第二章内燃机车.docx
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第二章内燃机车
第二章内燃机车
铁路车辆一般是没有动力的,因此需要机车来牵引运行。
铁路机车按动力的不同,主要有蒸汽机车、内燃机车和电力机车。
蒸汽机车己淘汰,所以内燃机车和电力机车将是我们介绍的重点。
内燃机车是以燃油的内燃机(一般是柴油机)为动力的牵引设备。
因柴油机不能直接用于牵引,因此,内燃机车由柴油机、传动装置、走行部三个主要部分以及车体、车钩缓冲装置及制动装置等组成。
由于工作性能的不同,可分为:
客运机车,货运机车,调车机车三类。
内燃机车按传动方式的不同,可分为:
电传动内燃机车,液力传动内燃机车。
内燃机车的轴式,是内燃机车型式的一种表示方法,一般采用数字或字母表示,字母A、B、C、……分别表示1、2、3……个动轴数,每个动轴若是单独驱动的,则在动轴下加一注脚“0”。
如东风4B型内燃机车的轴式为“C0—C0”。
双节机车如东风4E型内燃机车的轴式为“2(C0—C0)”
图2—1为东风4型内燃机车总体示意图。
第一节总体综述
一、我国内燃机车的发展
60年代,我国内燃机车的发展处于起步阶段,当时的指导思想是:
“内燃机车与电力机车同时并举,电力传动与液力传动同时并举,高速柴油机与中速柴油机同时并举”。
在三个并举方针指导下,曾经规划过我国内燃机车的开发及制造工作,建设了具有相当规模的内燃机车生产基地,为我国内燃机车的发展奠定了基础,推动了我国铁路牵引动力现代化。
70年代,通过对老厂的改造及建设新厂,形成了大连、四方、二七、资阳、戚墅堰五大工厂各自开发及生产一种主要产品的格局。
当时生产的内燃机车为我国第一代内燃机车,主要有:
电传动的东风型系列机车、东风4型机车,以及液力传动的东方红系列机车及北京型机车。
回顾这一段发展历史,可以看出,我国对铁路牵引动力现代化的决心很大,但对于如何形成中国铁路牵引动力现代化的特色,同时追踪国外的先进技术,还处于摸索阶段。
从发展的总体来讲,存在以下几个问题:
(1)电力牵引及内燃牵引发展不平衡
由于片面强调了铁路电气化对备战的不适应,形成了牵引动力改革向内燃化一边倒的格局,这与大多数发达国家铁路牵引动力现代化的发展趋势不符;
(2)没有以电传动为骨干
液力传动内燃机车的生产工厂及计划生产能力远远超过电传动内燃机车,这与国外大型干线内燃机车不再采用液力传动的发展趋势不符;
(3)没有以中速柴油机为骨干
高速柴油机与中速柴油机平分秋色,与国外大型内燃机车越来越多采用中速柴油机的趋势不符;
(4)重主机,轻配件
重视主机厂的发展,追求大而全,忽视了配件厂的建设,难以形成专业化生产及提高产品质量;
(5)重制造,轻运用
不是以用户需要为主,而是制造厂造什么车,机务部门就必须用什么车。
当时,面对我国内燃机车发展总体方针中存在的问题,我国内燃机车界经历了电力传动与液力传动、高速柴油机与中速柴油机的激烈争论,最后决定不再生产用于铁路干线的液力传动机车及高速柴油机。
在1989年和1991年以后,分别停止了东方红(3)型和北京型两种干线客运液力传动内燃机车的生产。
经过重大调整,到80年代后期已形成了新的生产格局。
表6-l为我国目前生产的第二代内燃机车的主要技术参数。
所有这些机车都是采用中速柴油机的电传动机车。
这里特别要介绍一下东风4型系列机车的情况。
我国早期生产的东风型机车,是直一直流电力传动机车,柴油机功率也较小。
由于大功率16V240ZJ型柴油机和交直流电力传动的技术的开发成功,1969年研制成第一台2430kW(3300马力)的东风4型交直流电力传动干线货运机车,并于1974年开始投入批量生产。
此后,东风4系列机车便成为我国铁路的主型机车。
1978年,在对16V240ZJ型柴油机长期运用经验的基础上,对原柴油机作了改进,研制成功了更可靠、更省油的I6V240ZJB型柴油机,并于1982年研制成功了装用这种柴油机的东风4B型机车。
在保持柴油机装车功率2430kW不变的条件下,柴油机标定转速由1100r/min降为1000r/min,最低工作转速由550r/min降为430r/min。
