HXD2机车总体.docx

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HXD2机车总体

2机车总体

2.1概述

“和谐2”型电力机车（以下简称HXD2机车）是为中国大秦线牵引2万吨重载货运列车而设计的一种新型重载货运交流传动机车。

机车设计贯彻铁道部提出的“先进、成熟、可靠、经济、实用”的指导方针和“模块化、系列化、标准化和信息化”的基本原则，以在欧洲得到成熟运用的PRIMA系列机车为原型，在保持原型机车的技术先进性、结构可靠性的前提下按照中国大秦线重载运输环境需求、中国司机的驾驶操控特性要求和中国铁路信号通讯特点进行适应性设计。

HXD2机车采用交流25KV/50Hz的电压制模式，机车最高试验速度132km/h，最高运行速度120km/h。

机车在海拔不超过2500m，最大相对湿度（该月月平均最低温度不低于25 ℃）90%，环境温度（遮荫处）在-25℃至+40℃可正常运行，采取加温和防寒措施后可在-40℃的环境条件下能够按照机车额定功率正常工作，能承受风、沙、雨、雪、煤尘和偶有的沙尘暴等气候条件，完全满足大秦铁路的气候环境和煤炭装卸地煤尘污染严重的环境要求。

同时，机车材料的耐低温设计使机车的适用地域更加广泛。

2.1.1大秦线运输需求

我国能源资源的特点是煤炭资源丰富，油气等资源相对较少，煤炭储量在常规能源资源中占90％以上，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，同时也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一。

长期以来，煤炭在全国一次能源生产和消费中的比重一直保持在70％以上。

以山西、陕西、内蒙古西部地区为主的“三西”是我国的主要煤炭基地，煤储量占全国总储量84%，生产量约占全国的1/3，净调出量占全国的80％左右。

“三西”煤炭外运以铁路为主，大秦线是其中最重要的一条运输通道，也是我国第一条双线重载电气化运煤专线，它承担着全国六大电网、五大发电公司、380多家主要发电厂、十大钢铁公司和6000多家企业生产用煤和民用煤、出口煤的运输任务。

随着我国经济发展步伐的加快，全国煤电油运全面紧张，大幅度提高大秦铁路煤炭运输能力已迫在眉睫。

经科学论证，将大秦线列车重量提高到2万吨，可以大幅度提高大秦线运输能力，同时通过长大重载列车的系统集成创新，将使我国重载运输技术跨入世界先进行列。

大秦线西起北同蒲线的韩家岭车站，东至秦皇岛地区的柳村南站，全长653公里，为全线双向自动闭塞，正线和到发线全部电化。

大秦线多山区、多隧道、多曲线，共有隧道48个，隧道累计总长65.8公里，最长的军都山隧道长约8.4公里，且重车方向有两段长大下坡道：

一段线路长度为47公里，平均坡度达-8.2‰；另一段线路长度为50公里，平均坡度-9.1‰，最大坡度达-12‰，是大秦线重载运输的最困难区段。

图2.1是大秦线纵断面图。

图2.1大秦线纵断面图

为满足大秦线重载运输的要求，机车应满足如下要求：

（1）具有足够的牵引和电制动功率，机车总功率在9600kW以上；

（2）所选用的钩缓装置应有足够的纵向强度与缓冲能力；

（3）机车良好的制动控制能力；

（4）机车具有多机重联同步控制功能，为适应长达重载列车牵引动力分散配置的要求，机车应配置远程同步操纵系统。

2.1.2HXD2机车总体结构

目前，在大秦线担负煤炭重载列车牵引的电力机车主要是上世纪八十年代由欧洲进口的8K型电力机车和由我国自行开发的SS4G型电力机车。

两种机车属于交直流传动机车，不能很好地适应国民经济的快速发展和大秦线重载货运形势发展的需要。

HXD2机车以其充足的牵引和制动功率、较高的机械强度和可靠性、机车装用美国GE公司研制的列车牵引和制动的同步控制装置Locotrol系统和无线电设备等特点，很好地满足了大秦线机车双机牵引2万吨重载组合列车要求，为完成铁道部提出的大秦线煤炭年运量3-3.5亿吨的宏伟目标做出了积极贡献。

