于克俊 摘 要： HXN3型内燃机车是大连机车车辆有限公司（下称大连机辆公司）和美国EMD公司合作研制开发的大功率交流传动重载货运内燃机车。该机车采用双司机室、内走廊、侧墙承载式车体，采用16V265H型柴油机、先进的交流传动及控制技术、32位微机控制系统、具有先进的网络通讯控制和故障诊断功能。具有操纵方便、维护便利、持续牵引力大、低油耗、低排放、低辅助功率消耗、运行速度高、安全性高等特点。 关键词：HXN3；内燃机车；柴油机；交流传动；交流辅助传动； 引言： HXN3 型内燃机车是大连机辆公司和美国EMD公司合作开发生产制造的大功率交流传动内燃机车，该机车主要是以美国EMD公司的SD70MAC、SD80MAC和SD90MAC系列机车为原型，采用了原型车的大功率电喷柴油机、IGBT交流传动及控制技术、32位EM2000微机网络控制技术，CCBII电控制动等成熟可靠的技术和装备，进一步进行优化布置及设计适合我国铁路运输的新型交流传动内燃机车。 该车额定功率4400kW（6000hp），最大起动牵引力620kN，持续牵引力598kN，恒功率速度范围23～120 km/h。能够满足干线双机牵引5000吨，在平直道上行驶 1.机车总体布置 机车总体布置如图示 HXN3机车为双司机室、内走廊、承载式燃油箱、绗架式侧墙的整体式承载结构。机车底架将机车分为上部和下部，下部包括底架结构、2个3轴转向架、蓄电池箱、主风缸和启动风缸等；机车上部从前向后分为I端司机室、电气室、电阻制动室、清洁空气室、动力室、冷却室及II端司机室；各室布置如下： 1.1 司机室 两个基本相同的司机室内部装有单司机操纵台、司机控制器、制动控制器、FIRE微机显示屏、ATP显示屏、电台等操纵仪表、仪器及设备；同时室内还布置了改善司机司乘条件的冰箱、微波炉、饮水机、高级座椅、电加热器等生活措施。司机室的外部装有刮雨器、风喇叭、空调机组等。 1.2 电气室 电气室为全密闭结构，内部主要是电器柜和铝制通风道。电器柜采用分体式模块化屏柜设计结构，各屏柜通过铆钉连接到相应的车体钢结构上。这些屏柜包括监控设备及EM2000微机屏柜，冷却风扇及空压机控制屏柜，继电器及整流器控制屏柜，电阻屏柜，辅助电源（APC）控制屏柜，接触器和转换开关布置在风道内侧。相模块总成模块形成电气柜的顶部。滤清后空气通过铝制风道分配到发热电气元件附近，起冷却作用的通事也保证了室内压力稍高于外界大气压力，防止过多灰尘杂质进入室内对精密的电气元件造成损坏。 1.3 电阻制动室： 电阻制动室顶部为一个圆筒形的电阻制动模块，顶部为径向布置的电阻带，下部为轴流冷却风机。电阻制动室下部布置了I转向架牵引电机通风机，该通风机同时也为交流牵引相模块进行冷却。主发电机通风机及空气制动安装架也位于电阻制动风扇下。 1.4 清洁空气室： 清洁空气室内主要设备为侧墙上的离心式旋风筒过滤器、TA20主发电机的后端部，主发电机上座有柴油机空气滤清器及一个电机带动的双轴伸风机，其中一个风机可作为旋风过滤器的除尘风机，另一个风机为电气室提供了正压风源及冷却。 1.5 动力室： 动力室安装有16V265H型柴油机和TA20/CA9型主辅发电机，它们都是通过螺栓刚性连接在底架上。增压器的顶部通过两个烟囱将废气直接排出车外，增压器的底部布置有引水管，可以将通过烟囱进入的雨水引到车下排出。 1.6 冷却室： 绝大部分机车的冷却、机油、燃油系统部件安装在冷却室内。冷却室的顶部为机车散热器组装模块，包括2片高温散热器和2片低温散热器以及管路及支撑结构。其下部为2组风扇电机组，另外还预留了一组风扇电机组的安装位置以满足未来机车达到EPA Tire2排放标准的要求。散热器的下方布置有机油滤清器、机油热交换器、启动机油泵、启动燃油泵、燃油滤清器等。在靠近II端司机室位置布置有两个螺杆式空压机。 