HXN3型内燃机车

HXN3型内燃机车是6000马力大功率交流传动干线货运内燃机车,是连车公司在美国EMD公司SD90MAC型交流传动内燃机车技术平台的基础上,结合我国铁路机车运用实践与美国EMD公司联合设计研制的产品。机车额定功率4410kW,轮径1050mm,轴式Co-Co,25t轴重,最高运行速度120km/h,最大启动牵引カ620kN,持续牵引力598kN,恒功率速度范23~120km/h,通过最小曲线半径145m。该型机车装用16V265H型柴油机,最大运用功率达4660kW。该型机车是国际上首台同等功率等级的双司机室内走廊机车,采用先进的16V265H型大功率低排放电喷柴油机、交流传动及控制、32位EM2000微机网络控制和故障诊断、CCBII电控制动等先进技术,能够满足双机牵引50001,平直道上120km/B运行的要求。2005年,在原铁道部主导下,以连车公司为主体,对先进的美国EMD公司交流传动内燃机车进行技术引进、消化吸收。HXN3型内燃机车的研制生产分二个阶段:第一阶段为散件进口国内组装阶段,由EMD公司提供主要系统和散件,连车公司负责车体、转向架等制造以及机车总成75台(车号为000~005),首台散件组装机车于2009年5月交付。第二阶段为国内制造阶段,共计生产机车225台(车号为0076~0300),首台国内制造机车于2009年12月交付。2014年,为满足拉日线(拉萨一日喀则)开通对机车使用的需求,连车公司按照铁路总公司的要求,在6000马力的HXN3型交流传动内燃机车平台上进行了高原适应性调整,作为过渡方案高原内燃机车,并充分考虑了将来将机车恢复到平原地区运用的相关措施。为适应高原环境及机车重联模式,在保持HXN3型内燃机车主体结构不变基础上,将双司机室操纵改为单司机室操纵(将Ⅱ端司机室改为乘务员休息室),并针对高原运用环境和高可靠性的要求在主传动参数、电气系统、冷却性能、柴油机等方面进行了适应性调整,增加了制氧系统、CMD系统、6A系统等。机车功率可随海拔高度自动修正截至2014年12月底,累计生产交付HXN3型内燃机车330台,其中,HXN3型内燃机车300台,车号为0001~0300,目前配属沈阳和北京铁路局所属机务段,承担干线货物列车牵引任务(其中:沈阳铁路局通辽机务段承担通辽一霍林河区段重载列车牵引任务,北京铁路局怀柔北机务段承担丰台西一隆化区段重载列车牵引任务);在交付的300台HXN3机车之中,有八台机车的排放等级达到Tier2等级,车号分别为0201~0203,0296~0300。区别于另外292台机车的两组变极控制冷却风扇设计,此八台机车采用变频控制的三组冷却风扇设计,冷却能力进一步提高。HXN3型(高原过渡方案)内燃机车30台,车号为:0301~0330,配属青藏公司格尔木机务段,承担拉萨至日喀则铁路的客货列车牵引任务。为达到机车冬季保温、降低油耗、减排降噪的目的,HXN3型内燃机车增加了柴油机自动启停机功能,具备完善、可靠的系统投入、柴油机自动启机及停机的逻辑控制功能。自动启停过程中对机车(柴油机)油水温度、蓄电池电压、总风压力、制动状态等项点进行监控。

HXN3型内燃机车为双司机室、内走廊、承载式燃油箱、桁架式侧墙的整体式承载结构底架将机车分为上部和下部,车体底架前后两端都装有102型车钩和NC-390型橡胶缓冲器:车钩左、右两侧有列车管,空气重联管及重联电缆等。车架中部为承载式燃油箱,燃油箱两侧设有两个总风缸;前后有两个3轴转向架、独立的蓄电池及复轨器箱、启动风缸等;机车上部从前向后分为I端司机室、电器室、电阻制动室、清洁空气室、动力室、冷却室及Ⅱ端司机室。

(1)牵引电路HXN3型内燃机车牵引电传动系统主要由牵引发电机、牵引整流单元、牵引逆变器牵引电机、电阻制动装置等组成。机车交流牵引传动系统果用转向架控制方式,主发电机的电枢为双绕组,两套绕组发出的三相交流电,分别经两组相互独立的、集成在主发电机端部的牵引整流单元转变为高压直流电,高压直流电再通过牵引逆变器道变为三相交流电为一台转向架上三台并联的牵引电机供电。机车配置一个圆形、顶置的电阻制动装置,由一台直流电机驱动的冷却风扇进行冷却。电阻制动装置可完成3500kW的自负荷试验。

(2)牵引发电机及辅助发电机机车装有一台Y117A型三相同步发电机。该发电机采用牵引、辅助发电机一体化结构引发电机和辅助发电机机械上连接在一起,电气上相互独立。它们安装在同一个机体内轴连接,由机车柴油机拖动,辅助发电机位于靠近柴油机的一端牵引发电机有两组独立的三相绕组,发出两组三相交流电,分别通过两台牵引逆变器为机车前、后转向架的牵引电机供电。