HXD2机车采用2（Bo-Bo）轴式，由双节机车联挂组成，每节机车具有单端司机室，后端设置独立的司机生活间，机械间采用中间走廊两边布置设备模块的形式，两节机车采用橡胶风挡及渡板衔接。

在机车的标准配置中，机车整备重量为184t，对应轴重为23t。

加上压车铁轴重可以增加到25t，机车整备重量为200t，以便发挥更大的粘着牵引力。

机车外形总图见图2.2。

图2.2机车外型图

机车采用交-直-交电传动系统，与大秦线使用的既有的交-直传动机车相比，具有恒功范围宽、轴功率大、粘着特性好、功率因数高、谐波干扰小、维护率和全寿命运营成本低、适用范围广等优点。

机车可在大秦线单机牵引1万吨重载列车,双机同步控制牵引2万吨重载组合列车。

主电路由IGBT模块组成的四象限整流器和逆变器对牵引、再生制动、防空转/防滑控制和安全保护控制，实行连续的单轴控制，实现了机车的每一轮对都能发挥最佳状态，并根据单轴的运行状态信息调节该轴的转速，保证轮轨的粘着利用；当机车的一轴发生故障时，牵引力损失最小，一台车只损失1/8的功率。

将不同电压等级的线分开布置，有效减少了信号传输中的电磁干扰；机车具有再生制动功能，对于大秦线从西往东重载下行的特点而言，大约可节约总电能的1/3以上，完全符合当前我们国家大力提倡的节能降耗、环保的理念。

机车采用微机网络控制系统，控制网络基于AGATE™产品系列，体现机车设计信息化特点。

AGATE™是一种先进的列车控制、监视和维修用车载计算机网络部件，系统是完全可升级的、模块化的产品。

由基本硬件和软件模块组成：

MPU（主处理）、CRT（牵引传动控制模块）、CRA（辅助控制模块）、RIOMS（远程输入输出模块）、DDU（司机室显示器）等。

两台DDU都采用相同的应用程序软件，当其中一台发生故障时，另一台会显示所有必要的信息。

机车辅助电源为三相交流380V/50Hz，采用由IGBT元件组成的辅助逆变机组，机车控制电源为直流110V；辅助电路的输入直流1800V由主电路的中间电路提供；机车主电路、辅电路、控制电路在各种工况下均有完善而可靠的短路、过载、接地、过电压、欠压、过热、空转、滑行以及通风、油流和水流系统的故障保护装置，并在司机室的微机显示屏上采用图形化人机界面显示故障内容及有关故障处理提示。

带有微机控制的电空制动柜，接受司机操纵台上制动控制器的控制指令，使列车管的压力控制更加精确，同时缩短制动与缓解时间，提高制动系统的可靠性和安全性；制动机具备状态监测和故障判断功能、具备WorldFIP网络接口，制动机状态及故障信息可以通过车辆总线进行传递。

机车主变压器为模块化的卧式结构，包括1个原边绕组，4个牵引绕组，4个二次滤波电抗器，2个辅助滤波电抗器，强迫油循环风冷却系统以及内置的多种保护电器。

其设计、制造技术基于瑞士ABB变压器产品在国际铁路上成熟、可靠的应用，执行IEC、EN、DIN标准，在安全可靠的漏磁屏蔽技术、高强度的油箱结构技术、E级绝缘材料的选用配套技术、变压器整体的全寿命周期、轻量化和环保性等方面具有独特优势。