机车主要技术特性 型号：HXN3型 用途：干线货运 轨距/mm：1435 机车轴式：C0-C0 轮径(新轮)/mm：1050 轴重/t ：25 t±3% 机车重量（2/3整备）/t ：150t±3% 柴油机装车功率/kW：4660 机车额定功率（主发输入）/kW ：410 机车标称功率/kW：3700 电阻制动功率/kW ：3700 最大制动力/kW：380 燃油箱容积（可使用的）/L：9000 通过最小曲线半径/m ：145 最高运行速度（半磨耗）/km.h-1：120 持续速度/km.h-1：20 最大起动牵引力(半磨耗)/kN：620 持续牵引力/kN ：598 机车车钩中心线距离/mm ：22250 转向架中心距/mm ：14280 机车主要装备及系统配置 3.1 柴油机 该机车动力装置是目前世界上最先进的大功率低排放四冲程柴油机，该柴油机采用动力组工作单元、整体铸造式机体、悬挂式全纤维锻造钢曲轴、单根驱动镶嵌式凸轮轴、高压比废气涡轮增压器、电子喷油泵、多孔式喷油器、集成UPS喷射系统等多项先进结构和技术。具有低油耗、低排放、功率大、故障率低、可靠性高等特点。 该柴油机采用铸造机体和焊接构架油底壳，16个气缸按每列各8个气缸排列，两列之间V型夹角为45°，气缸的左右分列是由后端（输出端）看向柴油机来决定的。 柴油机的前端布置有高低温泵、燃油喷射控制装置、齿轮驱动的机油-燃油泵组等；机体的后端铸有支架来支撑两个增压器。一个增压器供应柴油机的一列气缸。柔性的连接盘将柴油机与主发发电机连在一起。 动力组模块是可完全互换的，包括连杆、活塞销、活塞装配、气缸套、气缸头。每一个动力组装配都自成体系，带有自己的气阀驱动机构和摇臂箱盖。每一个装配都有其独立的进、排气道和出水支管。 型号：16V265H 型式：45°V型排列，16 缸, 4冲程，涡轮增压，中冷 缸径与冲程/（mm×mm）：265×300 压缩比 ： 15.4/1 气缸总排量/L ：264.74 柴油机额定转速/r.min-1： 1000 正常怠速转速/r.min-1 ：420 最低怠速转速/r.min-1：325 电子柴油机控制器：EMDEC 曲轴转向：面对输出端，逆时针 柴油机启动方式：2个空气马达 机油泵：螺旋（斜）齿轮泵 燃油泵：柴油机驱动容积泵 水泵：离心式 增压特性：废气涡轮、水冷 喷射特性：电子控制直接喷射 燃油消耗率（UIC）/g.kWh-1：199.5±3% 排放要求：EPA Tier 2 柴油机干重/kg ：25,200±2% 3.2 机车车体 HXN3机车车体为内走廊、侧墙承载的轻量化焊接结构车体。 车体结构主要包括底架、侧墙、隔墙、大盖、顶盖等。为满足机车重量的要求，底架采用鱼腹结构，整个底架近似于等强度设计。鱼腹部分同时也是燃油箱，可装燃油 机车最大高度/mm：4705 机车最大宽度/mm：3370 两端车钩中心距/mm：22250 机车总长(两端面间)/mm：20980 3.3 司机室独立模块 HXN3机车司机室设计是典型的模块化设计，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、减震器形成阻尼结构使其与车体钢结构完全隔离。这种布置隔离了来自于线路和柴油机两方面产生的噪声和振动，为司机提供了一个舒适的工作环境。这种隔离设计非常有利于批量化生产及模块化组装。 3.4机车电气系统 机车的电气系统技术平台可分为主传动系统、辅助传动系统、微机控制系统等3大部分 机车主传动系统主要由主发电机、牵引整流单元、牵引逆变器、牵引电机、电阻制动装置等组成。主发电机发出的三相交流电，通过集成在主发电机端部的牵引整流单元转变为高压直流电，高压直流电通过牵引逆变器逆变并输出给牵引电动机。机车的交流驱动采用架控方式。