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轨道交通运输(十一)

 i_chemistry 2020-07-10

1889年,德国科学家鲁道夫.迪泽( Dr. Rudolf Diesel ) 获得压缩式点火发动机专利,人们用他的名字命名这一发动机-柴油机(Diesel Engine)。鲁道夫·迪泽(Rudolf Diesel)基于热力学中的卡诺循环,设想将喷入气缸的柴油和吸入的空气高度压缩,使其温度超过柴油的自燃温度,(汽油发动机吸入燃气混合气后要由电火花点燃)柴油在发动机气缸内爆燃,推动气缸活塞运动,活塞通过连杆驱动输出轴转动。

当柴油机发明后,人们开始琢磨着如何将这发动机应用到铁路机车中。1906年,柴油机发明者迪泽(Diesel)和德国铁路工程师阿道夫·克劳茨(Adolf Klose)、瑞士发动机制造商格林·苏尔寿(Gebrüder Sulzer)成立了狄塞尔-苏尔寿-克劳茨有限公司(Diesel-Sulzer-Klose GmbH),专门设计生产铁路柴油机车,并设计生产世界第一台柴油机动力机车,于1912年在瑞士 Winterthur–Romanshorn 铁路上运行试验。1913年的运行试验中,发现了一些问题,当改进工作进行时,1914年第一次世界大战爆发。所有的试验和改进工作被迫停止。  最终没有形成产品。

鲁道夫.迪泽(Rudolf,Diesel)1858年3月18日-1913年9月29日

在内燃机车作为火车头,成为牵引机车之前。一种柴油机驱动的轨道车辆首先发明。1903年匈牙利Weitzer railmotor公司设计了第一台内燃机驱动的电传动轨道车辆。不过内燃机是汽油机, 法国公司 De Dion-Bouton 制造,电机是德国西门子公司制造。总共制造了65辆内燃机车和40辆加挂车辆。最后一辆内燃机在1965年退役。这辆车的传动系统是电力传动。内燃机车的传动系统(power transimission)是将内燃机产生的旋转动力转换到机车轮对的驱动力(也成为牵引力)。

1903年,内燃机轨道车
1903年内燃轨道车
奥地利的气油机动力轨道车辆(Mckeen railcar )100马力,共生产115辆,摄于1911年

1914年,世界第一台柴油机电动车由德国公司Waggonfabrik Rastattirst设计,采用了 瑞士Sulzer AG公司的柴油机和Brown, Boveri & Cieiesel公司的电气设备。第一次世界大战爆发后,这台机车作为稀罕物封存起来未用。直到1922年,一战结束后,这台柴油机电动车在瑞士开始使用,直到1965年。

瑞士和德国公司联合研制的柴油机电传动车

1922年意大利的菲亚特(Fiat)公司 宣布制造一台柴油机电传动车,没有找到这早期的轨道电传动车资料,菲亚特公司1930年生产的柴油机电传动车(Littorina)陈列在铁路博物馆。

1930年意大利菲亚特(Fiat)公司制造的柴油机电动车Fiat ALn 556, 现陈列在Pietrarsa 铁路博物馆
法国柴油机轨道电车,1933年

1925 美国 ALCO (American Locomotive Company) 设计开发了一种柴油机电传动的小型机车( Boxcabs)。 公司采用美国GE公司的发动机,牵引电机和控制系统,订购英Ingersoll Rand 公司的柴油机。ALCO公司主要负责总体设计,包括转向架,齿轮箱,和车体轮对。柴油机驱动主发动机,生成600伏的直流电,带动四个牵引电机,每一电机通过齿轮驱动轮轴,这与现代的电传动机车相同。该车与上述的内燃机电车不同,不带车厢,仅是机车头。机车本来是为编组站(Switch Yard,请看编组站章节)设计使用的,称为调车机车,兼顾短程运输(铁路术语:小运转)。1923年,纽约市禁止污染严重的蒸汽机车进入纽约市的范围。这款机车(Boxcabs)正好适用城郊的客运。它比外部输电的电动车的造价要低得多。

轨道柴油-电传动调车( boxcab) 陈列在北阿拉巴马铁路博物馆。
早期的调车机车
早期的调车机车(Boxcab)
1937年,英国制造的柴油机-j机械传动调车机车(Shunter)

1924年,真正的线路(干线)内燃机车在前苏联(现乌克兰)的基铺(Kiev)开始运营。这一内燃机车,在苏联使用了30多年,虽然没有形成系列产品,但为其它苏联的内燃机车发展提供了样本。

