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中国机车科技简述作者：4中国铁路机车车辆工业经过几十年的努力，从无到有，从小到大，以不断升级换代的适应中国铁路发展需要的产品支持了铁路运输业的大发展，为推进中国铁路的现代化作出了重大贡献。在其中，我国机车科技也有了日新月异的变化，现简要介绍一下机车部分的科技发展情况。火车头俗话说“列车跑地快，全凭车头带”。作为机车的首要部件，我们先谈谈火车头。火车头是什么样的机器，能拉着一列客车和货车跑。现在客运列车速度已达到120160公里小时，甚至可能更快；能拉着500010000吨货物列车跑，速度达6080公里小时。它们怎么那么有劲。今天咱们就谈谈有关火车头的一些事情。火车头自从诞生以来，已有两百年的历史。先是蒸汽机车。因为它工作时从烟筒冒黑烟喷火星。它是烧煤，将锅炉内的水烧成蒸汽，使机车工作，因此人们就习惯称它为火车头。现在铁路用的火车头已变成内燃机车和电力机车。但人们仍习惯将机车通称火车头。下面分别简单谈几种火车头的由来。一：蒸汽机车我国自己制造的蒸汽机车最早为解放型，1952年第一台机车造出，马力约1500，构造速度为80公里小时，1957年停止制造，共出厂1500台。1956年大连机车车辆工厂设计试制更大马力的前进型机车(代号QJ)，马力约3000，构造速度80公里小时。前后由6个工厂(大同、沈阳、长春、唐山、牡丹江、大连)参与了制造，共生产约4708台，90年代以前为我国主型货运机车，1987年停止制造。1957年大连机车车辆工厂设计制造出建设型蒸汽机车(代码JS)，马力2000，构造速度85公里小时，该车是在解放型机车基础上改进设计的，采用了一些新技术、新材料、新的设备，锅炉改为全焊结构，蒸汽压力由14公斤提高到15公斤，并提高了蒸汽温度。性能和轮周功率等方面比解放型有较大提高，是我国早期铁路干线主要货运机车之一。1987年停止制造，共生产约1916台。随着铁路运输发展，后来主要用于车站调车和小运转。1960年唐山机车车辆工厂设计制造为工矿用的小型蒸汽机车“上游型机车(代号SY)，1200马力，构造速度80公里小时，1983年停止制造，共生产约1295台。此外，大连四方工厂还生产客运蒸汽机车，1956年生产出胜利型机车151台，1250马力，构造速度110公里小时；人民型机车258台，1900马力，构造速度11O公里小时。蒸汽机车自1956年至1998年停止制造，我国共生产蒸汽机车约10000台。 二：内燃机车内燃机车用内燃机(柴油发动机)代替锅炉作动力，燃烧柴油，发动机通过传动系统(一般为发电机或液力传动装置)驱动车轮上的牵引电动机(或齿轮箱)驱动机车车轮转动，以牵引列车。内燃机车代替蒸汽机车有以下优点：1蒸汽机车受锅炉限制，不能再大，同时汽缸受容积限制也不能再大。欲加大锅炉，汽缸等部件、机车重量也随即加重，机车轴重已承受不了。这些使机车功率发展受到限制，再加上烧煤，从人力上或机械上已不能加大。所以蒸汽机车功率达3000马力，已接近极限。2蒸汽机车冒烟，对环境严重污染，不符合环保要求。3每隔50公里左右要设一个加水站，每10O120公里要加一次煤，不适合长途运行。4蒸汽机车司机、司炉劳动强度大。内燃机车克服了以上缺陷，所以就应运而生了。1998年我国停止蒸汽机车生产，2000年铁路基本上停止蒸汽机车运用(工矿、企业及个别站段仍用少量蒸汽机车作为站内、厂内调车使用)。我国内燃机车发展共经历五个阶段：第一阶段，1958年1963年为试制阶段。试制机型有“巨龙”大连工厂58年试制2台，两节4000马力，构造速度100公里小时，电传动。四方工厂59年试制2台“卫星型”，两节3600马力，构造速度100公里小时，戚墅堰工厂、二七工厂先后试制“先行”、“北京”型机车各一台，这些机车试制后只作了一些试验，达到练兵目的后，没有投产参加正式运用。因为技术问题多，很快都报废了。第二阶段，19641973年开始生产第一代内燃机车。机型有“东风”(大连工厂)和“东方红”(四方工厂)，后来逐渐形成我国内燃两大系列，“东风型”系列为电力传动，“东方红”系列为液力传动。两个系列开始竞争。第三阶段，1974年开始生产第二代内燃机车，东风4型(货运)大连工厂生产，4000马力，构造速度100公里小时，生产年代19742000年。