未来10年铁道机车技术发展方向研究
摘要：阐述国内外内燃机车、电力机车、动车组的技术特点，对我国内燃机车、电力机车及动车组的发展方向及关键技术提出了建议。
关键词：内燃机车；电力机车；动车组；发展方向
1 内燃机车
1．1 国外内燃机车的最新发展概况
美国内燃机车技术发展很快，其技术水平可以代表国外内燃机车先进水平。在20世纪90年代，美国内燃机车技术发展主要体现在机车功率大幅度提高，出现了功率达4632kW（6300hp）的内燃机车。随着三相交流传动技术在内燃机车上使用成功，试制生产单发动机大功率内燃机车的条件逐渐成熟。于是GE公司的电气动力部（EMD）、GE公司等美国的内燃机车主要厂商开始成批生产4410kW（6000hp）等级的大功率机车。新一代4410kW（6000hp）大功率内燃机车主要体现了大功率机车柴油机、三相交流传动技术、微机控制及诊断技术和径向转向架几方面技术的发展。
1．1．1 单机大功率柴油机的发展
目前机车柴油机的发展方向和趋势是：加大行程缸径比S／D，一般在1．1—1．3左右；活塞平均速度Cm限制在11—12m／s；提高平均有效压力至2．0—2．4MPa；提高压缩比至13—14；爆发压力PZ至15—18MPa；改善工作过程，提高柴油机效率，降低油耗，最低油耗达185g／kW·h以下；采用电子喷射、电子调速等电子控制技术等。
美国GE公司和德国Deutz MWM公司合作研制出7HDL型柴油机，功率为4632kW（6300hp），装在AC6000CW型内燃机车上。美国GM公司的电气动力部自行研制出四冲程4632kW（6300hp）、16V265H型柴油机，装在SD90MAC型机车上。
1．1．2 内燃机车的三相交流传动技术
交流传动是近代铁路牵引技术中的重大突破。自1971年在原联邦德国问世以来，已取得了很大的发展。20世纪90年代初，世界上最大的2个内燃机车制造公司——美国GM公司和GE公司研制和投产了六轴、径向转向架和微机控制的大功率交流传动内燃机车，使交流传动内燃机：乍的性能和可靠性有了较大的提高。例如，美国GE Dash9型交直流传动机车的持续牵引力为485kN，粘着系数为25％—27％；而相同功率的GE公司AC4400CW型交流传动机车在速度为10km／h时，持续牵引力已达645kN，粘着系数为35％。
20世纪70年代初，BBC公司研制的第1台交流传动内燃机车，采用的是KK管逆变器；而到20世纪80年代初，出现了大功率GTO管，GTO逆变器在交流传动装置上获得了广泛应用。由于大功率GTO、IGBT管和数字电路控制技术的发展，使交流传动的逆变和控制技术提高到一个崭新的阶段。20世纪90年代以来，GTO管的应用量开始逐渐下降，而IGBT管的应用量却逐年—卜升。20世纪90年代初，日本的东芝、日立等公司又开发了一种智能型IGBT模块（日本称为IPM），自1995年起，开始在中小功率逆变器中推广采用，并计划到20世纪末取代中等功率的IGBT逆变器。
1．1．3 微机控制及诊断技术
早在20世纪80年代，随着计算机技术的发展，微机控制技术在内燃机车上得到应用，近年更得到了进一步的发展。内燃机车车载微机控制系统主要功能有：机车控制、柴油机转速与负荷调节、恒功励磁控制、驱动控制、车轮空转和打滑控制、电空制动控制及故障诊断等。
近年来，用于交流传动内燃机车技术先进、可靠性较高的微机控制系统有：德国ABB公司研制的MICAS系统、德国西门子公司研制的SIBAS－16和SIBAS－32、美国GM公司开发的EM2000（32位）微机控制系统和美国GE公司开发的用于AC4000和 AC6000型交流传动内燃机车上的微机控制系统等。
1．1．4 径向转向架的开发
径向转向架的思路很早就提了出来，20世纪70年代第1台径向转向架在南非投入使用。美国GM公司于1992年在SD60MAC型大功率交流传动内燃机车上首次采用了新型HTCR（高牵引力、三轴、径向）径向转向架，以后推广到该公司生产的各种新型内燃机车上。之后其他具有可调节轮轨的径向转向架纷纷使用，径向转向架成为内燃机车发展的一个重要方向。
新型径向转向架利用轮轨接触面的蠕滑力，通过一套可使轮轨径向调节的机构，实现轮轨曲线相对钢轨的径向调节。与传统转向架相比，它具有如下优点。
（1）可以提高机车粘着利用率。与其他系统的改进措施相结合，即使在最恶劣的轨道条件下，持续牵引时的粘着系数可达35％，起动时的粘着系数可达45％。同时径向转向架还使轴重转移减少，因此径向转向架大大提高了机车牵引力。
（2）明显改善了机车的运行品质和稳定性。径向转向架在通过曲线时可使车轴自动与轨道成垂直方向，轮轨之间的冲角减小到几乎为零，横向作用力降低。
（3）改善厂机车曲线通过能力，减少轮轨磨耗。新型径向转向架减少厂车轮在曲线上的冲角，使滑动减少，同时滚动阻力更低，因此大幅度地降低了车轮与钢轨的磨损。
