东风21型内燃机车研制与运用

1、东风21型内燃机车研制与运用东风21型内燃机车研制与运用技术中心项目总体部王荣堂摘要:介绍了东风2l型米轨电传动内燃机车研制情况,总体布置,主要技术参数和性能,结构特点,并简要介绍了机车的运用情况.关键词:东风2l型内燃机车研制总体布置技术参数性能结构特点运用l机车研制背景东风2l型电传动内燃机车是根据铁路科技研究开发计划项目(项目合同编号为:2001J007一D)而研制的我国米轨铁路新型电传动内燃机车,用于昆明铁路局米轨线路的客,货运输,并兼作调车作业,以便替代即将报废的第一代米轨机车东方红2l型液力传动内燃机车.1.1机车换代的需要昆明铁路局米轨线路目前正在使用的机车是在1978年至198

2、4年间生产的东方红2l型液力传动内燃机车,共配属了102台,1999年后陆续报废2O台,现在使用的共计82台.该机车已运用二十多年,按铁道部<铁路运输企业固定资产管理办法(1996年3月修订)规定,全部机车均已达到或超过使用年限.同时东方红2l型机车在运用中还存在机车轮轨磨耗严重,冷却系统的冷却能力不足,机车时有脱轨掉道现象以及机车凶动力小而制约米轨线路的运输能力等问题.因此当前必须要研制新一代的米轨机车.1.2国际问贸易发展需要我国现有米轨铁路的昆河线与越南铁路网直接连通,是我国西南边陲重要的国际通道.自1997年昆明一河内的国际旅客列车开通以来,中越两国贸易迅猛增长.中国已成

3、为越南第五大贸易伙伴.预期到2010年两国贸易额将超过40亿美圆.但随着中越两国贸易往来的越来越密切,铁路过境运输能力受到严重制约,出口货物只能达到40万吨,进口l0万吨的能力.米轨铁路昆河线无论是作为被国家列人十五8计划的泛亚铁路的东环线,还是亚洲银行支持的中越构建”昆明河内经济走廊”的通道,中越双方都把昆河线铁路列为交通的首选项目之一,互相合作加以改造.通过我国铁路网,可连接亚洲北部的蒙古和俄罗斯的远东部分,形成纵贯亚洲大陆的铁路桥;还可与建设中的中吉乌铁路会合,与吉尔吉斯斯坦,乌兹别克斯坦的中亚铁路接轨,形成新亚欧大陆桥.所以新型米轨机车的研制是国际间贸易发展的需要.1.3为向东南亚,非

4、洲各国出口机车做准备考虑到东南亚和多数非洲国家均使用窄轨机车,由于这些国家国土面积较小,且他们一般没有制造机车的能力,所以正是我们产品的潜在市场.为此,我们在设计东风2l型机车时,已考虑了机车结构形式(内走廊和外走廊方式)和小的断面,以便适应各国限界小的要求,为将来的出口机车作好准备,提高我们产品在国际机车市场上的竞争力.1.4机车的立项工作2001年6月接铁道部科技司电报邀请,参加项目编号为2001J007<米轨铁路新型电传动内燃机车的研制项目,为此填写了二oo一年铁道部科技研究开发计划项目申请表上报铁道部科技司申请立项.2项目实施情况2.1机车的运用环境状态及用户要求2.11

5、机车的运用环境状态米轨线路全程827km,实际运用600km;其中正线昆河线465公里,最低海拔(河口)为90m,最高海拔为2031m,南北高低差为1941m,全线平均坡度为4%o,最大坡度26%o;曲线占正线总长52.2%,300m以下曲线占全部曲线的82.8%,最小曲线半径87m,年平均气温1822.5,且米轨线路目前无法改造,为此要求机车的轴重尽可能15t,转向架曲线通过及动力学性能要求较高.2.1.2用户对机车的要求2.1.2.1机车采用交一直流电传动方式,BoBoBo或C0一C0轴式,双司机室,内走廊.2.1.2.2客运机车具备向客车供电功能.2.1.2.3柴油机装车功率132414

