東風10D型柴油機車

東風10D型柴油機車。發展歷史.開發背景.1980年代，中國實行改革開放後隨著國民經濟的發展，中國鐵路貨物運輸量迅速增長。“六五”及“七五”期間，中華人民共和國鐵道部確定了以“貨運過載、客運高速”、提高運輸能力為方針的鐵路科技發展規劃，並將鐵路貨運過載配套技術列入研究開發的主攻方向之一，致力提高機車牽引功率和貨車裝載重量。為了緩和繁忙幹線運輸能力緊張的局面，鐵道部決定透過調整機車型別、延長貨物列車長度、提高牽引定數的辦法，在主要幹線開行5000噸級過載混編貨物列車。早在1984年，大連機車車輛廠根據對未來鐵路牽引動力需求的調查和研究，開始著手研製用於過載貨運的5,400馬力雙節八軸柴油機車——東風10型柴油機車，並於1988年試製成第一臺原型車，機車裝用12V240ZJC型柴油機、TQFR-2000型牽引發電機、ZQDR-410型牽引電動機。1989年，由大連機車車輛廠和美國通用電氣公司合作設計製造的東風6型柴油機車問世，透過對電傳動裝置和微機控制系統等先進技術的引進和國產化，使得將這些技術移植到國產過載貨運機車成為一種可行的方案。1989年至1990年間，鐵道部根據國家計劃委員會和國家科學技術委員會的部署，由科技司聯同有關司局級單位開展了《鐵路運輸中長期科技發展綱要》、《鐵路發展戰略的初步意見》及《“八五”鐵路科技發展設想》等鐵路中長期發展規劃的研究工作，並根據這些規劃安排了一系列“八五”鐵路科技攻關專案，其中一個重點研究專案便是為5000噸過載列車配套的大功率柴油機車，以滿足繁忙幹線開行過載貨物列車的需要。長遠上，即使在主要幹線在完成電氣化改造後，在與其銜接的非電氣化鐵路仍然需要能夠牽引5000噸直通貨物列車的柴油機車。同時，西南地區的黔桂鐵路也將需要一款曲線透過效能較佳、粘著重量較大的柴油機車，來替換老舊的東風型柴油機車。1991年7月30日，國家計劃委員會正式與大連機車車輛廠簽訂國家重點科技專案計劃專題合同，立項研製東風10D型過載貨運柴油機車。研製過程.東風10D型機車是以大連機車車輛廠於1988年研製的東風10型柴油機車為基礎，開發研製的5,800馬力，持續牽引力為455千牛，在平直道上牽引6000噸列車的平衡速度為80公里/小時，當牽引5000噸列車時在平直道上的平衡速度可達87公里/小時，並且能夠透過最大8.5‰的限制坡度。1992年5月5日至6日，鐵道部科技司在大連機車車輛廠主持了關於東風10D型機車技術設計方案的審查會議，鐵道部機務局、西南交通大學、柳州鐵路局、鐵道部科學研究院、大連內燃機車研究所、株洲電力機車研究所、永濟電機廠、西安訊號工廠等協作單位的代表亦參加了這次會議。同年10月，東風10D型機車正式投入試製。1993年5月，為了保證東風10D型機車的研製進度，鐵道部在永濟電機廠召開了專門會議，對各種電機、電器、電控裝置等重要配件的試製進度，進行分析研究及安排生產計劃。1993年8月，國家專題評估小組到大連機車車輛廠視察機車研製進展的實際情況。至1993年底，大連機車車輛廠已按規定完成了對12V240ZJD型柴油機的牽引特性、負荷特性、空載油耗、增壓器喘振等各種試驗，柴油機樣機的各項熱工效能指標皆已達到設計任務書的要求；工廠並先後完成了柴油機變頻起動試驗、主發電機可控勵磁、蓄電池充電可控矽移相斬波控制、交流輔助系統跳波控制、輔助發電機可控勵磁等地面配套試驗專案，東風10D型機車進入總組裝階段。1994年1月14日，為東風10D型柴油機車配套的牽引電機組在永濟電機廠完成試製。1994年11月，首臺東風10D型柴油機車在大連機車車輛廠完成組裝，經過在工廠內初步除錯和線路執行試驗，於同年12月20日在大連機車車輛廠正式出廠。就動力裝置、電傳動裝置和控制系統的技術水平而言，東風10D型柴油機車無疑是當時中國鐵路最先進的國產柴油機車，但仍然與東風6型機車面臨相同的困境。由於受到零部件製造技術和材料工藝水平的限制，機車的可靠性遠遠未達到批次生產和投入運用的程度，特別是交流輔助傳動系統的穩定性方面，交流輔助電動機跳波調速效能未能達到預期要求，變極交流非同步電動機亦有待改進和完善。最終，東風10D型機車與東風6型機車同樣未能投入批次生產，而唯一一臺東風10D型機車在完成線路執行試驗後，返回大連機車車輛廠封存。技術特點.總體佈置.東風10D型機車是幹線貨運用的雙節重聯八軸柴油機車，由兩節結構相同的單司機室四軸機車聯掛而成，分別為A節和B節機車。機車乘務員在本務機車上可同時操縱兩節機車，兩車之間有風擋和。機車既可雙節重聯使用，也可單節獨立使用。機車標稱功率為5,000馬力，構造速度為100公里/小時，運轉整備重量為2×92噸。東風10D型機車採用單司機室、內走廊式、全鋼焊接結構的桁架式側牆承載車體，車體長度為15,200毫米，車鉤中心線間距為2×15,900毫米，車體寬度為3,105毫米，車體高度為4,550毫米。