃油箱。　　　　当柴油机达到稳定的转速后电力驱动的燃油泵将在ＥＭ２０００微机控制下停止工作，由机械传动的燃油输送泵为柴油机提供燃油。４．１０　通风系统　　　　机车透风系统的主要作用是发挥关键部件的最优性能及保证机车主要设备的长期稳定工作，从功能上可分为滤清通风、冷却通风和正压通风。该系统的主要关键部件包括为柴油机进气进行滤清的旋风筒式过滤器、袋式玻璃纤维过滤装置及为电气间正压通风用的纸质滤清器；起冷却作用的设备包括为机车相模块和Ｉ端转向架牵引电机通风的Ｉ号通风机、为ＩＩ端转向架牵引电机通风的ＩＩ号通风机、为主发电机通风的通风机；起正压作用的包括布置在冷却间的两个为动力间提供通风的通风机和布置在主发电机上为电气间提供正压的双轴身通风机。

５　结论　　　　ＨＸＮ３型重载交流传动内燃机车具有技术先进、性能领先、可靠性商、维护简单和全周期寿命成本低的特点，决定了它必然将在我国未来的铁路运输业上发挥重要的作用。我公司将通过该车先进技术的引进消化吸收，提高机车的国产化率，并达到拥有自己成熟可靠的交流机车及技术平台的目的。