机车轮周效率由32.73%提高至33.7~33.9%。
1985年东风4B型机车开始投人批量生产,是目前内燃牵引的主型机车。
该机车已于1998年起停止生产。
1984年在16V240ZJB型柴油机的基础上,又研制成功了功率更高的16V240ZJC型柴油机,其UIC功率达2940kW(4000马力)。
1985年利用这种柴油机研制成功了东风4C型机车,柴油机装车功率为2650kw(3600马力)。
1989年东风4C型机车开始批量生产,是当前产量最多的内燃机车,将成为我国内燃牵引的主型机车。
为了满足京沪线开行5000t货物列车的需要,在东风4B型机车的基础上,四方厂成功地开发了东风4B双机重联的东风4E型机车,总功率为2×2430kw(2×3300马力)。
以上介绍的都属于东风4型系列机车,是我国当前生产和运用的主要机车。
1986年研制成12缸的12V240ZJ柴油机,1990年试制成双节连挂的、采用该柴油机的八轴东风10A型内燃机车,轴式为2(B0-B0),柴油机装车总功率为2×1985kw(2×2700马力)。
为了进一步提高我国内燃机车的技术水平,有关机车厂分别与国外进行合作和引进先进技术。
从1983年起,大连厂与英国里卡多(Ricardo)工程咨询公司合作,对16V240ZJB型柴油机加以改进,研制成新型的16V240ZJD型柴油机,1989年装用于新型机车东风6型机车上。
东风6型机车采用了引进的美国GE公司的电力传动装置和微机控制设备。
微机控制系统的功能和技术现范是大连厂与GE公司共同制订的。
东风6型机车是我国典型的第三代内燃机车,是我国当前技术水平最高的货运内燃机车。
柴油机装车功率为2940kW(4000马力)。
经定置试验台试验测定,机车轮周效率达35.05%、35.44%。
机车的技术水平已达到80年代世界同类产品的先进水平。
1989年研制成两台东风6型机车的样机,1991年后又研制两台完全国产化的东风6型机车。
上述四台机车都在大连机务段运用。
我国开发成功的第三代内燃机车除东风6型机车外还有东风4D和东风11型机车,如表6-2所示。
戚墅堰机车车辆厂于1979年研制成第一台大功率16V280ZJ柴油机,1984年研制成第一台用该柴油机的东风8型货运内燃机车,轴式C0—C0柴油机装车功率3310kW(4500马力)。
为了适应繁忙干线货物列车重载提速的需要,1997年研制成功了25t轴重的东风8B型内燃机车。
柴油机型号为16V280ZJA,装车功率3680kW(5000马力)。
这是我国当前单节功率最大的货运内燃机车。
为了满足广深准高速线及繁忙干线旅客列车提速的需要,戚墅堰机车车辆厂在1990年开发了最大运用速度为140km/h的东风9型客运内燃机车。
机车装用16V280ZJA型柴油机,装车功率为3610kW(4910马力),机车轴式为C0—C0,牵引电动机为架悬式,轮对空心轴驱动。
东风9型机车只造了两台,现在广深线牵引准高速列车,最大运用速度达160km/h。
戚墅堰机车车辆厂在东风9型机车的基础上,又作了一些改进,于1992年底研制成功了最大运用速度160km/h的东风11客运机车。
东风11型机车仍装用16V280ZJA型柴油机,牵引发电机和牵引电动机在东风9的基础上作了些改进,并装用了微机控制系统。
机车的悬挂装置也作了改进。
目前东风11型机车已投人批量生产,用来满足广深准高速线和繁忙干线客运提速的需要。
我国调车内燃机车的开发近些年来也取得了很大的成功。
1984年四方机车车辆工厂开始批量生产东风5型调车机车。
该机车装用直列8缸的8240ZJ型柴油机、装车功率1210kW(1650马力),机车轴式C0—C0。
这是我国铁路需要量较大的中等功率的调车机车。
为了满足大型编组站的调车作业的需要,二七机车厂开发了1470kw(2000马力)的东风7型调车机车,1985年投人批量生产。
该机车装用北京型机车的12V240ZJ型柴油机的变型——12V240ZJ-2型柴油机,其装车功率从1990kw(2700马力)降为1470kW(2000马力)。
这是当时功率等级最大的调车机车。
