CKD9B 型内燃机车总体设计 - 纽西兰备忘录 – 封面机车 – 城市轨道交通
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CKD9B 型内燃机车总体设计

CKD9B型机车总体布局

CKD9B型机车总体布局

摘要 介绍了CKD9B 型内燃机车的总体布局和结构特点,该车采用交直主传动系统和交流辅助传动系统,结构更简单可靠,是符合高标准噪声要求的环保型机车。

关键词:大功率窄轨 交直流主传动 双司机室 内燃机车

1 前言

CKD9B 型内燃机车是我公司为新西兰国家铁路设计、生产的干线客、货运内燃机车。该车是我公司设计、生产的目前世界上装用高速柴油机功率最大的窄轨内燃机车,也是具有国际先进水平的电传动内燃机车。

2 CKD9B 型内燃机车的特性

⑴ 交直主传动系统
这是我公司传统可靠的技术,可保障高速大功率柴油机机车的可靠性。辅助系统采用交流辅助传动,使辅助系统控制更简单、可靠。同时取消了变速箱传动系统,更有利于柴油机启动,及对重量和机车噪声进行控制。
⑵ 微机控制技术
机车的控制系统由MCU(主微机单元)、ACU(辅助微机单元)、PAU(柴油机控制单元)共同控制,系统清晰、明了。
⑶ 柴油机启动技术
机车采用MTU 公司的20V4000R43 柴油机,该柴油机采用VIKING25 电子调速器,ECU 控制单元囊括了柴油机自身的保护系统和2X9kW 启动电机。柴油机启动、调速、保护自成体系。
⑷ WABTEC 制动系统和VV450 型空压机
采用美国WABTEC 公司的WABTEC 26-L 制动系统,该制动机制动阀采用气路板集成技术,系统更简单可靠。V V 4 5 0 型空压机是KNORAL 公司成熟技术,已成功运用在我公司出口巴基斯坦的69 台机车上,经过多年的运用考核证明是成熟的、可靠的,能够满足机车运用要求。
⑸ 高强度底架
采用拓扑优化和结构优化理论,优化车体底架承载结构,设计满足GM/RT2100 标准要求,首次在国内实现底架独立承载2000kN 纵向压缩力和拉伸力的双重要求。
⑹窄轨转向架
采用传统结构,通过优化设计,实现100km/h 窄轨、最小曲线半径70m 通过能力的转向架开发,这项成果将对其它小曲线机车的设计提供有价值的参考。
⑺ 司机室设计
满足人机工程学和强度要求的司机室设备布置及钢结构设计,符合新西兰工会的要求,司机室噪音符合合同AS/NZS1269 的标准要求。

3 总体布局

机车总体布置见图1,机车车体为双司机室外走廊结构,以主车架为分界线可将整车分为上、下两部分,上部为车体和各类车内设备;下部为两个完全相同的转向架组成的走行部及挂于车体中部的燃油箱、制动风缸等。

机车上部由六道隔墙分为七个部分,从前到后依次为:I 端司机室、电气室、传动室、动力室、冷却室、辅助室和 II 端司机室。本文以 I 端司机室为前端,面向前进方向,设定左、右方位。

3.1 司机室
司机室内设有主操纵台、辅助控制台、正副司机座椅、折叠椅、照明灯等设备。操纵台上布置机车状态装置,操纵台内设微波炉、冷水器、空调、通讯设备等设备。辅助控制台布置操纵开关装置,司机室顶外面装有一个低音喇叭和一个高音喇叭。两端司机室结构相同。

3.2 电气室
电气室设有电器柜,电气室与司机室之间设有隔墙门,供系统操作和检修使用。为确保司机室的噪声要求,电气室与司机室之间的隔墙需要密封并具有隔音、降噪功能。电气室侧墙设有侧墙门,门下部设百叶窗,顶盖处设通气单元,使电气室内部可以循环通风。

3.3 传动室
传动室内部设置立式电阻制动柜,其后左侧设置空压机,右侧顶部设置硅整流柜,下部设前牵引电机通风机,冷却前转向架的3 台电机,通风机的吸风经过整流柜,对整流柜进行冷却。空压机上部空间用来放置电气部件。空压机散热器对外散热温度为环境温度+15℃。传动室的两侧设有侧门,门上设置通风百叶窗,内部设备的用风均通过百叶窗和防雨网进入室内。传动室设有空气系统制动管路柜、辅助发电机、励磁机以及传动变速箱,传动室和电气室的隔墙完全密封,并具有隔音、降噪功能。辅助发电机上方安装有空气滤清器,滤清器两侧与侧墙相连,增加防雨百叶窗。

3.4 动力室
动力室内设有柴油发电机组、膨胀水箱、燃油泵、燃油粗滤器、车体通风机等设备。主发由传动间吸风,直接排到动力室,因此滤清器下部设置密封墙将动力室隔开,并起到支撑空滤器的作用。动力室柴油机侧的侧墙门也要设置通气百叶窗,顶盖设置通气单元,以降低动力室温度。