机车采用BoBo转向架，采用细晶粒高强度钢板焊接而成的“口”字形构架，中间横梁用螺栓与构架联结；异步交流电机鼻式悬挂，封闭式球铁滚动抱轴箱体、承载式球铁齿轮箱改善了部件的应力分布，提高了部件的抗振性能；采用整体辗钢车轮；低位牵引杆保证了高的粘着利用；一系悬挂装置和二系悬挂装置确保安全和运行舒适性；通过一系、二系轴重调整垫实现25t/23t轴重变化；构架、齿轮箱、轴箱、抱轴箱等主要部件都具有符合EN标准要求的-40℃抗低温冲击性能。

整体承载式焊接车体结构，无横梁框架式波纹板侧墙，有中梁并与台架合成统一的底架，具有良好的工艺实现能力；可以承受纵向压缩3600kN和拉伸2500kN的高强度；车体原材料在-40℃低温下具有良好冲击韧性值。

司机室采用框架式结构，整体前窗采用多层导电膜电加热玻璃；两侧分别设玻璃侧窗和后视镜；两入口门厚重结实、密封性好，上部设上下推拉式玻璃窗与外界沟通；后墙中间为走廊门通向机械间，两侧设添乘座椅；司机室内装修为多孔铝板；整个司机室宽大舒适、气密性高、噪声隔离好。

司机操纵台环绕司机座椅布置，台面上的主要设备分为显示区、牵引控制区、制动控制区、照明控制区和气候控制区等几个区域，下部还设有风笛、无人警惕和撒砂的脚踏开关等。

功能集中、明确，操控方便，满足单司机值乘要求。

为体现“以人为本”的设计理念，满足长交路、单司机值乘的需要，在机车的中部增设了两个专门的生活区，分别安装了冰箱、微波炉、热水器、独立卫生间、卧铺床、衣帽柜、座椅、照明灯等生活设施。

生活间侧面有上下推拉式玻璃窗与外界沟通，前后设门与车内走廊和机车风挡渡板相通。

生活间内部按包厢式结构装修，顶置式空调和电暖风机可保证在-40℃的环境条件下室内温度保持在+20℃左右。

HXD2机车涉及的国际和国外标准面广量大，主要包括：

ISO、IEC、UIC、EN、NF、DIN及ASTM标准等，基本涵盖了机车设计、制造的全部领域，基本形成了完备的先进标准体系平台。

机车结构设计的最大特点是采用国际上先进的模块化设计方法，以维修要求为导向、以功能体系为基础，将机车产品按照功能划分为多个层次的子功能，然后将各子功能用形式关系加以表达，其关键在于采取系统的方法根据用户的需求和大秦线的技术特点定义出机车产品的有效的功能模块或功能分块，从而建立对应的产品体系结构。

机车总体结构的模块化设计提高了产品形式的可塑性，拓展了产品种类并加快了新产品的更新速度，有利于提高产品的标准化、系列化、可维护性和可使用性程度，完全符合铁道部对机车车辆现代化提出的指导方针和基本原则。

HXD2机车模块化设计流程与结构见图2.3和图2.4。

图2.3HXD2机车模块化设计流程图

综上所述，HXD2机车集中展现目前国际交流传动机车技术水平，其技术优势表现为以下几个方面：

a.机车总体采用模块化设计技术，大部分部件基于PRIMA机车平台设计，其先进性、成熟性、通用性和可靠性得以充分的体现。

b．贯彻以维修为导向的设计理念，机车采用宽700mm的中间走廊并在侧墙上开设了宽787mm的维修门，增加了所有设备的易接近性；机车采用整体独立通风系统，防止机械间设备污染,保证了司机室的清洁。

c．机车控制采用分布式微机网络结构，采用WORDFIP协议，智能定位故障部件，协助操作人员故障维护，实现了逻辑控制、自诊断功能，网络的冗余设计保证了机车通信的可靠性。