6、71kw.2.1.2.4常用速度60km/h,构造速度为100km/h.2.1.2.5轴重1315t.2.1.2.6机车长度16000m.2.1.2.7制动机采用JZ一7C型空气制动机,并设有动力电阻制动装置.2.1.2.8采用阀控式铅酸免维护蓄电池.2.1.2.9机车司机室安装有空调机.2.1.2.10机车设有性能良好的防空转,防滑行装置,同时预留机车监控装置的安装位置.2.1.2.11采用华宝型轮缘润滑器.2.2评审与设计2001年l2月13日在铁道部科学技术司组织下,于北京召开了”米轨铁路新型电传动内燃机车的研制”项目的技术评议会,同意了由南车四方机车车辆股份有限公司提出的新型米轨电传动

7、内燃机车的总体方案.2002年4月25,26日在青岛通过了由铁道部科学技术司组织的新型米轨电传动机车的技术设计审查.针对审查会上专家所提问题,我们逐条进行仔细研究并提出了解决方案,随后根据机车技术设计评审结论与技术设计评审意见的整改措施,展开了机车施工图纸的设计.于2002年8月中旬交档.考虑到因线路环境状况复杂,目前不开行客运单列现状,在设计时没有按向客车供电结构设计机车.2.3机车的生产试制2.3.1试验情况转向架构架静强度试验.于2002年9月18发出,19日到达铁科院,按TB/T236893<内燃,电力机车转向架构架静强度试验方法>进行试验,于1O月23日顺

8、利完成.车体钢结构静强度试验.于2002年9月3O日发往北车集团四方车辆研究所进行试验,于2002年10月15日完成试验.2.3.2机车组装与发运从2002年11月15日开始在总装分厂正式组装至12月19日第一台机车车上组装完,然后各项试验项目完成日期如下表一所示.期间涉及到春节假期,直至2003年2月26日和3月5日分别将两台机车分离车体与转向架后,分别发往昆明机车厂米轨线路上进行组装.表1试验项目完成日期目车水阻试验完淋雨试验落车动车过限界称重自负荷试验重联电机通风量测量发运o0O11.151.151.181.191.191.271.272.261.2500021.171.191.221.

9、271.271.261.281.293.52.4线路性能试验根据铁道部科技司要求,东风21型米轨电传动内燃机车于2004年8月6日9月16日在昆明米轨线路上进行机车综合性能试验.由于在第一次的线路性能试验中,发现柴油机的装车功率等没有达到技术条件要求,为此,在卡特公司将柴油机进行了改进后,经铁道部科技司同意,于2oo5年7月11日至7月22日在昆明铁路局米轨线路上对东风21机车进行了补充牵引热工性能试验.2.5机车的标准化审查2005年9月15日在青岛通过了由铁道部科技司组织的机车标准化审查工作.2.6机车的技术查新报告2005年9月28日南车四方股份公司委托铁9道部科学技术信息研究所,对东风

10、2l型米轨电传动内燃机车进行了技术要点的查新,并出具了东风2l型内燃机车的科技查新报告.2.7机车的整体技术评审2005年10月21日,铁道部科技司会同计划司,运输局在昆明组织召开了东风21型米轨铁路电传动内燃机车技术评审会.与会代表在听取了南车四方机车车辆股份有限公司关于东风2l型机车研究设计,试制,质量改进情况,效益分析等报告,铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站作的样机综合性能试验报告及昆明铁路局关于机车运用报告后,并对机车样机进行了现场查验,经认真讨论,审议,评审委员会一致同意通过技术评审,建议投入小批量生产.2.8机车的拆检工作根据GB331582(内燃机车组装后的检查与试验规则

11、中有关机车运用考核试验实际运行里程达到l5万公里的要求,在机车完成了线路运用考核试验后,2005年11月,铁道部产品质量监督检验中心,南车四方机车车辆股份有限公司共同提出东风2l型米轨内燃机车拆检大纲并上报铁道部科技司.铁道部科技司以TB一138电报批复同意了拆检大纲,拆检工作从2005年12月5日至9日在昆明铁路局开远机务段完成.铁道部产品质量监督检验中心组织本次拆检工作并委托部驻开远机务段机车验收室对拆检全过程进行了监督,出具了(OrZl型米轨电传动内燃机车运用考核试验拆检报告3机车总体布置机车总体分车上,车下两大部分.3.1机车上部为车体及安置在其上的各种设备,共分为七大部分,分别为一端