苏联早期干线内燃机车,1924年。

1929年,德国公司(Deutsch ReichsBahn)制造了第一台柴油机驱动的气动火车(diesel-pneumatic locomotive)。乍一看该机车是台蒸汽机车。因为其轮对的驱动方式跟蒸汽机车一样,机械传动系统。柴油机驱动气缸,气缸通过连杆直接驱动轮对。这种方式的驱动不需车载发电机和驱动电机。该机车使用的发动机是6缸1000/1200马力(ph),原是为德国的潜水艇( U-boats)设计的。机车最大轴重18吨,设计时速70公里/小时,4-6-4式。显然这款机车并没有得到广泛的应用。

柴油机动力-机械传动机车,1929年,德国制造。
机车加装外壳

美国通用电气公司(GE)在20世纪初涉足铁路轨道车市场,而作为通用电气创始人之一的托马斯·爱迪生( Thomas Edison)也于1880年进行了电力轨道车的实验,通用电气(GE)公司于1895年首次推出了电力机车原型车。由于高成本的电气化费用,GE开发随车柴油机-发电机向牵引电动机供电,电传动柴油机车。刚开始研制就遇上技术困难-柴油机和电动机协调性或功率匹配欠佳。到1914年,一位通用电气工程师赫尔曼·莱帕(Hermann Lemp)发明了一种可靠的直流电力控制系统并申报了专利。该控制系统将内燃发动机调节器与发电机和牵引电动机自动耦合,内燃电传动机车上就无需由第三者来人工调节发动机 。这个系统的意义在于解决了电传动柴油机车的控制协调问题。

当时铁路电气化成本非常高的情况下,这种柴油机-电传动机车的应用相当经济。1920年代中期,美国鲍德温机车厂(Baldwin Locomotive Works)也设计生产了一种电传动柴油机车的原型车,采用西屋电气公司(Westinghouse Electric)的电器设备,主要运用于难以运行蒸汽机车的路段,例如缺水、缺煤的地方。1929年,加拿大国家铁路向西屋电气订购了两台柴油机车,成为北美首家将柴油机车运用于铁路干线的铁路公司。

与传统的蒸汽机车相比,内燃机车动力强大,没有煤烟污染,而且维护要相对容易。在1930年代的北美大陆,电传动柴油机车迅速成为铁路干线上的主力,蒸汽机车开始逐步被柴油机车取代,并出现了一些由单机功率900~1000千瓦柴油机车多节重联连挂组成的干线柴油机车。

中国首台液力传动内燃机车“卫星”  号,1957年由青岛四方机车厂制造。1000马力,最高时速140公里/小时

传动系统是内燃机车除发动机外的重要系统。有几种不同的类型。

内燃机车机械传动。这个结构比较简单

机械传动系统较为简单,主要就是通过柴油机带动齿轮,齿轮通过连杆(coupling rod)驱动轮对。这种机车功率较小,主要是用在厂矿和港口。

机械传动的内燃机机车原理图
机械传动的内燃机车, 英国barrow hill roundhouse 博物馆,建造于1960年

电传动柴油机(Diesel-Electric),是用机车上柴油机带动发电机转化为动力,再由牵引电动机驱动车轮。初期的内燃机车都使用调速简单的直流电动机來带动车轮,1960年代,由于高容量的变流器(rectifier)的应用,直流发电机被交流发电机取代。1980年代,高功率的逆变器(inverter)出现,变压变频VVVF (variable-voltage,variable-frequency)控制技术的应用,  使得三相交流(AC) 牵引电机取代直流(DC)电机,简化换向器(commutator )和电刷( brushes),因为交流牵引电动机比直流电动机结构简单,尺寸较小,易于维护,功率更大,但是需要配搭技术和质量高的逆变器(直流-交流转换)。按照直流和交流的制式,电传动可分为:

直流电力传动(直-直):牵引发电机和电动机均为直流电机。

交—直流电力传动:使用三相交流同步发电机,发出交流电经过整流器装置变为直流电,供应直流牵引电动机。

交—直—交流电力传动:使用三相交流同步发电机,发出交流电通过整流器变为直流电,电路中恒定直流电压通过逆变器调节其振幅和频率,将直流电逆变成变频调压交流电,供给交流牵引电动机。

内燃机车电传动交-直-交系统
GE 6000马力 (4500KW)电传动内燃机车,是目前世界最大马力的单机内燃机车。
GM(General Motor)公司制造的 双机电传动内燃机车,DDA40X ,6,600 马力 (4920kw) 该机车取名“世纪” 号,是在1971年,美国太平洋铁路建成100周年时年出厂。
Prima 系列电传动内燃机车是由法国Alstom公司造。 1990年代后期开始投入市场,到2008年,已售1,750 辆Prima 内燃机车。2009年,第二代 Prima 内燃机车已上市。