d．机车的牵引传动控制系统采用AGATE3控制单元，实行独立轴控方式，提高了机车的运行状态控制和粘着利用；

e．机车变流技术采用ONIX3.3kVIGBT技术，使机车单轴功率可达到1250kW。

机车总功率达到10MW，是目前国内所有既有机车中功率最大的机车。

变流模块采用易拆卸技术，且不需排放冷却液；这些模块还带有定位针，防止不同模块的错插；

图2.4HXD2机车的模块化结构

f．两组相同的辅助静止变流器为机车提供辅助电源。

通常一个变流器提供380V、50Hz频率的电源，而另一个提供变频电源以减小风机的噪声等级。

当一台变流器故障时，另一台变流器能为全部辅助设备供电；

g.带有微机控制的电空制动柜，它接受司机操纵台上制动控制器的控制指令；采用Locotrol远程同步控制系统，减少了列车的纵向冲击；

h.轻量化的卧式主变压器在油箱强度、高绝缘性能和全寿命周期管理方面具有独特优势；

i.BoBo转向架，采用高强度、耐低温的原材料并具有很高的结构可靠性和很高的粘着利用性能；

j．200级绝缘的异步牵引电动机,机壳由牢固支撑磁路的预制焊接箱体组

成，线圈由槽键固定,转子轴由高屈服强度的合金钢制成；

k．整体承载式焊接车体结构，具有高强度和良好的工艺实现能力；

m．机车设置了两个独立的司机生活间，保障了司乘人员的休息。

2.2.主要技术参数

2.2.1总体参数

2.2.1.1轨距1435mm

2.2.1.2轴式2（BoBo）

2.2.1.3机车整备重量2x92

%t

2.2.1.4加压车铁后2x100

%t

机车可以从23t轴重转换成25t，也可以从25t轴重转换成23t，机车交车时轴重为25t。

2.2.1.5轴重23

%t

2.2.1.6加压车铁后25

%t

2.2.2尺寸限界

机车在平直轨道上受电弓降下时，机车外形尺寸符合“机车车辆限界”GB146.1-83的要求。

2.2.2.1车钩中心线距轨面高度为（新轮）88010mm

2.2.2.2受电弓降下时受电弓滑板距轨面高度（新轮）≤4800mm

2.2.2.3受电弓滑板距轨面工作高度5200～6500mm

2.2.2.4齿轮箱底面距轨面高度不小于（在新轮条件下）120mm

2.2.2.5机车排障器距轨面高度（在轮缘允许厚度范围内可调）11010mm

2.2.2.6转向架扫石器距轨面高度30mm（可调）

2.2.3主要结构参数

2.2.3.1机车前后车钩中心距18975mm

2.2.3.2机车车体宽度2850mm

2.2.3.3机车车体宽度（扶手杆处）3025mm

2.2.3.4机车车顶距轨面高度3866mm

2.2.3.5机车转向架中心距（单节车）10060mm

2.2.3.6机车转向架固定轴距:

2600mm

2.2.4主要控制参数

2.2.4.1电压制式：

AC25kV50Hz（允许在17.5kV-31kV范围内波动）

2.2.4.2机车轮周牵引功率（持续制）10000kW

2.2.4.3机车轮周电制动功率（持续制）10000kW

2.2.4.4机车起动时粘着牵引力（0～5km/h速度范围内半磨耗的轮周平均牵引力）

23t轴重时≥700kN

25t轴重时≥760kN

2.2.4.5机车速度

a.持续制速度

23t轴重时70km/h

25t轴重时65km/h

b.最高运行速度120km/h

c.最高试验速度（新轮）132km/h

2.2.4.6机车持续制牵引力

23t轴重时514kN

25t轴重时554kN

2.2.4.7恒功率速度范围

牵引:

23t轴重时70～120km/h

25t轴重时65～120km/h

再生制动：

23t轴重时76.6～120km/h

25t轴重时70.6～120km/h

2.2.4.8机车功率因数：

当机车功率大于10%额定功率时，机车功率因数（）≥0.98

2.2.4.9等效干扰电流和原边电流谐波含量（机车在持续制牵引工况下，距牵引变电所10km处测量，接触网每公里0.83Ω，6522）当一台机车满功率运行时等效干扰电流（Jp）≤1.5A