（4）提高了行车的安全性。径向转向架使钢轨所受横向力与垂向力之比（脱轨系数）降低，因而减少了列车行车脱轨的危险性，特别是在弯道运行的情况下。
1．2 我国内燃机车的发展现状
我国内燃机车从1958年开始生产至今，已经历44年的发展历程，取得了巨大的成就。截至1999年底，我国已累计生产内燃机车11837台，到2000年底内燃机车保有量10430台。目前我国内燃机车生产已基本上能满足国内市场的需要。批量生产的货运内燃机车有DF4B、DF4C、DF4D、DF4E、DF6、DF8、DF8B、DF10等型号，其中DF6型机车是与美国GE公司联合设计的，采用了微机控制技术，其柴油机与英国Ricardo咨询公司合作进行了改进；客运内燃机车有DF4D、DF9、DF10F和DF11型。DF4D、DF9和DF11型内燃机车采用牵引电动机全悬挂和轮对空心轴结构，适用于牵引提速列车。1981年以来开发和批量生产了DF5和DF7等型号调车内燃机车。DF4E和DF7D机车双机牵引可适应牵引5000t重载列车的要求；DF4D和DF11型机车可适应特别繁忙干线客运提速至140—160km／h的要求。
1．3 未来10年内我国内燃机车发展方向的建议
40多年来，我国内燃机车经过了早期试制阶段、第1代和第2代，现已发展到第3代，并开始了第4代内燃机车的研制。2000年6月首批2台DF4DJ型机车在大连机车车辆厂落成，它是我国第1种交流电传动干线内燃机车。其传动装置采用西门子公司的IGBT功率元件的变流器、ITB2630型交流异步牵引电动机。另外，戚墅堰机车车辆厂正在研制4260kW交流传动内燃机车，该个装有与奥地利令斯特研究所（AVL）合作改进的电喷式16V280／300ZJB型柴油机，并采用交直交传动、三轴径向转向架、柴油机交流变速起动、交流辅机电传动等新技术。
根据当前世界内燃机车技术发展的趋势和可能性，我国应当在把第3代机车迅速投入批量生产的同时，立即着手开发以交流传动技术为主要特征的第4代内燃机车。
1．3．1 国产第4代内燃机车应当具有的特征
据初步研究，适应重载、提速要求的我国第4代内燃机车的基本特征如表1所示。归纳起来，其基本特征有：采用成熟的微机控制技术；采用交流传动技术：货运机车采用径向转向架，客运机车采用高速、准高速转向架和径向转向架；采用电子喷射的新型柴油机。
1．3．2 国产第4代内燃机车的传动方式选择
第4代内燃机车的传动方式应采用交流传动。交流传动中，最重要的器件是逆变器，主要包括GTO和IGBT。
1．3．3 国产第4代内燃机车柴油机的发展方向
我国1、2、3代内燃机车柴油机喷油控制方式都是采用机控方式、机械式调速器，国外大功率内燃机车柴油机均采用电子喷射和电子调速器。如德国MTU4000型机车柴油机采用共轨式（common rail）电子燃油喷射系统，与传统的中凸轮轴驱动的柱塞式喷油泵和喷油器系统完全不同，“共轨系统”是由高压油泵、储压器、喷油器和电子控制装置组成。
鉴于我们国家的技术及工艺水平，走技术引进、消化吸收之路可以说是一条尽快赶上世界先进水平的捷径。在这方面，美国GM公司和德国西门子公司可以说是一个成功合作的范例。GM公司最初的微机控制系统是山西门子公司提供，后来GM公司自行开发出EM2000微机控制系统，用于机车控制。
1．3．4 国产第4代内燃机车的最高速度
对于第4代内燃机车的最高速度，根据我国的线路情况，货运为90—100km／h；客运应提高到140—160km／h，考虑到技术发展的可能性和国际市场的需要，还可以考虑速度到180—200km／h。事实上美国、英国、加拿大等国的客运内燃机车的速度早已达到200km／h。因此，如果市场需要，第4代内燃机车的最高速度为200km／h应当是可能的。
1．3．5 国产第4代内燃机车的可靠性与可维修性设计
内燃机车可靠性与可维修性设计也是国外大功率内燃机车的一个发展方向。经验表明，大功率交流传动内燃机车无故障运行能力要比传统的直流传动内燃机车大40％左右。可靠性提高除通过结构方面的改进外，一个显著的特点是叫可靠性技术的应用。提高内燃机车可靠性问题不只是通过对薄弱零件改进来解决，而且要将可靠性技术贯穿于内燃机车设计、试验、制造、使用维修和管理等各个环节中，形成一个系统工程。在设计中除采用概率统计方法，把影响应力和强度的各因素视为随机变量运用可靠性理论保证所设计的零部件具有规定的可靠度外，还要进行可靠性规划与设计，主要包括“建立可靠性模型”；将系统可靠性指标分配给各级组成部分，进行“可靠性分配”；根据设计方案进行“可靠性预测”；按照设计方案进行“故障模式、影响及危害性分析（FMECA）”及“故障树分析（FTA）”等，找出影响可靠性、安全性的关键部件及薄弱环节。国产第4代内燃机车，应具有可靠性、维修性及模块化设计。（未完待续）《转自
www.tb86.com 》
参考资料：http://www.railwayfan.net/viewthread.php?tid=8199