中国的内燃机车主要电传动机车,其中,东风系列国产的主要产品。早期的东风机车东风3以前,都是直-直系统,从DF4开始,机车传动系统改成交-直系统。大连机车厂是主要的生产厂家,其它厂家资阳厂,四方厂,唐山机车厂,和大同机车厂都参与东风系列机车的生产制造,到2007年,东风系列共生产了一万多台。

东风4电传动内燃机车。至少生产了4500台(1950千瓦)
东风3 型内燃机车(1050千瓦)生产了230台,
唐山机车厂生产的东风5内燃机车(1213千瓦),生产1014台。调车兼小运转功能。
从罗马尼亚引进的ND2内燃机车,直-直电传动系统,1280千瓦,共引进284台。
1984-1986年从美国GE 公司引进的ND5内燃机车,交-直电传动系统,2550千瓦(Kw),共引进了442台。

2007年后,中国开始与美国GE和EMD(原美国GM)公司合作共同生产制造大功率内燃机车,中国内燃机车生产制造的水平迅速提高。这些大功率机车都用现代交-直-交技术,到今天,近2000台大功率机车已生产。同时有自主产权的新型现代机车正在试行。

戚墅堰机车厂与美国GE合作生产的内燃机车(4460千瓦),迄今已生产800多台。
资阳机车厂制造的新型内燃机车
戚墅堰机车厂制造的新型内燃机车
大连机车厂生产的新型内燃机车
液力传动内燃机车系统图

液力传动柴油机车(Diesel-Hydraulic),使用液力变扭器(torque-converter),用液力把內燃机的动力传到轮对上。液力变扭器主要有三个部分:离心式油泵,涡轮及中间固定导论。离心式油泵和內燃机曲轴相连,当内燃机转动时,离心式油泵随之转动,把传动液通过导论泵向涡轮,涡轮被传动液冲击带动而旋转,涡轮连接齿轮箱,驱动轮对。这和自动挡汽车的传动方式类似。

液力传动的内燃机车结构较电传动机车简洁,重量轻,不像电力传动机车同时需要发电机,整流柜/逆变器和电动机等部件。即在同样的机车重量下,液传机车的功率一般都比电传机车大。以中国的东方红3型(液传机车)和东风型(电传机车)为例,东方红3型重量为92吨,功率达1980kW;而东风型车重126吨(电传动),功率仅1500kW。而且液力传机车不需要消耗电传机车电机设备,制造成本较低。然而在同等功率下,液力传动的机车,耗油量要高出10~20%,经济性较差。

当液力机车起动和低速运行时,变扭器中的涡轮转速很低,传动油对涡轮叶片的压力就很大,从而满足机车起动时牵引力大的需求;当涡轮的转速随着机车运行速度提高而加快时,传动液对涡轮叶片的压力也逐渐减小,正好满足机车高速运行时对牵引力小的需求。在特定的负载条件下,液传机车的功率传递效率比电传机车略高。全负载情况下,液传的效率稍高于电传;半负载情况下,液传效率会进一步提升,而电传效率会进一步下降。功率越小,液力传动的优势就越明显,功率越大液力传动效率越低,依靠提高泵轮转速推高功率使变扭器发出高热,造成能量流失,这时电力传动更有优势。

NY6,NY7型柴油机车是西德亨舍尔(Henschel Werke)公司于1970年代为中国铁路设计制造的液力传动柴油机车车。该型机车是采用双机组设计的干线货运机车,设有两套相同而又互相独立的动力传动机组,机车最大速度为120公里/小时,机车名义功率为4600马力,最大运用功率为4300马力。NY7发动机功率略大一点,5000马力。

NY6液力传动内燃机车,1970制造,陈列于北京铁路博物馆

液力传动柴油机车的功率难以提升,因为液力传动装置受到泵轮、变扭器箱体金属强度的限制,只能有限度承受并传递非常巨大的液压力。至2006年,德国福伊特公司才研制出世界上首台功率达5000马力的液传内燃机车Voith Maxima 40cc(德语:Voith Maxima),但电传机车早在十几年前已达到同功率级别。早期的液传机车技术未成熟,故障率稍高。但液力变扭器传动装置本身没有磨耗零件,只要金属质量、精度达标,机车可靠性可以相当高,保养也更便捷。

德国液力传动大马力内燃机车(Voith Maxima 40cc)2006年生产

在铁路发展方向为重载和高速的国家,如中国和北美洲,大部分的柴油機車都是採用電力傳動,这是因为液传机车无法发展为单机大功率内燃机车。而在日本和欧洲,尤其是德国,以电力为主要牵引动力,客车普遍使用高速列车,内燃机车居于次要的位置,大多用于中速轻载或调车作业,对功率要求不高,而液传机车正拥有中低速牵引力较大的特点,所以这些国家的柴油机车主要为液力傳動。