1990年开发了2500马力的东风7B型机调车机车。
1991年开发了东风7C型调车机车,该机车装用了12V2400/275型柴油机,与东风4的柴油机缸径和行程相同。
提高了柴油机零配件的通用互换性。
东风7C型机车从1992年起已投入小批量生产。
现在我国还有数百台东风型机车在运用,这些60、70年代生产的我国第一代内燃机车,普遍已经老化,大部分已接近报废。
为了替代东风型机车,缓解某些铁路区段运输的急需,二七机车厂开发了东风7D型机车。
该机车与原东风7调车机车的主要主区别在于车体采用车厢式向走廊结构\单端司机室,动力装置采用行程为275mm的12V240ZJ6A型柴油机,装车功率1840kw(2500马力)。
1995年已制成东风7D型机车的样机,配属在机务段进行运用考核。
为了与5000t级重载列车配套,资阳内燃机车厂于1997年研制了东风12型重型调车机车,C0—C0,轴重23t-25t,装用16V240ZJB型柴油机,装车功率2430kW(3300马力)。
我国铁路干线内燃机车装用240型柴油机及280型柴油机。
240型柴油机已经形成了8缸、12缸、16缸组成的系列,16缸柴油机的结构改进已从原设计的A型发展为B型、C型、D型及E型。
16缸机的装车功率由2430kW(3300马力)增至2650kW(3600马力)、2940kW(4000马力)、3310kW(4500马力)。
大连厂与英国里卡多(Ricardo)工程咨询公司合作开发的16V240ZJE型柴油机,已于1995年9月通过了长达1000小时的耐久性试验。
与16V240ZJD型柴油机相比,在燃油消耗率保持207g/kwh不变的前提下,装车功率可由D型机的2940kW(4000马力)增为3310kW(4500马力)。
试验结果表明,16V240ZJE型柴油机的主要技术性能指标已达到世界90年代先进水平。
该柴油机所采用的一些先进技术,也可应用于现有的柴油机,从而可望大大提高现有柴油机的可靠性、耐久性和经济性。
为了适应铁路运输“重载、提速”的需要,功率较大的280柴油机的改进已提到日程上来了。
16V280ZJ型柴油机装用于东风8型机车的装车功率为3310kw(4500马力);装用于东风9和东风11型机车L的16V280ZJA型柴油机的装车功率为3610kW(4910马力),用于东风8B型机车上的装车功率为3680Kw(5000马力)。
16V280ZJA型柴油机的超负荷功率为4250kW。
准备与国外合作的改进280柴油机项目的目标是:
将16V280ZJ型柴油机的标定功率提高到4410kW(6000马力),超负荷功率达到4850kW(6600马力),转速仍保持1000r/min。
我国内燃机车的生产和开发,应适应铁路运输“重载、提速”的要求,提供适用的机车,提高质量,同时引进必要的技术,提高机车的技术水平,开发新一代内燃机车。
具体目标应着重于下列方面:
(1)大力提高当前批量生产的第三代机车(如东风4型系列、东风7型系列和东风8型机车)的质量及生产能力;
(2)进一步完善和开发标定功率3680kw-4410kw(5000马力一6000马力)大功率柴油机,以适应开发新型内燃机车的需要;对应的大功率柴油机,设汁研制新的大功率内燃机车。
(3)加速形成第三代机车(如东风6、东风4D、东风8B和东风11型机车)的批量生产能力;
(4)开发新的重型调车机车;
(5)进一步提高内燃机车运用的可靠性和经济性;
(6)开发和推广内燃机车微机控制和故障诊断技术,并实现系统化;
(7)加强内燃机车交流传动技术的研究,引进国外的技术,尽快研制交流传动内燃机车;
(8)研制装用径向转向架的内燃机车。
车载微机控制及故障诊断、交流传动,这两项技术是当代新一代内燃机车的标志。
在这方面我国内燃机车水平与世界水平还存在着较大的差距。
应清醒看到并急起直追,在不太长的时间内,使我国的内燃机车水平达到世界先进水平。
表2—2我国第三代电电传动内燃机车主要技术参数
机车型号
东风6
东风4D
东风8B
东风11
制造厂
首台生产年份
轨距(mm)
装车功率(马力)
(kw)
用途
轴式
整备重量(t)
轴重(t)