(3)牵引逆变器机车牵引逆变器由牵引整流单元和牵引逆变器组成,其中牵引整流单元安裝在牵引发电机的端部。机车装有两台牵引逆变器,每台牵引逆变器由三个单相功率模块组成。牵引逆变器安装在电器室的顶部,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。

(4)牵引电机机车装用三相鼠笼式异步牵引电机,电机最高转速3490r/min。该电机定子采用全叠片焊接结构,200级绝缘,嵌线后进行真空压力浸漆:转子为鼠笼式,由铜导条与铜端环焊接形成鼠笼,在端环上有高强度优质合金护环。电机强迫外通风冷却,冷却风从非传动端进入,传动端排出;两端轴承采用绝缘结构,非传动端采用深沟球轴承定位,端盖处不设注油口,运行中不需补充润滑脂,可实现免维护运行;传动端采用圆柱滚子轴承油润滑结构;转子轴锥与小齿轮配合为内锥配合。

(5)电阻制动装置机车电阻制动装置采用顶置式结构,每台车一个,安装在机车电阻制动室的上部,风向为下进上出，额定电压2700V(DC)额定电流670A，额定功率2*1800KW。电阻制动装置内部由四个电阻单元和一台风机电机构成两个彼此独立的电阻带电路组是牵引逆变器和前转向架装置的电阻带电路,另一组是牵引逆变器和后转向架装置的电阻带电路,风机电机直接安装在电阻单元的底部。

HXN3型内燃机车Y11A交流发电机机壳内除牵引发电机外,还包括一台辅助发电机该辅助发电机不仅为牵引发电机提供励磁,同时还为其他辅助设备提供电源。辅助发电机共有两组隔离线圈,一组线圈(2号定子)通过APC(辅助电源变换器)输出DC74V电源,用于蓄电池充电和机车控制电源等;另一组线圈(1号定子)采用中间抽头的方式,提供两个不同电压等级的输出:一个为机车冷却风扇及各种辅机提供三相交流电源;另一个中间抽头的输出通过主发电机励磁新波器为主发电机提供励磁电流。

HXN3型内燃机车微机系统EM2000由各个功能模块组成,不仅实现了机车控制的高度自动化,还提供了有效的元器件和系统故障检测手段。同时EM2000微机系统具有“自检”功能,有利于机车状态检测及故障排除EM2000微机系统通过DIO(数字量输人输出)、ADA(模数转換)、ASC(模拟信号调节等外设模块,检测机车各个模拟量和数字量输人。微机系统中上位机中央处理模块CPM与下位机牵引处理模块MPU之间果用VAME总线通信,上位机CPM機模块根据机车不同的工况控制外设模块输出数字量和模报量,控制机车各个子系统功能,同时给下位机MPU发出给定指令,控制机车牵引主传动性能,下RE显示屏为整个微机网系统提供显示终端,并提供人机交互平台车采用CAN总线结构作为机车主网络,车载做机通过CAN总线与冷却风逆变器台上的FRE显示屏采用以太网通信方式。

HXN3型内燃机车车体采用整体承载式桁架结构车体结构主要包括底架、侧墙、隔墙、大盖、顶盖等。车体底架采用整体承载式燃油箱结构由三段组成,即前后端部和中间燃油箱,中间燃油箱采用网状结构,将底架前后端部连接成整体,承受上部柴油发电机组的质量和盛放柴油机燃料。车体侧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独立机车司机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。该司机室为独立的模块化结构,通过橡胶支撑、弹簧、减振器形成阻尼结构使其与车体钢结构完全隔离。机车装用了美国铁路AAR标准的EA4936AE型车钩和NC390型缓冲装置,国产化后采用了102型带防脱车钩。

HXN3型内燃机车转向架主要组成包括构架、轮对电动机悬挂装配、轮缘润滑扫石器装配、二系悬挂(支承)装配、基础制动装置、牵引装置、一系悬挂(轴箱)装配、转向果配管等系悬挂系统为圆钢弹簧加橡胶减振垫及油压减振器,二系悬挂系统为四点橡胶堆旁示,辅以横向减振器和抗蛇行减报器,在承担机车全部质量的同时保证机车的运行平稳和舒适性。牵引装置是一个四杆机构,使转向架与车体连接在一起,传通牵引力和制动力。牵引电机采用轴悬式悬挂,电机一通过轴想挂在车轴上,另一端通过弹性吊杆悬挂在转向架构上。

HXN3型内燃机车采用CCII制动系统,。该制动系统是基于网络控制的电控空气制动系统主要由风源系统、CCB制动机以及轴助用风装置等部分组成。CCB微机控制空气制动系统主要包括电空控制单元,中央处理模块,制动控制器。辅助空压机为柴油机提供启动风源制动系统中的风源部分由交流电机照动的螺杆式空压机、干燥器、风缸、阀类部件和管路组成基础剧动装置采用单侧的路面单元制动器,每轮一套的单侧单瓦制动装置,并带有自动调整。