3.5 冷却室
冷却室为散热器呈马鞍型布置的冷却装置,其上部安装2 个直径为1.40m 的冷却风扇及交流电动机,顶盖用金属网保护,两侧安装高、低温散热器,散热器外部也用金属网保护,散热器下部与车体间留有通气间隙,方便马鞍形内部的后转向架牵引电机通风机吸风,钢结构内部还设有II 总风缸、空气干燥器等设备。冷却装置设计时需考虑内部设备的检修通道。同时冷却室隔墙需密封,并具有隔音、降噪功能。

4 主要技术参数及牵引特性

CKD9B 型机车主要技术参数如下:

用途 干线客、货运
轨距 mm 1067
限界 符合新西兰机车限界
最高环境温度,℃ 40
平均环境温度,℃ -5
最大相对湿度 100%
海拔高度,m 814
柴油机装车功率,kW 27
轴式 Co – Co
轮径,mm 936
轴重,t 18(Max.+3%)
机车重量,t 108 (Max.+3%)
燃油容积,L 4630
机油容量,kg 500
冷却水容量,kg 500
车钩型式 AAR E 型上作用双侧
操作带钩托
车钩高,mm 780±10 (新轮
车体长度,mm 17240
齿轮传动比 93:18
最大运行速度,km/h 100
持续速度,km/h 28.8
轮周牵引力:
最大起动牵引力,kN 370
持续牵引力,kN 269.2

CKD9B机车牵引特性曲线

CKD9B机车牵引特性曲线

5 机车各系统组成

5.1动力装置
机车的动力装置为MTU 20V 4000 系列柴油机,它集成了启动电机、机油热交换器、机油滤清器以及VIKING 25 型电子调速器。冷却水系统分高温冷却水系统和低温冷却水系统,两个系统都带有温控阀,调节系统循环方式。

柴油机的技术参数如下:

型号 MTU 20V 4000R43
气缸数/排列方式 20/V型90°
缸径/冲程 170/210
气缸总排量,L 95.4
转速,r/min 1800
惰转转速,r/min 600
装车功率,kW 2700
重量,kg 1084
长/宽/高 3910/1600/2020
燃油消耗,g/kWh 208
机油消耗 燃油耗率的1%
启动温度,℃ 25

5.2电气系统
5.2.1 特点
电气系统采用交直主传动、交流辅助传动。其原理见图3。

CKD9B机车电气原理图

CKD9B机车电气原理图

机车主传动由主发电机发出三相交流电经整流柜整流后驱动6 台并联的直流电动机。辅助系统分为辅助控制系统和辅助传动系统。系统通过齿轮箱连接,一边是辅助发电励磁机,一边是辅助发电机。

辅助发电励磁机的励磁机部分经整流后给主发电机提供励磁,发电机部分经整流后为蓄电池充电,为发电机励磁及其它辅助设备供电。

辅助发电机主要为机车的辅助系统提供电能。其发出的三相交流电经整流柜整流后,再经逆变器变为调频调压的交流电用于驱动冷却风扇电机及空压机电机。另一部分直接驱动车体通风机电机及牵引电机通风机电机。当冷却风扇电机驱动逆变器出现故障时,可转为由辅助发电机直接驱动。

5.2.2 电阻制动装置
机车具有电阻制动功能,并具有自负载功能。当列车采用空气制动时,机车应能采用电阻制动,列车可以通过电阻制动调速,通过空气制动停车。电阻制动可满足柴油机自负荷试验。

电阻制动柜功率,kW 2350
制动电阻阻值,Ω 2X0.455
最大允许使用温度,℃ 600
最大制动电流,A 620

5.2.3 蓄电池
类型 镍-镉碱性免维护
额定容量 210 A-h
组数 54
电压,V 64

5.2.4 牵引电机
型式 串励直流电动机
最大转速,r/min 2820
冷却方式 强迫通风
持续负载,kW 360

5.3 辅助系统
5.3.1 冷却水系统
机车冷却水系统采用高温水和低温水两个独立的循环系统。高、低温水系统均采用加压冷却和闭式循环,高温水出口水温最高控制在低于100℃。冷却装置采用马鞍型钢结构,高、低温散热器分布在钢结构的两侧,低温散热器一侧留有检修门,兼具内部通风功能。这种布局方式既有利于散热器的安装,又能够改善风扇电机的通风冷却,同时钢结构内部设备受到良好的保护,不受雨水侵蚀。冷却装置两侧的散热器外部及顶盖采用钢丝网结构,起到保护散热片及过滤作用。冷却风扇为2 个直径1.40 m 的轴流风扇,由交流电动机驱动。

散热器 机械胀接式
冷却风扇 轴流式风扇
风扇数量规格,mm 2 × φ1400
冷却风扇驱动方式  交流电机驱动

5.3.2 牵引电机通风机
牵引电机通风机采用交流电机驱动。
风机型式 离心式
额定转速,r/min  1335
牵引电机所需风量,m3/min 77
牵引电机所需风压,Pa 4100