主发电机的电枢为双绕组，两套绕组分别经两组单独的牵引整流模块为前后转向架的牵引逆变器供电。牵引逆变器由6个相模块组成，安装在电器室顶部，由前牵引通风机提供空气冷却。牵引逆变器的2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。机车配置一个电阻制动模块，由一组冷却风扇进行冷却，采取顶置式布置。电阻制动模块可完成3700kW的自负荷试验。 HXN3机车采用交流辅助传动系统。辅助系统由与主发电机同轴的辅助发电机供电。辅助发电机电枢具有两套3相交流电枢绕组，其中一套为控制电源和蓄电池充电绕组，另一套绕组由中间抽头分成两组独立的电压输出，一组为辅助设备供电绕组，另一组为励磁供电绕组。 控制电源和蓄电池充电绕组输出72～220Vac、27～83.3Hz的三相交流电，经辅助电源变换器APC整流变压输出74Vdc控制电，为控制系统、蓄电池充电、照明、启动燃油泵、电暖器、司机室风扇、空调逆变器等供电。所有的主要用电设备均由微机控制，以便匹配各种情况下的用电负荷。 辅助设备供电绕组输出136～420Vac、27～83.3Hz的三相交流电，直接驱动前后牵引通风机电机、1个主发通风机电机、2个冷却风扇变极电机（Tier2机车改为经逆变器供电的3个电机）、经逆变器供电的2个空压机电机、1个电器柜通风机电机等。 励磁供电绕组经主发励磁斩波器提供励磁电源给主发励磁绕组，由斩波器直接控制主发电机励磁绕组的电流。 HXN3机车采用32位的EM2000微机系统进行机车的牵引、电阻制动、牵引逆变器、主发励磁、辅助系统等控制，使机车在不同的运行条件下的各牵引及制动手柄位平稳地发挥期望的牵引和电阻制动能力。机车的GEN2 FIRE显示系统，完成信息显示、数据下载、操作及维护界面、电子式制动机控制、远程监控数据接口等功能。机车采用EMDEC控制器进行柴油机电子喷射控制。 1）主发电机技术参数： 型号：TA20 容量：在持续点时为3927 kVA，在满功率，最高转速点为4403 kVA 输出电压：2100 VAC @1000rpm 输出电流：在持续点主发电机电流为 绝缘等级≥H级 额定效率：96% 2）辅助发电机技术参数 型号：CA9 容量/ kVA：347 输出电压/V：线电压444 输出电流/A：450 频率/ Hz ：43.3～133 绝缘等级≥ H级 3）整流器技术参数 输出电压：2738 V DC Max. 整流二极管参数：4400 V， 输入电压（最大值）/V：3200 输入电流（最大值）/A：1227 (在运用时切除一个逆变器时) 输出容量/ kVA：2624 持续 输出频率（最大值）/ Hz：120 型号：1TB2630 MOD 极数：4 额定功率/ kW ：690 持续电流(基波有效值) /A：274 持续电压(基波有效值)/V：1343（线电压） 持续点转速/ rpm：557 最高运用转速/ rpm：3475. 控制方法：矢量控制 绝缘等级≥H级 额定效率≥0.94 3.5重载高速转向架技术 HXN3机车上装有两台高牵引力、快速三轴HTSC型转向架。该转向架跟常规的转向架一样，承担机车的全部重量，同时将机车动力传递到钢轨上。全部的纵向牵引和制动载荷都通过拐臂牵引杆机构从转向架传递到机车底架。该转向架采用一系双弹簧，二系橡胶堆悬挂装置、焊接式轻量级构架、滚动抱轴及电机吊杆组成的电机悬挂系统、带有单元式轴箱轴承的分体式轴箱、斜齿传动、踏面制动单元等结构及技术。每台转向架装有3台EMD交流牵引电动机。 整个转向架设计简单、成熟、可靠、具有良好的动力学性能。驱动装置的设计充分借鉴了北美及国内机车多年来的成熟经验，确保了机车安全可靠运行。分体式轴箱设计大大减少了维修工作量，降低了维修成本。 