12、司机室,电器室,辅助传动室,动力室,冷却室,辅助电器室,二端司机室.3.1.1一,二端司机室内各布置有一个操纵台,操纵台左侧为正司机操台,布置有自动制动阀,监控显示仪表及控制开关等.操纵台右侧为副司机操纵台.司机室外侧顶部设有顶置式冷暖空调装置,司机室内侧顶部没有风扇,照明灯,机车头灯,10风笛,在机车头灯,风笛下方设有活动门,可方便地对其进行维修.司机室两侧设有侧门,此外分别还有三个通向电器室和辅助电器室的隔门,且在二端司机室后端墙上设有饮水机和电烤箱.3.1.2电气室为独立单元式,其内设有电气柜,为独立单元.高压,交流,控制电器分开布置.3.1.3辅助传动室内安装有电阻制动柜,衣物柜和主整

13、流柜及其下面向前面转向架上的三个牵引电机供风用的通风机,启动变速箱,万向轴,直流起动发电机,交流辅助发电机等,两总风缸则吊装在顶盖上;风源净化装置安装于辅助传动室与柴油机间的问壁上.为防止雨水进入电阻制动柜,在顶盖上还设有顶百页装置.3.1.4动力室内装有Carterpiller3512B型柴油机驱动的发电机组,主发电机为JF219A型无刷励磁发电机.柴油机采用外进气方式,粗滤器安装于侧壁上部,细滤清器由柴油机配带;在柴油机的自由端上面为增加车体强度而设有联结两侧壁的半墙,其上布置有冷却水系统的膨胀水箱.3.1.5在冷却室的冷却装置是由装在V型框架上的28组管片式散热器和安装在框架顶部风筒里的

14、直径为1400ram的冷却风扇组成.风扇采用了轴流式结构,它是由交流电机驱动,在冷却室的顶盖上安装有网罩;冷却装置的下部则安装有接水盘,以防止雨水淋在下面的部件上;在整个冷却装置下面安装有一个螺杆泵主空压机组和一个活塞往复式辅助空压机组,以及空气系统的阀类架,此外还有一台通过交流电机驱动的通风机,向后面转向架上的三台牵引电动机进行通风冷却.3.1.6辅助电器室内下部两侧设有两个蓄电池箱,采用NM一360型的阀控式铅酸免维护蓄电池组,在蓄电池箱的上部分别布置有行车安全设备柜和微机控制柜;蓄电池箱之间设有工具柜,手制动装置,并提供进入冷却装置内和机车上部的通道.车顶盖上安装有废气排风机和上车顶的人

15、孔盖.3.2机车下部布置安装有两台三轴的径向转向架,燃油箱则安装在两转向架之间.整个车体及设备通过8个二系橡胶弹簧座落在两个三轴的转向架上.机车总体布置图如下:图1机车总体布置图4机车主要技术参数及牵引,电阻制动特性曲线4.1用途及运用条件用途:用于客,货运输,兼作调车作业.环境温度()一5+45.海拔高度(m)2050限界符合昆明局米轨铁路机车车辆限界要求轨距(mm)10004.2机车主要技术参数柴油机装车功率(kW)1455传动方式交一直电传动轴式CoCo径轮径(mm)915整备重量(t)84×(1±3%)轴重(t)14×(14-3%)速度(动轮直径按半磨耗计

16、算为880mm)最高试验速度(km/h)80最高运用速度(km/h)60持续速度(km/h)15.3轮周牵引力(动轮直径按半磨耗计算为880ram)起动牵引力(kN)408.6(电机起动电流限制)268.9(受粘着限制)持续牵引力(kN)247(电机持续电流限制)电阻制动最大轮周制动力(动轮直径按半磨耗计算为880mm)(kN)160电阻制动最大轮周制动功率(kW)1240通过最小曲线半径(m)70牵引齿轮传动比:4.765(81/17)燃油装载量(L)3000车钩中心线高度(rm)820机车长度(rm)16000机车车体最大高度(mm)3860机车车体最大宽度(rm)2836两转向架中心距(

17、rm)7200转向架轴距(mm)2×1650紧急制动距离(m)6O0(初速度为60km/h时)4.3机车牵引特性曲线4.4机车电阻制动特性曲线5机车主要结构及技术性能特点5.1机车设计中解决了以下的困难5.1.1在机车加装空调后,如何解决司机室空间小的问题5.1.2如何降低司机室噪声5.1.3解决在机车上采用NM一360阀控式铅酸11l舯l.oIOl柏善啪-O.o2OO-.一一t.?抖l曲tz-,l日m1¨b:I-tI.L.一时l.4如何改善控制电器件的工作环境.5.1.5机车能够实现双空压机布置.5.1.6解决车下燃油箱容积与转向架结构尺寸相矛盾的问题.5.1.7解决所有