2.2.4.10机车电传动型式：

电压型逆变器，三相异步牵引电动机传动。

2.2.4.11机车总效率≥0.85

2.2.5动力学性能参数

2.2.5.1机车能以5km/h速度安全通过R=125m的曲线，并能在R=250m的曲线上进行正常摘挂作业。

2.2.5.2在R=300m的曲线上，机车速度为75km/h时（超高为150mm的曲线时），脱轨系数≤0.6

2.2.5.3转向架的动力学性能符合规定的中国标准并参照UIC518的标准.

2.2.5.4机车在整个允许运行速度范围内：

在机车司机室中心测得的振动加速度、频率、方向和持续时间（以8小时计）对人体的影响，符合ISO2631-1985（E）（“对人体影响的评估”第一节总则）有关条款的规定。

2.2.5.5机车在牵引工况下的轴重转移起动时≤10%

2.3牵引性能

2.3.1机车牵引特性曲线

图2.5机车牵引特性曲线

从图2.5可以看出，在23t轴重下,机车的启动牵引力700kN，对应机车速度范围0-5km/h，在5-70km/h速度范围，按线性关系到514kN，进入恒功区，然后以此功率运行到120km/h；25t轴重下,机车的启动牵引力760kN,对应机车速度范围0-5km/h，在5-65km/h速度范围，按线性关系到554kN，进入恒功区，然后以此功率运行到120km/h。

机车的最大牵引功率为10MW。

2.3.2再生制动特性曲线

图2.6再生制动曲线

从图2.6可以看出，在23t轴重下，在0-10km/h速度范围内，机车的最大电制动力限制为470kN，在10-76.6km/h速度范围内，机车保持最大制动力，在76.6-120km/h速度范围内，机车以恒功率进行制动；在25t轴重下，在0-10km/h速度范围内，机车的最大电制动力限制为510kN，在10-70.6km/h速度范围内，机车保持最大制动力，在70.6-120km/h速度范围内，机车以恒功率进行制动。

机车的再生制动最大功率为10MW。

2.4油漆美化与机车防腐

机车产品的表面被涂料覆盖，形成涂膜，其作用可概括为保护作用、装饰作用和特殊功能等三个方面。

机车暴露在大气中，受到氧气、水分等的侵蚀，造成金属锈蚀等破坏现象，保护作用是涂料的一个主要作用。

不同颜色的涂料，可得到五光十色、绚丽多彩的外观，起到美化人类生活环境的作用，对人类的物质生活和精神生活做出不容忽视的贡献。

涂料能提供多种不同的特殊功能，如：

电绝缘、导电、防静电、耐高温、标志颜色、防滑、防噪音、减振等不同作用。

涂料的这些作用在HXD2型电力机车上均有体现。

对车体表面进行油漆，需对表面进行严格的预处理并且在车体的不同部位采取不同的处理方法。

同时，为了防止零部件功能表面的电腐蚀、化学腐蚀以及其它腐蚀发生，机车上还采用了电镀防腐、材料防腐、油脂防腐等措施。

2.4.1车体表面的处理

机车的油漆美化主要是对机车车体的外部和内部表面的油漆涂覆。

根据车体各部位涂覆的要求不同，在涂覆前对各部位的处理方式也不完全相同。

车体各部位的标准处理过程是：

脱脂-抛丸或打磨-清除灰尘-底漆-中涂漆-面漆。

但对于车体外部表面的中涂漆的厚度比其它部位多100μm。

对于可移动部件的处理与上述步骤大致相同，但中涂漆的厚度只有50μm，而且对于车体内侧和地板下面的部件可以不涂中涂漆。

在车体钢结构骨架梁的内侧，由于组焊后，其内表面无法再处理，所以在骨架梁上开设了许多小圆孔，以便油漆喷头能通过它将油漆喷入梁内侧表面，达到防腐的目的。

产品成型后，用专用的塑料盖将小圆孔密封。

不需要涂漆的零部件:

不锈钢零部件，包括螺母、螺栓；铝材质零部件，包括机械间百叶窗内侧、铭牌；铜材质零部件；镀铬零部件；合成橡胶；功能性加工区域；必须润滑的部件；制动装置等。

2.4.2机车的外部美化

2.4.2.1和谐的整体格调

机车的色彩设计是造型设计的主要组成部分。

机车的造型首先要具有曲线柔和、舒适亲切的美感。

产品的美是综合形、色、材料的美而产生的，而色的效果又先于形，具有先声夺人的魅力。

和谐的整体格调是机车外观设计的主要基本原则。

2.4.2.2机车的色彩设计

由于生活水平的提高，人们有一种追求明快、温暖、柔和色彩的欲望。

为了满足这种审美要求，机车尽量不应选用灰暗的色彩。

结合货运电力机车的特点，HXD2机车主体色彩运用了蓝、浅灰的色彩，并与HXD1机车和HXD3机车相同。

人们对于色彩的要求也象对“形”的要求一样有弃繁就简的倾向。

为显示机车的庄重，用色不宜太多。

但对机车这样一个庞大的造型物只用一种颜色未免过于单调。

在HXD2机车上，我们用了蓝、浅灰两种主要颜色。

为了耐脏和使零乱纷繁而又外露的走行部分产生后退感，以达到藏丑露美的目的，把走行部分涂以色彩纯度极低的无光漆，并略微偏冷。

HXD2机车采用了无彩系的灰色。

2.4.3涂料特殊功能的运用

在机车顶盖外观油漆的设计时，利用了涂料所具有的特殊功能。

按照原先的设计习惯，顶盖外侧应设计钢制的走台板以便于检修人员在车顶的工作安全。

但对于HXD2机车这样高档次的产品而言，在车顶设置走台板显得繁琐并影响机车的外观。

所以，设计人员在车顶外侧走台板的相应部分区域喷涂防滑漆替代了走台板，取得了良好的效果。

为了司乘人员有一个良好的工作环境，机车司机室内墙、顶盖内侧、地板上部等处都喷涂了防噪音的沥青漆用于降低噪音。

在危险的地方粘贴的标识采用了标志颜色涂料，达到警示的目的。

2.4.4机车防腐

机车防腐，油漆是最主要的措施。

但是对于一些特殊表面以及某些结构部位，油漆方法无法实施。

这就需要采取其它一些防腐措施。

特别是对于用于大秦线这样的煤运专线的机车而言，机车防腐具有特殊意义。

在机车外侧的导电截面处，为了防腐也为了取得良好的导电性能，HXD2机车全部采用了不锈钢的螺栓、螺母和满足法国标准的Trep垫圈和CS垫圈，如车顶设备的安装、车底接地线处的紧固件；制动系统的空气管路全部采用不锈钢管；司机操纵台骨架以及其它特殊部位的小件采用铝合金板料焊接而成等，均属于材料防腐。

除了不锈钢紧固件外，全车的碳钢类紧固件全部进行表面镀锌；车顶导电母线连接端处表面镀锡、镀银等，除了满足良好的导电性能要求外，也有防腐的功能。

这属于表面涂镀防腐。

在HXD2机车上，严禁不同材质如不锈钢与碳钢以及其它钢材的紧固件混合使用；在钢结构的骨架梁的段焊焊缝的空余处，用涂密封胶防止水气进入梁内侧发生锈蚀等，从而实现了结构防腐。

此外，在诸如牵引拉杆座的加工表面涂油脂，以达到防腐的目的，从而实现了油脂防腐。

机车防腐的措施其实还有很多，详细情况读者可以参阅本书其它章节的有关叙述。