轮径/mm：1050 轮对内侧距/mm：1353 转向架中心距/mm：14280 转向架轴距/mm：1755+1925 齿轮传动比 85：16 3.6机车制动系统 该车制动部分采用国际先进的微机控制空气制动系统CCBII。空气制动系统的自我诊断、故障显示及人机对话功能被集成到机车FIRE显示系统中。该制动系统是基于网络控制技术的电控空气制动系统，除紧急制动外，所有的逻辑均由计算机控制，是当今世界上最先进的机车制动系统之一。该系统减压准确，反应迅速，保养少，并具有安全性、可靠性、集成化程度高的特点；采用“在线可更换单元”的设计理念，维护简单；功能可扩展性良好，可实现分布式无线重联控制等功能。 CCBII电子空气制动系统主要包括电-空控制单元（EPCU），集成处理模块（IPM），继电气借口模块（RIM），单独制动阀和自动制动阀。 制动系统中的风源部分为两个由交流电机驱动螺杆式空压机、干燥器及各种风缸、管路及各种阀类和管路。 3.7 冷却水系统 HXN3机车冷却水系统分为高温冷却系统和低温冷却系统。高温水冷却柴油机的气缸套、散热器、机油等，低温水主要冷却柴油机进气。散热器为顶置式，压风式冷却。当柴油机停止运转后，散热单节的冷却水将全部流回膨胀水箱内。为提高冷却能力，膨胀水箱上安装有138kPa的压力阀盖来保证水系统内部压力。 3.8机油系统 安装在柴油机端板上的单体式高压润滑油泵从油底壳通过一个粗滤器抽油，通过安装在机车上机油滤清器及机油冷却器的机油被输送到柴油机前端安装的分配支管上。支管的作用是导流机油到柴油机各个轴承进行润滑。通过在柴油机内循环之后机油便排放回油底壳。 机车上还安装有(双向旋转)辅助机油泵，布置在冷却室的下部支架上，它不但承担柴油机启动前的预润滑功能，而且在柴油机停机后，为保护增压器而进行反转单独给增压器轴承进行后润滑。 3.9燃油系统 燃油系统包括安装在机车上的启动燃油泵、燃油滤清器、燃油预热器及相关管路阀件以及安装在柴油机上的机械传动的燃油输送泵、喷油泵、喷油器、燃油分配器、供油和回油管路等。 在司机按下柴油机启动按钮后，电动的启动燃油泵由微机控制从燃油箱抽油，经过粗、精滤器后送到安装在柴油机上的燃油分配器，并输送到每个缸的燃油泵。小部分燃油被加压成很高的压力后由喷油嘴喷出参与做功燃烧。大部分燃油来冷却和润滑喷油泵机构，最后经回油管回到燃油箱。 而当柴油机达到稳定的转速后电力驱动的燃油泵将在EM2000微机控制下停止工作，由机械传动的燃油输送泵为柴油机提供燃油。 3.10通风系统： 机车通风系统的主要作用是发挥关键部件的最优性能及保证机车主要设备的长期稳定工作，从功能上可分为滤清通风、冷却通风、正压通风。该系统的主要关键部件包括为柴油机进气进行滤清的旋风筒式过滤器、袋式玻璃纤维过滤装置及为电气间正压通风用的纸质滤清器；起冷却作用的设备包括为机车相模块和I端转向架牵引电机通风的I号通风机、为II端转向架牵引电机通风的II号通风机、为主发电机通风的通风机；起正压作用的包括布置在冷却间的2个为动力间提供通风的通风机和布置在主发电机上为电气间提供正压的双轴身通风机。 4 结论 HXN3新型重载交流传动内燃机车具有技术先进、性能领先、可靠性高、维护简单、全周期寿命成本低的特点，决定了它必然将在我国未来的铁路运输业上发挥重要的作用。大连机辆公司也将通过该车先进技术的引进消化吸收，不但提高机车的国产化率并达到拥有自己的成熟可靠的交流机车及技术平台的目的。
频率：83.3 Hz @ 1000rpm
IGBT功率器件参数： 4.5 kV / 1,200 Amps DC额定效率≥ 0.98
最大起动电流(基波有效值)/A：249
持续点频率/ Hz：19.1
HXN3型内燃机车总体设计
发表时间：2014-11-01 20:22 作者： 来源： 浏览：
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