最高速度(km/h)
传动方式
柴油机型号
缸径(mm)
行程(mm)
转速(r/min)
微机控制系统
机车轮周效率(%)
大连
1989
1435
4000
2940
货运
C0—C0
138
23
118
交直电
16V240ZJD
240
275
1000
Intel80C186
35.4
大连
1996
1435
4000
2490
客运
C0—C0
138
23
140
交直电
16V240ZJD
240
275
1000
戚墅堰
1997
1435
5000
3680
货运
C0—C0
150
25
100
交直电
16V280ZJA
280
285
1000
微机控制
33.93
戚墅堰
1992
1435
4910
3610
客运
C0—C0
138
23
160
交直电
16V280ZJA
280
285
1000
微机控制
34.3
表2—2我国目前生产和开发的第二代电电传动内燃机车主要技术参数
机车型号
东风4B
东风4C
东风4E
东风5
东风7
东风7B
东风7B
双机
东风7C
东风7D
东风8
制造厂
首台生产年份
轨距(mm)
装车功率(马力)
(kw)
用途
轴式
整备重量(t)
轴重(t)
最高速度(km/h)
传动方式
柴油机型号
缸径(mm)
行程(mm)
转速(r/min)
机车轮周效率(%)
大连、
资阳
大同
1984
1435
3300
2426
货/客
C0-C0
138
23
100/120
交直电
16V240ZJB
240
275
1000
33.9
大连
资阳
大同
1985
1435
3600
2647
货运
C0-C0
138
23
100
交直电
16V240ZJC
240
275
1000
32.4
四方
1994
1435
2X3300
2x2430
货运
2(C0-C0)
2x138
23
100
交直电
16V240ZJB
240
275
1000
四方
大连
1985
1435
1650
1213
调车
C0-C0
135
22.5
80
交直电
8240ZJ
240
275
1000
31.0
二七
1982
1435
2000
1470
调车
C0-C0
135
22.5
100
交直电
12V240ZJ-l
240
260
1000
31.5
二七
1990
1435
2500
1840
调车
C0-C0
135
22.5
100
交直电
12V240ZJ7
240
260
1000
二七
1993
1435
2x2500
2xl840
货运
2(C0-C0)
2x138
23
100
交直电
12V240ZJ7
240
260
1000
二七
1991
1435
2000
1470
调车
C0-C0
135
22.5
100
交直电
12V240ZJ6
240
275
1000
二七
1995
1435
2500
1840
货运
C0-C0
138
23
100
交直电
12V240ZJA
240
275
1000
戚墅堰
1984
1435
4500
3309
货运
C0-C0
138
23
100
交直电
16V280ZJ
280
285
1000
二、电传动内燃机车的总体布置:
我们以我国主型机车东风4B型为例来分析电传动内燃机车的总体布置。
东风4B型内燃车车体共分五个室:
司机室I、电气室、动力室、冷却室、司机室II。
(图2—1一1)。
下部包括前后架向架、燃油箱、蓄电池箱、总风缸等。
前后司机室均设有操纵台,在操纵台上设有司机控制器,空气制动机制动阀、操纵按钮、仪表和信号显示装置等在司机室后壁上还装有手制动手柄.以便在机车长期停放时,制动机车防其溜动,以及当空气制动机失效时.作为应急的辅助措施,制动机车。
动力室内主要装有16V240ZJB型柴油机和TQFR—3000型三相交流发电机机组、空气滤清器、燃油滤清器、机油滤清器、冷却水管路、预热锅炉、膨胀水箱。
在动力室顶部还装有车体通风机、用以排出动力室内的烟气。
电器室内设有电阻制动柜、高压柜、硅整流柜、励磁控制柜、启动发电机、励磁机、前转向架牵引电动机通风机、启动用变速箱等。
电器室内还设有通往车顶的人孔和梯子.