18、零部件的可接近与维修性.5.1.8保证机车采用C0一CO结构径向转向架后能够顺利安全通过所有的米轨线路.5.2机车设计采用了冗余结构设计,以保证机车的行车安全性.针对米轨线路的复杂性,在机车设计中,为保证机车的可靠,安全性,采用了以下的冗余结构设计:机车牵引控制为微机励磁与固定励磁结构,由微机通过与柴油机通讯水温和外设水温传感器双重控制12风扇工作的结构,空气制动风源装置的双风泵结构,直流与辅助交流发电机控制的备份结构,微机电源与柴油机控制电源的备份结构,空气制动与电阻制动结构,空调装置与司机室风扇结构.5.3机车起动黏着系数高.由机车的线路性能试验可知:换算到轮径半磨耗状态时的最大起动牵引力

19、为329.3lcN,比设计值269kN高60.3lcN,达到设计要求.由此可以看出,机车的粘着性能非常好,起动黏着系数高达0.388.5.4机车的经济性好.机车的平均燃油单耗为37.6kg/万吨公里,较东方红<21>型机车要低l1.27kg/万吨公里,经济效益十分明显.5.5较低的司机室噪声.按GB34501994<铁路机车司机室噪声允许值>规定的噪声测量方法,机车司机室的最大噪声为一端司机室74dB,二端司机室75dB,大大低于“不超过80dB(A)”的规定.5.6动力装置采用Caterpillar3512B型柴油机机车所采用的动力装置

20、为Caterpillar公司生产的3512B型柴油机,该柴油机是一种高速大功率柴油机.具有电子单元喷射功能而油耗低,外形尺寸小,重量轻等特点,比较适合米轨小限界的机车使用.而Caterpillar公司为国际着名厂家,其产品不仅具有较高的可靠性,同时其优质的服务和易得的配件,可使用户无后顾之忧.5.7主传动系统主传动采用交直流电传动方式.所采用的主发电机为三相凸极式无刷励磁同步发电机,由于取消了传统的励磁机和励磁整流柜,所以可使用户不再为更换,检修主发电机的炭刷,滑环而烦恼.主整流装置则是采用2组阀侧并联的三相全波整流桥结构.是由l2只型号为ZPA250028的整流元件构成2个并联的三相桥式整流

21、电路,分别对应于前后转向架的牵引电机,为一桥臂一元件结构,这样不仅消除过去主整流装置每桥臂多元件并联结构所存在的不均流问题,同时具备可靠性高,裕量大,结构简单,重量轻等特点.采用的直流牵引电动机具有启动,持续电流大,输出扭矩大的特点,同时电机的恒功速度范围较宽,且无需进行削磁就可满足机车的较高速度的运转.5.8机车辅助传动5.8.1辅助传动全部实现电传动方式柴油机起动完毕后,通过万向轴,齿轮传动箱驱动机车辅助交流发电机和直流启动发电机向机车的辅助设备提供电源.与机车传统的辅助传动方式相比,电传动代替机械传动的方式,不仅结构简单,而且可以进行完全控制,实现主辅传动之间的功率转移,具有较低的辅助功

22、率消耗,整车的经济性较高.5.8.2辅助传动系统中根据不同的工况,采用了不同的电传动方式由于牵引电机的冷却和柴油机水系统冷却是随不同的工况而改变的,所以采用了随柴油机工况而变化的交流传动方式,由辅助交流发电机向通风机电机,风扇电机供给变频变压的交流电.而机车空气制动用风则不随柴油机的工况而变,所以空气压缩机则采用直流电机驱动,由直流起动发电机供电;此外还包括向机车控制,照明,空调系统,蓄电池的充电等提供电源.5.9机车空气制动系统所采用的JZ一7C空气制动系统,是经过东方红2l机车,出口缅甸机车的运用考验,是成熟,可靠的系统,且此次的风源系统采用了性能可靠,噪音低,效率高,正在机车上推广使用的