5.3.3 燃油系统
燃油系统由燃油粗滤器、燃油泵电机组、及管件等组成,燃油系统采用三级过滤,即泵前一级粗滤器、泵后二级粗滤器以及柴油机精滤器。

5.3.4 柴油机进气滤清系统
空滤器分为三级滤清,第一级为往复式防雨百叶窗。第二级为我公司最新开发的过滤网,其对雨水及沙尘的过滤精度达到97%,且所占空间体积小,取代了传统的旋风筒过滤器。第三级是纸滤芯过滤器。

5.4 空气制动系统
机车制动系统为空气制动,制动及供风系统主要包括风源及净化系统、制动控制系统、基础制动装置、撒砂系统、弹簧停车系统以及其它辅助供风系统。主要阀件集成为气路板,简化了布局安装,方便操作和维护。

5.5 转向架
转向架由构架、轮对、轴箱、电机悬挂装置、支承和牵引杆装置等部件组成,转向架构架有两根左右对称的侧梁、两根相同结构的横梁、前端梁、后端梁等组成,每根梁焊成封闭式的箱形结构。轴箱有两根拉杆与构架相连,以传递牵引力或制动力。拉杆的两端带有橡胶衬套和橡胶垫,轴箱相对构架做上下和横向运动,靠橡胶元件的弹性变形来实现。轴箱的螺旋弹簧及减振垫形成一系悬挂。两端轴的轴箱配有垂向油压减振器。每个转向架上有四个橡胶旁承,支承机车上部重量,形成二系悬挂。当机车通过曲线时,橡胶旁承受剪切变形,以适应转向架绕一瞬时中心旋转,并形成转向架相对车体的复原力矩。转向架与车体之间装有横向油压减振器,以提高机车动力学性能。牵引电动机的安装属于轴悬式,一端通过滚动抱轴箱与车轴相连,另一端通过吊杆和橡胶垫悬挂在构架的横梁和后端梁上。轮对上的从动齿轮由电机轴端上的小齿轮驱动。主、从动齿轮由齿轮箱罩住并获得封闭的油浴式润滑。牵引杆装置是一个四杆牵引机构,牵引杆连接车体与转向架,传递牵引力和制动力。制动装置为单侧单元制动装置。设弹簧停车装置,能够在12.5‰的坡道上停车。一轴和六轴的左右两车轮装有轮缘润滑装置及扫石器。要求机车在满足动力学性能的条件下,能以10 km/h 的速度通过70m 半径的曲线。该机车的转向架设计具有良好的运行性能和曲线通过性能,符合国标GB5599-85“铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范”、UIC518标准等相关规范的要求,该机车能够满足106km/h 速度范围内运行安全性的要求。

5.6 车体
机车车体采用外廊式底架承载双司机室结构。车体钢结构主要由上部的罩式车体和下部的底架、端部的排障器和牵引缓冲装置等组成,除司机室、冷却室外,各室顶部均设有可拆卸的罩式车体,以供吊装各室内的机组和设备。动力室、电气室两侧墙上有带固定式百叶窗的侧门,便于对柴油机、电气件进行日常检修及降低通风风阻。

在底架左右侧梁前后设有牵引拉杆座,与转向架的牵引杆相连,达到传递牵引力的作用。牵引拉杆座上设有吊车筒和架车座,供起吊机车用。

在底架端部两侧设有救援吊车孔,供紧急救援用。前后端部有牵引梁,其内装有牵引缓冲装置和车钩(符合ARR 标准),车钩最大牵引2200t 货车,并且能够通过半径70m的曲线。端部下面安装有排障器,它距轨面的高度可随箍的磨损而作调整。

司机室采用多孔板内装,,内腔填充阻燃泡沫板,以产生隔热和吸声效果。司机室顶盖加装防晒板。司机室设计时充分考虑隔音降噪问题,与司机室相连的管路和导线均通过独立密封管道实现隔离。司机室噪声值低于78dB。

车体满足标书强度试验条件的要求。采用拓扑优化和结构优化理论,优化车体底架承载结构,以工字钢为主梁,中部设置鱼腹结构,两侧设整体边梁,牵引梁采用特殊工艺,形成复式结构,消除应力集中。

6 结论

CKD9B 型内燃机车是具有世界先进水平的窄轨、大功率、交直流传动和环保型机车,技术平台填补了国内空白,也是北车集团首次出口发达国家的机车。该机车的成功研制为未来开发研制窄轨大功率交流传动内燃机车奠定了技术基础,同时为进一步拓宽国际市场提供了最有力的支持。

作者:中国北车集团大连机车车辆有限公司 丛茂野

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该日志于2013-05-17 11:31由 Zac 发表在机车技术分类下, 你可以发表评论。除了可以将这个日志以保留源地址及作者的情况下引用到你的网站或博客,还可以通过RSS 2.0订阅这个日志的所有评论。

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