冷却室上部呈V型排列着两排散热器,在V形夹角中装有用液压马达驱动的吸风式冷却风扇。
冷却空气从车体两侧的百叶窗外吸入,经散热器后从顶部百叶窗排出。
在冷却室车架上装有静液压用变速箱、液压油泵、机油热交换器、后转向架牵引电动机通风机、电动空气压缩机、启动机油泵等。
安装在动力室顶部的膨胀水箱,处于冷却水系统的最高位置,并有管路分别与两个冷却以系统相连,随时补充这两个系统因汽化和漏泄而损失掉的水。
东风4B型机车车体采用框架式侧壁承载结构。
为便于乘务负和检修人员的乘降,除司机室内门外,在动力室的两侧也开有侧门。
在电器室、动力室和冷却室的顶部均有活动顶盖.以便吊装部件。
车体外皮是2毫米厚的钢板,内表面喷涂泡沫塑料,用以防振、隔音和隔热。
燃油箱吊挂在机车车底架中部;燃油箱两侧为蓄电池箱,燃油箱的前后端则安装着总风缸。
机车的走行部由两台三轴转向架组成、转向架的各轮对分别由一台ZQDR-410直流串励牵引电动机驱动,轮对产生的牵引力经转向架、车底架传给车钩和后部的车辆。
第二节柴油机及其辅助系统
柴油机功用是将柴油在气缸内燃烧所产生的热能转变为由曲轴输出的机械能。
柴油机内固定部件、运动部件、配气机构及辅助系统组成。
一、四冲程柴油机工作原理
柴油机种类虽多,但工作原理相同。
都是由进气、压缩、爆发膨胀及排气四个过程完成一次热能与机械能的转换,即一个工作循环。
四种程柴油机的工作原理如图2—2—1所示。
柴油机的气缸体用气缸盖(亦称气缸头)密封,它上面装有进、排气阀和喷油器。
进、排气阀及喷油器的开启和关闭是通过凸轮来控制。
活塞上、下极端移动距离称为活塞冲程。
每个冲程工作情况如下:
1.进气冲程:
图2—2—1(a)是该冲程的一个位置。
当活塞在上极端时,进排气阀在阀弹簧作用下全部关闭。
曲轴与凸轮的关系如图2—2—2所示。
曲轴旋转,活塞自上极端向下移动;于此同时通过曲轴齿轮带动凸轮铀齿轮及凸轮驱使进气阀开放。
新鲜空气由进气阀充满气缸。
当活塞到达下极端时,进气凸轮的凸出部分已转过,进气阀在阀弹簧作用下关闭。
2.压缩冲程图2—2—1(b)是该冲程的一个位置。
在曲轴带动下活塞从下极端向上运动,因进、排气阀都处于关闭状态,缸内空气受压缩而提高压力和温度,一直到活塞到达上极端。
3.燃烧及膨胀冲程:
图2—2—1(c)是该冲程的一个位置。
当曲轴旋转带动活塞至上极端时.通过齿轮使装在凸轮铀上的喷油凸轮(图中未画出)的凸出部分顶开喷油轮针阀。
将燃油喷入缸内。
此时,进、排气阀都在关闭,燃油与压缩而达高温的空气混合则爆发燃烧、膨胀推动活塞,使活塞再次由上极端移了下极端,带动曲轴旋转做功。
4.排气冲程:
图2—2—1(d)是该冲程的一个位置。
在曲轴旋转惯力作用下,活塞由下极端向上运动,通过齿轮系的传动,使排气凸轮的凸出部分顶开排气阀,将工作后的废气排出气缸直至活塞到达上极端。
当活塞到达上极端时排气阀刚好关闭,进气阀再次开放,让新鲜空气进入气缸,又一个工作循环开始。
由上述可知,柴油机完成一个工作循环,活塞经历四个冲程,曲轴旋转720゜角。