东方红(3)型(客运)以四方工厂为代表4000马力，生产年代19761988年。北京型(客运)二七工厂生产，2700马力，生产年代19751988年。东方红(4)型(客运)4000马力，生产年代19751982年。第四阶段，代表机型有东风11(280型柴油机)戚墅堰工厂为代表，1989年开始生产，功率2940kw，构造速度118公里小时，客货两用。和东风4D大连工厂1996年开始生产2940kw，构造速度132公里小时，客运机车。东风4E 1994年开始生产，双节2x2430马力，构造速度100公里小时。第五阶段，第四代内燃机车的开发研制交直交电传内燃机车，将是21世纪的主要车型内燃机。我国从1964年开始正式生产内燃机车至2000年止内燃机车保有量达到10900台。 三、电力机车内燃机车虽然比蒸汽优越，但因受机车结构限制，不可能建造比5000马力更大功率、速度比150公里小时更快的机车，同时其排放的气体对环境仍然有较强的污染。使用柴油作燃料，资源也受限制。电力机车可以克服以上问题，我国从1958年试制成功第一台电力机车。电力机车由受电弓从架空的接触网上接受单相工频交流电，电压为25000v，经主变压器次边绕组、调压开关、整流柜、平波电抗器至转向架的与车轮相抱挂的牵引电动机，电动机的小齿轮与车轮轴上的大齿轮相啮合，从而带动车轮旋转，驱动机车牵引列车。电力机车从接触网接受的单相交流电，经机车主电路经钢轨回到牵引变电站，构成一个完整的电力回路。我国的电力机车主要家族为SS型，是韶山两字拼音的头一个字母，其发展为：韶山SS1 型是株洲电力机车工厂与湘潭电机厂于1958年试制成功的国产第一台电力机车，为六轴，牵引电动机为补偿绕组的四极串励脉流电动机抱轴式半悬挂，双边斜齿轮传动。机车持续功率3780kw，构造速度90公里小时。该车生产至1988年止，产出826台，之后停产。韶山SS3型电力机车株洲电力机车工厂于1978年设计试制的六轴大功率客、货两用干线机车，1989年大批量生产，机车持续功率为4320kw，构造速度100公里小时，机车采用大功率硅半导体桥式全波整流线路、调压开关与晶闸管相结合的极间相控平滑调压方式。牵引电机功率由SS1的630kw提高到720kw。韶山SS4机车是株洲工厂1985年设计生产的八轴货运机车，持续功率6400kw，构造速度100公里小时，牵引电机功率为800kw。90年代，韶山家族为适应铁路提速需要，生产客运机车SS8为4轴车，持续功率为3600kw，牵引电机功率为900kw，构造速度为170公里小时，SS9为6轴，持续功率为5400kw，构造速度170公里小时，株洲工厂为适应今后发展需要，超赶世界水平，正试制AC4000型交流三相异步电机机车，持续功率4000kw，构造速度125公里小时的新型电力机车。今后更一步发展将为磁浮列车。我国还进口了四种功率较大的电力机车：1972年法国阿尔斯通公司为我国制造六轴客、货两用机车6G机车额定功率为5400kw，构造速度112公里小时，牵引电机采用6极串励脉流电机，额定功率为910kw，抱轴式半悬挂、单边直齿弹性齿轮传动。共进口50台。1987年日本“三菱电机”和“川崎重工”联合为我国生产6k6轴机车，机车持续功率4800kw，构造速度100公里小时，牵引电机为加复励脉流电机，额定功率为800kw，采用抱轴半悬挂方式，单边直齿传动。共进口85台。1986年，进口8k机车，由欧洲五十赫兹集团生产，干线货运机车采用相控调压。额定持续功率为6400kw，构造速度100公里小时，机车由两节完全相同的四轴车组成，亦可单节工作。两节间的高压电源通过高压联接器联在一起，可自动连接。每根车轴由一台六极串励牵引电机驱动，额定功率lO00kw，采用滚动抱轴承半悬挂方式。共进口150台。8G电力机车是1978年从苏联进口，持续功率为6400kw，构造速度100公里小时，机车主电路采用低压侧开关调压，中轴式整流，集中供电，有36个级位，每台机车由两节构造完全相同的四轴车组成，机车两端设有重联装置，可与一台或数台机车重联，根据需要两节可分开分别作为一台四轴车单独使用，每台转向架有两台牵引电机，抱轴式半悬挂，双边斜齿轮传动。牵引电机为六极串励式脉流电机，额定功率为800kw，共进口100台。我国电力机车最早在宝成线大坡道山区使用，当时一般认为电力机车适用山区。