23、螺杆泵机组,并按冗余的思路设置了辅助用风泵,以保证机车的正常运用安全性.5.1O采用自导向径向转向架.与非径向转向架相比,径向转向架具有冲角小,轮轨横向作用力低,轮轨间的磨耗小,曲线通过性能和黏着利用律高,噪声低特点.特别是昆明局米轨线路是典型的山区铁路,是比较适宜使用径向转向架.径向转向架在国外是正在普及上的产品,而在国内则处在刚刚开始试制和运用考验阶段,但从计算和试验的结果来看,性能是非径向转向架所不能比拟的.所以东风2l型机车上所采用的径向转向架是性能优越的,具有前展性的新技术.5.11控制系统采用PLC来完成对机车的完全控制.机车采用PLC微机控制系统来完成下列功能的控制:司机操作指令

24、的接收和处理;恒功励磁控制;电阻制动控制;机车运行逻辑控制;柴油机控制;辅助系统控制;机车重联控制;故障检测,诊断,保护以及相关数据记录;相关参数组织,显示以及处理参数修改等.此外还具备以下特点:5.11.1系统控制无触点化采用PLC可编程控制器,减少大量的中间继电器,定时器和计数器,因中间继电器和接触器辅助触点接触不良,而导致的机车故障可得到根除,减小了控制柜空间,便于机车故障的查找和排出.容易现场控制逻辑的修改.5.11.2机车控制实现通讯方式采用串行通信,串行通信板的RS一232C端口设置成NT连接方式,采用1:N通信方式,实现控制主机PLC与布置在机车两个司机室中的2个液晶可触摸控制屏

25、frr之间的通信,这样在机车两司机室均可实现对机车各种工况的动态监控;而RS一422A/485端口被设置成1:1数据连接通信,实现与他车PLC主机之间的数据链接,这样司机在本车的操纵命令及本车的机车工况数据,故障信息等都以通信方式传递到他车,从而实现两机车的重联控制.5.11.3彩色液晶显示器代替了老式的显示仪表,并具有人机对话功能由于控制系统中设有较多数据采集,记录,故障诊断及故障提示功能,采用了彩色液晶显示器,通过液晶可触摸控制屏进行人机对话,司机及检修人员可以直接地看清有关数据和机车的运行状态;当机车出现故障时,可通过显示屏,自动向司机和检修人员提示机车的故障内容,帮助司机及时作出相应的

26、处理.5.11.4控制器件可靠性高.主接触器,反向器采用GE技术的产品.其他电磁接触器,控制开关,继电器采用沙尔特堡产品,可靠性高.5.12结构独特的电机冷却风道结构牵引电机的通风冷却风道为隔舱式共风源结构,稳压供风方式,制造简单,且底架刚度较好;而传统的分开式独立风道结构,制造,安装复杂,且底架上盖板刚度较差,容易导致其上部的安装部件安装找正困难.5.13标准化的司机室结构司机操纵台按照符合人机工程学来制造;装有电烤箱,饮水机,顶置式的冷暖空调;各门采用铝合金型材制造;司机室内部采用隔音材料填充l3后再用玻璃钢覆盖,司乘人员的工作环境有了很大的改善.5.14新型的蓄电池组安装方式蓄电池组的安

27、装采用了卧式安装结构,不仅结构紧凑,而且重量轻,体积小,检修方便,很好的解决了立式安装难以在机车上布置的问题.5.15美观流畅的通风系统除柴油机增压器,电阻制动柜为单独进,排气外,冷却风扇,通风机,风泵,各室均采用车体两侧的迷宫式进气滤清窗进气.这样不仅美观大方.而且各部件的冷却效果较好.5.16几乎所有控制电器件均采用分类集中布置,模块化结构.几乎所有的电器控制件均集中布置在司机室操纵台,电器间的电器柜,辅助电器室的微机控制柜和行车安全设备柜内.这样避免了控制电器件在机车上的零散化,便于检修,维护保养与管理.5.17风管路与主电路大线,控制线路与主电路大线,交流与直流线路均分开布置.在车上的风管路和牵引电机大线是分开布置在机车两侧走台板下方的;而控制线路则布置在两侧壁中部槽钢内;交流线路则通过线槽布置在风管路的内侧.这样避免系统的相互干扰,使得系统结构更有序化.5.18电器控制件的工作环境好,无油,水,烟,尘的干扰影响.操纵台,电器柜,微机控制柜和行车安全设备柜,蓄电池组分别布置在司机室,电器室,辅助电器室内,均为无油,水,烟,尘的独立空间.5.19采用顶置式一体化热