中国的液力传动内燃机车,也有过不凡的历史,北京二七机车车辆厂,1970年曾设计过6000马力的液力传动内燃机车,实质上是双发动机和双液力传动系统。由于质量问题,试运不久就下线了。接着该厂又研发了2700马力的液力传动内燃机车,主要用在客运。经过数年的努力,终于在1975年定型批量生产。1975-1990年间,该机车在中国扮演重要的客运角色。1991年,国内产业政策规定电传动内燃机为主,该厂液力传动产品逐年减少,直到2017年,这个近百年历史的老厂终于关闭。

北京型大功率液力传动内燃机车,1970年
北京型客运液力传动内燃机车
中国四方机车厂生产的DFH液力传动内燃机,现陈列在北京国家铁路博物馆,DFH1-7系列机车。从1964年开始 到1983年,四方机车厂生产了DFH1 102台(1200K w),DFH3(1440kw) 268台。主要是客运机车。
DFH2和DFH5主要是调车机车(650-750kw)资阳机车厂和四方机车厂生产,共生产了约600台。

内燃机车的是个老产品,但内燃机车在世界范围内还是广泛的应用,包括美国在内的发达国家,内燃机车还是货运的主力。大功率机车,多机串联的牵引方式,还在应用。

美国阿拉斯加州的运煤重载货车,有七台内燃机串联牵引,总功率达64000马力,颇为壮观。

1990年代开始,柴油机的电子控制技术(微处理器应用)得到了较大的发展。发动机的电子控制技术改善了柴油机和机车的性能。以2009年美国联合太平洋铁路公司与EMD公司合作生产的内燃机车(SD32ECO or SD59MX )为例,

电子喷油器,改善燃烧性能,降低油耗(减少25%燃油和50%的润滑油),改进发牵引性能(优化轮轨粘着力,避免轮对打滑),改进故障诊断(随车诊断)和维护(维修周期由92天延长到182天)。 引入了废气回用EGR(Exhaust gas  Recirculation), 柴油氧化催化器DOC (Diesel Oxidation Catalyste)柴油颗粒滤清器DPF(Diesel Particulate Filter)排放处理技术,能够减少45%氧化氮(NOx) 和 85%的PM排放。该型机车基本上能够达到美国环保署制定的等级4(Tier 4)排放标准。低排放的内燃机车是内燃机车发展的方向之一。

美国电传动内燃调车机车(SD32ECO or SD59MX),功率2240KW,2009年开始生产。

双动力源铁路机车(electro-diesel locomotive)是指牵引电机的电源,既可以使用车载的柴油发电机组作为动力源,又可以从供电系统通过车顶的电弓获得电能。虽然双动力源,但机车共用牵引电机。

同时结合了电力机车和电力传动内燃机车的特点。当车辆在电气化铁路上运行时可采用电力模式,当机车运行到非电气化铁路上时可以切换到内燃模式,实现电气化铁路和非电气化铁路间不停车的连续运行,具有缩短列车运行时间、扩大机车车辆运行范围、提高机车车辆运用效率等优点。

当然,双动力源机车的设计,根据线路和具体情况分三类,电力机车为主柴油机为辅,柴油机为主电力供电为辅,柴油动力和供电均分。美国GE Genesis 系列双动力源机车就是以柴油机为主。(P32AC-DM, EMD DM30AC)

德国双动力源机车ALP-45DP,2010年在柏林新型机车展览会,柴油动力和供电动力各占一半
奥地利 FEVE 双动力源进车,牵引一列货车通过El Berrón车站,主要以电力机车为主。
加拿大Bombardier公司为法国双动力源客车机车SNCF B85200,2013年 电网电压1.5 kV DC and 25 kV AC。
双动力源客车机车,瑞士Stadler Rail 公司制造,该机车2004第一台下线,到2015年4月,共生产制造了1094辆。有十几个国家使用,包括德国,英国,加拿大,荷兰,瑞典,挪威...
美国GE公司的 Genesis 系列双动力源客车机车是为国家铁路客运公司Amtrak 生产制作的,1993年开始使用,之今有 P40DC, P42DC, 和P32AC-DM三的型号。.

混合动力铁路机车(hybrids locomotive),混合动力铁路车辆的特点是具有可充电储能装置,可利用柴油发电机组、大容量蓄电池组单独或两者混合提供动力,不用电气化铁路供电系统获得外部电源。

Prototype HD300-901 at Tokyo Freight Terminal in May 2013,东芝公司制造
美国GE 公司混合动力铁路机车“green goat”号,2005年开始应用。

现代内燃机车用柴油机作为动力源。1960年代末期,燃汽轮机做为动力源的内燃机车,也称为燃气轮机车(TurboTrain),曾有过短暂的客运历史,在高速客运一章中,将会交详细介绍。

美国1972年代的燃气轮机车和客运车组

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