80年代机车下了山，在广大线路充分发挥电力机车的节能、环保、力量大的优越性能。现在京广、京九、京山、沈大、哈沈、京承、京张、太张、石太，等主要干线均为电气化铁路，今后济青西北干线等将电气化，不久将来，电力机车将主导铁路牵引。是大有发展一种牵引动力。但车站和地区的小运转仍将使用内燃机车。机车接触器机车接触器主要用在电力机车上，用于频繁地接通和分断正常工作情况下的主电路、辅助电路和控制电路，用途很广，结构种类也很多，但对于任何一种接触器来说，一般都有传动系统、触头系统、灭弧系统、支架和固定装置组成，按接触器的驱动原理分为电磁式接触器、电空式接触器。（1） 接触器的基本结构 接触器的结构大体上分为触头、灭弧装置、驱动装置及支架。固定不动的触头叫静触头，可以活动的触头叫动触头。触头按用途分为主触头和辅助触头，小容量电磁接触器（如CZ0-40/20型）的主触头多采用双断点桥式触头，辅助触头根据接触器线圈的通电情况又分为常开触头（又叫正联锁）和常闭触头（又叫反联锁）。灭弧装置是用来熄灭触头断开时的电弧的，一般采用磁吹灭弧装置。驱动装置在机车上有三种，手动驱动装置，如司机控制器；电磁驱动装置，如辅助发电接触器、燃油泵电机接触器；电空驱动装置，如转换开关等。 （2） 接触器的工作原理 以电磁接触器为例，当司机操纵琴键开关或提主手柄时，相应接触器电磁驱动机构的线圈得电，产生电磁吸合力，通过衔铁和杠杆机构，带动接触器主触头吸合，同时使正联锁（常开触头）吸合，反联锁（常闭触头）断开；当司机断开琴键开关或将主手柄回零位后，接触器线圈失点，在触头复原弹簧作用下，接触器主触头和联锁触头断开。司机就是通过操纵接触器的通断，接通或断开相应电路，来控制机车的牵引、惰力运行和动力制动等过程的。实践证明，接触器触头断开时会产生电弧，电弧是空气中一种强烈的放电现象。由于电弧温度极高，为了防止触头及其邻近的零件被烧坏，必须在触头断开时，采取措施迅速地熄灭电弧。在内燃机车接触器上，主要是采用带有灭弧线圈和灭弧室的灭弧装置来熄灭电弧。机车转向架hxd2机车转向架主要由轮对、传动装置、轴箱、构架、悬挂装置、牵引装置撒砂装置、轮缘润滑装置、弹性止挡、整体起吊、空气管路以及辅助装置组成1. 悬挂装置重载牵引机车转向架悬挂系统是保证机车安全运行的关键结构参数，它是由一二系弹簧、减振器及轴箱定位组成。DJ4机车转向架悬挂结构的第一个特点是二系采用高扰弹簧，第二个特点是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。通过调整一、二系弹簧调整垫可实现机车从23t轴重为25t轴重电机一端采用抱轴悬挂，另一端采用摆杆弹性悬挂在构架上，电机悬挂采用了防脱落装置（通过安装在构架牵引梁上的安全托来实现）。2. 轮对轴箱DJ4机车转向架车轮采用整体碾钢车轮，材料为ER8；在车轮两侧装有制动盘，制动盘与车轮之间通过螺栓连接；车轮踏面采用符合TB/T449的JM3磨耗型踏面。车轴轴颈直径160mm，轮座直径252mm，轴身直径240mm设计满足EN13104标准；车轴轮座采用喷钼处理；车轴材料为EA4T。轮对组装满足EN13260的要求，1、4位轮对上安装了挡泥板。DJ4机车轴箱采用的是整体式圆锥滚动轴承，型号为SKF1639479-03，它便于控制轴箱横动量和保证轴承油脂不泄露，实现100120万公里免维护；轴箱安装有接地装置、速度传感器、防滑速度传感器3. 传动装置DJ4型机车转向架的传动装置与我国SS4B货运直流传动电力机车结构基本相同，均采用抱轴驱动，主要由电机、抱轴箱、传动齿轮箱等组成；传动轴承采用滚动抱轴承，轴承型号驱动端为M249747-80409+M249710/20E34，非驱动端为249749AH-80409+M249710-B/20E35DJ4电力机车牵引齿轮传递功率大（电机功率可达1225KW），齿轮线速度高（最大可达26m/s）。因此齿轮为高速重载传动，并能抵御瞬时56倍的冲击载荷。其主要参数如下。 螺旋角： 4 传动比： 6.235（106/17） 齿轮模数： 9（mn） 齿轮材料： 18CrNiMo7-6（EN10084） 大小齿轮中心距： 555 轮齿质量（精度）等级根据DIN3990： 六级由于小齿轮的结构强度限制，其与电机轴的配合采用了内锥式的独特结构，锥度为1:20，压入量4.4mm。