在这四个冲程中,只有燃烧、膨胀冲才产生动力,推动活塞对外作功其余三个冲程部是为它作准备的。
二、柴油机型号
前面所述为一单缸柴油机,由于用途和功率的需要.柴油机的缸数、一次循环冲程数、进气是否增压以及气缸排列方式都不相同。
为便于了解柴油机特点,规定了柴油机型号。
铁路牵引用机车柴油机原来一直沿用铁道部规定表示法编制型号。
它是由气缸数目、气缸排列型式、气虹直径、冲程数日及增压与否五个部分组成。
由于这一规定与国家标准规定不一致,因此,铁道部已决定按国家标准规定的规则编制机车柴油机型号。
国家标准规定柴油机型号由三部分组成。
1.首部:
为缸数符号(用数字表示气缸数);
2.中部为机型系列代号,由冲程符号(以E表示二冲程,不表示则为四冲程)和缸径符号(用气缸直径的毫米数表示);
3.尾部变型符号(用数字顺序表示),与前面符号用“—”隔开。
必要时在“—”前
可增加柴油机特征符号(Z——增压,C——船用……)。
例如:
16240Z型柴油机——表示16缸,四冲程,缸径为240mm,带增压的柴油机。
又如:
10E207型柴油机——表示10缸,二冲程,缸径为207mm的柴油机。
三、柴油机的基本构造
柴油机要完成将柴油燃烧后的热能转变成机械能的任务,必须使其各部件能相互配合,协调动作。
现以16V240ZJB型柴油机为例,根据各部件的作用,把它的组成,分成以下几个部分。
如图2—2—2所示。
1、固定件
固定件由机体、主轴承、气缸、气缸盖、油底壳等组成。
(1)机体
16V240ZJB型柴油机机体采用铸焊结构。
如图2—2—4所示。
机体是柴油机的基本部件,是柴油机的骨架,在柴油机上的所有零部件都安装在它的内腔和四周,并承受柴油机工作时,各种力的作用。
因此,机体不但要有足够的强度而且要有足够的刚度,使柴油机在整个使用过程中不致发生变形。
机体内
装有9个主轴承用来安装曲轴,机体下部用螺栓和机座连接。
并在最下面用72个螺栓和油底壳连接,以供储存润滑油。
(2)主轴承
主轴承用于支承曲轴,并使曲轴径向和轴向定位。
16V240ZJB型柴油机采用滑动轴承。
(3)气缸
气缸对活塞组的往复运动起到导向作用,其内圆面与活塞顶以及气缸盖底部共同构成了柴油机的燃烧室,并向周围的冷却介质传导出部分热量。
机车柴油机普遍采用水冷、湿式、单体式气缸的结构。
气缸由气缸套和水套等组成。
一般说来,气缸套的寿命决定柴油机的大修期限。
(4)气缸盖
气缸盖是柴油机上结构复杂的铸件,其上安装有气门机构、喷油器或预燃室等,其内部布置有进、排气道、冷却水腔等。
2、运动件
16V240ZJB型柴油机的运动部件由活塞、连杆、曲轴、減振器和联轴节等组成。
(1)活塞组
活塞组通常由活塞、活塞销、活塞环及活塞销挡圈等组成。
活塞由活塞顶、活塞环槽、活塞裙及活塞销座等构成。
16V240ZJB型柴油机采用薄壁球墨铸铁活塞。
活塞顶与气缸盖、气缸套共同组成密封的燃烧室,其顶面直接与1500~2000C左右的炽热
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