HXN3型内燃机车装用16V265H型柴油机,其主要部件包括机体装配、油底亮装配、曲轴装配、凸轮轴装配、动力组装配、传动机构、配气机构、泵支承箱装配、增压系统、润滑油系统冷却水系统、燃油系统、控制系统、启动系统等。16V265H为四冲程增压油机,16个气缸分两列星V形排列在油机左右两侧,V形夹角为45°,增压空气和气缸套的冷却媒介均为压力冷却水,采用电子控制单体式喷油泵一高压油管一喷油嘴[(简称“泵一管一嘴(PPN)”)]燃油喷射系统,活塞冷却为润滑油振荡方式,柴油机采用空气马达启动。16V265H柴油机采用电子控制方式,通过温度、压力和转速传感器随时采集柴油机的各项性能参数并将其反馈给车载微机系统,继而通过对喷油泵电磁阀的控制来调整或改变柴油机的运行工况。同时,车载微机系统还对曲轴转速、增压器转速、润滑油压力、曲轴箱压力,冷却水压力、润滑油温度、冷却水温度等影响柴油机运转安全的参数随时进行监控,针对柴油机的异常状况进行降载或通过切断燃油进行停机保护为柴油机提供服务的辅助系统包括润滑油系统、燃油统、冷却水系统以及给增压器提供清洁空气的空气滤清系统机车润滑油系统(或称柴油机外部润滑油系统)与柴油机内部润滑油系统连接为一体,共同构成完整的润滑油循环系统,系对柴油机运动部件发挥润滑、冷却、清洗、密封及防锈等作用。系统主要由启动润滑油泵电机组、主润滑油泵、润滑油粗滤器、润滑油精滤器、增压器滤清器、润滑油热交换器、辅助润滑油热交换器、流量控制、逆止阀、截止阀及管路管件组成。润滑系统分为柴油机预润滑、主润滑、后润滑三部分预润滑系统是在柴油机启动之前,通过启动润滑油泵从油底壳吸取润滑油,再将这些润滑油注入到柴油机的主润滑油系统中,使润滑油充满管路,对柴油机的所有部件进行预润滑主润滑系统:主润滑油泵将润滑油从油底壳内抽出来,在泵口安装了一个安全阀,在冷机启动时以及在滤器等发生堵塞时安全阀可以限制系统内的最大压力,润滑油被输送到润滑油热交换器和辅助润滑油热交换器,两个热交换器为并联关系,其中润滑油热交换器放在高温水系统中,辅助热交换器放在低温水系统中。润滑油热交换器是可以满足较高的系统压力和流量。柴油机冷却水流过润滑油热交换器可以降低流入柴油机的润滑油温度。流向柴油机的润滑油和从散热器流回的水在润滑油热交换器中进行热交换后润滑系统:在柴油机停机后,EM2000微机控制启动润滑油泵以顺时针方向旋转(电机以逆时针方向旋转),经过逆止阀A从柴油机的油底壳抽取润滑油,然后将润滑油输送到增压器滤清器。滤清后的润滑油进入两侧增压器的两条管路中,对增压器进行润滑15min燃油系统配有两个燃油输送泵:一个为电机驱动的启动燃油泵,是用于柴油机启动前为柴油机注满燃油而使柴油机能正常启动;另一个为机械驱动的主燃油泵,为柴油机正常工作时提供燃油。在冬季或寒冷地区由于燃油的温度过低而造成无法启动柴油机,因此在柴油机的高温水系统里放置了燃油预热器。当燃油温度低于24℃时,燃油经过燃油预热器被加热后进入柴油机。当燃油温度高于24℃时,燃油不经过燃油预热器而直接进入柴油机,燃油是否经过燃油预热器是由温控阀来控制的根据柴油机所需冷却的零部件、润滑油及增压空气的不同要求,冷却水系统分为两个部分,即冷却柴油机气缸套、气缸盖及润滑油的为高温冷却水系统,或称柴油机冷却水系统;冷却增压空气的为低温冷却水系统,或称中冷水系统在冷却水系统中安装有膨胀水箱。膨胀水箱上安装有水表可以检查冷却水的液位。随着系统温度的升高,系统中冷却水膨胀,同时压力增大。由于冷却系统压力的增加导致冷却水的沸点增高,在膨胀水箱上安装了138kPa(20psi)压力阅冷却系统中的主要部件都安装在冷却间内。冷却间的侧面为气动百叶窗,散热器安装于顶部的冷却室钢结构中,冷却风扇安装于散热器的底部,膨胀水箱安装于动力室与冷却室的隔墙上。冷却水系统最低位置设有自动排水阀,当系统水温过低时,自动排水阀开启将系统中冷却水排出,防止设备及管路冻裂。HXN3型机车空气滤清系统由三级滤清元件组成。第一级为多孔板压成的V形波浪网第二级为两个惯性滤清器,分别安装在空气滤清间车体的侧墙上。第三级为柴油机空气滤清器,安装在主发电机上。当柴油机运行时,空气滤清间的各个门都是关闭的,空气只能从惯性滤清器进入,然后在通过柴油机空气滤清器,最后进入柴油机。