DJ4齿轮箱采用了独特的密封结构，车轮侧的迷宫密封与箱体作成一体，电机侧的迷宫密封采用球墨铸件，其结构即保证齿轮箱的密封，又保证齿轮润滑由不进入抱轴箱；箱体两边的迷宫密封均设置了合理的回油孔，实现了润滑油的合理回流并实现电机传动端轴承的油润滑。齿轮及电机传动端轴承润滑采用SHC80W-140润滑油润滑；滚动抱轴承采用SHC220合成润滑脂润滑。DJ4齿轮箱体采用了铝合金材料，其牌号为符合欧洲标准EN1706的ALSI7MGWA铸造铝合金，铝合金的采用大大减轻了传动装置的重量。4. 牵引装置因为DJ4机车为重载货运电力机车，因此牵引装置是该机车转向架关键部件之一。牵引装置的强度和刚度必须考虑5倍转向架质量惯性力的冲击载荷；同时为了减少轴重转移，牵引点距离轨面的距离尽可能低；为了保证转向架与车体的相对运动，牵引装置采用了橡胶关节和销套结构；为了有效传递牵引制动力，牵引装置纵向刚度要尽量大， DJ4牵引装置纵向刚度达到50MN/m。DJ4机车转向架牵引装置由牵引杆（一）、牵引杆（二）、连杆、销套及橡胶关节组成。其具体结构。牵引杆（一）和牵引杆（二）为焊接结构，连杆为铸造结构，牵引杆（一）和牵引杆（二）之间的连接采用销套结构（其中的牵引销采用的是不锈钢材料，滑套、滑环采用的是复合材料），连杆与牵引杆之间采用橡胶关节连接，牵引杆与构架和车体之间采用橡胶关节连接.5. 转向架构架DJ4机车转向架构架为H型构架，由侧梁、牵引梁、前端梁和后端梁组成，除个别安装座以外，结构基本上是对称的。该构架焊接后，构架变形小，残余应力分布均匀，因此机加工后不需要退火；构架采用等刚度设计，构架的各个零部件的应力水平比较低，且应力变化趋势平稳；安装座结构简单6. 轮缘润滑及撒砂扫石器装置DJ4机车转向架上装有2套轮缘润滑装置，位于转向架的1、4位，该润滑装置采用脂润滑，其额定工作气压700Kpa，最大工作气压1000Kpa，额定工作电压110V DC（波动范围：88121V）。DJ4机车转向架上安装4套砂箱撒砂扫石器装置，位于构架端部，每砂箱容积为0.1m3。扫石器由安装座和橡胶板组成。砂箱装有加热及计量装置，额定撒砂量（在风量为4.5kPa时）750g50g/30s；加热电压220V，功率100W.7. 止档DJ4机车转向架设置有有一系垂向、一系横向止档，它们均为刚性止档，其中垂向为2528mm，横向为10mm。DJ4机车转向架设置有有二系垂向、二系横向止档。垂向止档为刚性，横向止档，垂向间隙为30mm，横向为35mm（不考虑弹性量）。8. 整体起吊装置DJ4机车整体起吊装置是作为机车自带的部件之一，它采用钢丝绳结构将车体与转向架连接，钢丝绳连接结构不影响机车运行时车体与转向架之间的相对运动。在整体起吊时，车体将构架升起，同时通过一系垂向减振器将轮对提升起。9. 空气管路装置空气管路由轮缘润滑空气管路、基础制动空气管路、撒砂装置空气管路组成，采用不锈钢管通过接头或软管连接.内燃机车辅助装置驱动内燃机车辅助装置驱动（drive of diesel locomotive auxiliary device）为保证机车及柴油机正常工作，在机车上设置的一些辅助设备，如空气压缩机、通风机、启动发电机和冷却风扇等。这些设备的运转都要直接或间接地消耗柴油机的部分功率。一般约占柴油机功率的6%10%。辅助装置的驱动主要有机械驱动、直流电动机直接驱动和液压驱动等三种形式。下图是辅助装置机械驱动及静液压驱动示例。图片：辅助装置机械驱动及静液压驱动对内燃机车辅助装置的基本要求：提高其主要机组的经济性、可靠性和保证机车运行的安全性。改进内燃机车的辅助装置，减少其功率消耗，这对增加机车牵引功率，提高机车效率，节省能源，提高铁路运输能力有着重要意义。传动系统采用多种结构形式的弹性联轴节，不仅能用来调整传动机构的扭转振动性能，而且还能有效地补偿相联机械设备轴线之间的径向、轴向和角度等方面的位移，降低机械设备安装位置要求，起到改善扭振、缓和冲击振动、吸收高频振动和降低噪声的作用。前、后变速箱和与之相联的机械设备的轴线之间必须符合一定的安装要求。例如各轴的平行度、圆周端面上的跳动公差及同轴度公差等。机车在满足起动条件时，由蓄电池向启动发电机供电，通过机械传动装置带动柴油机启动。柴油机启动后通过机械传动直接驱动启动发电机、励磁机、测速发电机