為了在保證車體強度的同時滿足軸重限制，機車車體特別採用了輕量化設計。此外，車體側牆蒙皮還使用了預應力焊接技術，以控制薄鋼板的和改善側牆蒙皮的，這項工藝技術亦被後來的東風4D型柴油機車沿用。每節機車在車體底架下面兩臺轉向架之間，吊掛著一個容量為5000升的，燃油箱兩側並設有蓄電池組。機車從前到後分別為、電氣室、動力室、冷卻室，其中電氣室、動力室和冷卻室頂部均設計成活動頂蓋，以便拆裝車內部件。司機室內機車執行方向的左側設有司機操縱檯、空氣制動機的自動制動閥和單獨制動閥，右側設有副司機座席及工具箱，司機室內還設有供乘務員使用的電冰箱和空調裝置。電氣室內設有高低壓電器櫃、主矽整流櫃、勵磁整流櫃等電器裝置，頂部裝有一臺臥式電阻制動櫃。位於機車中部的動力室內安裝了一套，動力室前部靠近牽引發電機的位置還設有前轉向架牽引電動機通風機等，後部靠近冷卻室的位置設有車體通風機、機油熱交換器、等輔助裝置。柴油機空氣濾清系統採用與東風6型機車相同的二級空氣濾清系統，第一級為離心式旋風慣性空氣濾清器，第二級為金屬骨架紙質濾芯空氣濾清器。冷卻室設有冷卻水系統和散熱裝置，冷卻系統的設計參考自ND5型柴油機車。冷卻水系統分為柴油機的高溫水系統，以及機油熱交換器和中冷器的低溫冷卻水系統，兩者均採用封閉加壓迴圈，透過增大換熱溫差來提升散熱效能。散熱器的佈置形式採用壓風式冷卻，冷卻室頂部裝有A字形佈置的散熱器，其中包括10個高溫冷卻水系統散熱器單節和28個低溫冷卻水系統散熱器單節，散熱器下面設有兩個直徑為1400毫米的冷卻風扇。冷卻水系統採用乾式冷卻，當柴油機運轉時冷卻水才進入散熱器，當柴油機停機時散熱器中不再存水，冷卻水全部迴流到水箱，有利於冬季嚴寒時的冷卻水保溫和保護散熱器。冷卻室下方還設有後牽引電動機通風機、空氣壓縮機和兩個總風缸。東風10D型機車的空氣制動裝置沿用了東風4型機車的JZ-7型空氣制動機，但增設了一個電阻制動電磁閥，以避免機車被同時施加電阻制動和空氣制動而造成抱輪滑行。採用彈簧停車制動裝置，取代了東風4型機車上的手制動裝置。柴油機.東風10D型機車裝用一臺由大連機車車輛工廠製造的12V240ZJD型柴油機，為240/275系列柴油機產品之一。該型柴油機是在16V240ZJD型柴油機基礎上發展而成12氣缸機型，吸收了大連機車車輛廠與英國裡卡多公司的技術合作成果，並應用了部分為16V240ZJE型柴油機改良的零部件。相比16V240ZJD型柴油機除了氣缸數量減少之外，12V240ZJD型柴油機的高度和寬度亦有所縮減，以便適應機車重量限制的要求。該型柴油機後來亦被東風10F型、東風10DD型柴油機車所採用。12V240ZJD型柴油機是一款12氣缸、四衝程、V型結構、直接噴射、廢氣渦輪增壓、增壓空氣中間冷卻的中速柴油機。為240毫米，活塞行程為275毫米，氣缸V形夾角為50°，額定轉速為每分鐘1000轉，最低空載轉速為每分鐘430轉，平均有效壓力為1.819兆帕，UIC標定功率為3,000馬力的和噴油器等。傳動系統.東風10D型機車採用交—直流電傳動裝置，是以國產化的東風6型機車電傳動系統為基礎，根據四軸機車的需要配置而成。柴油機透過法蘭盤直接驅動一臺三相交流同步牽引發電機，透過矽整流裝置把牽引發電機發出的三相交流電整流為直流電，再將電能輸送給兩臺轉向架上的四臺並聯連線的直流牽引電動機，透過傳動齒輪驅動。牽引發電機採用十極、三相、他勵的JF206A型同步交流發電機，該發電機參考自通用電氣Dash 8系列機車所使用的GMG187型牽引發電機，採用牽引發電機與輔助發電機同軸的結構，輔助發電機是一臺12極、三相、三繞組的同步交流發電機。牽引發電機的額定容量為2055千伏安，額定電壓為350伏特，額定電流為3390安培，最大電壓為890伏特，額定轉速為每分鐘1000轉，定子和轉子繞組絕緣等級均為H級，冷卻方式為強迫通風，發電機淨重為7374公斤。牽引發電機的勵磁電流由輔助發電機的勵磁繞組供給，其產生的交流電經勵磁整流裝置斬波整流後，供給牽引發電機轉子的勵磁繞組。牽引發電機發出的三相交流電由矽整流裝置轉換成直流電，每節機車上都設有一組由大連機車車輛廠研製的GTF4720/1250型矽整流裝置，採用由風冷式矽二極體元件組成的三相橋式全波整流電路，矽整流裝置有三個串聯的整流橋臂，每一橋臂有六個並聯的ZP2000-32型大功率整流二極體，每節機車共有18個二極體元件。牽引電動機採用ZD108型四極直流串勵電動機，即通用電氣GE752AFC1型牽引電動機的國產化產品，額定功率為400千瓦，額定電壓為407伏特，額定電流為1180安培，最大電流為1600安培，額定轉速為每分鐘498轉，最高轉速為每分鐘2445轉，定子及電樞絕緣等級為H級，冷卻方式為強迫通風。東風10D型機車亦繼承了東風6型機車的電傳動裝置的各種優點，由於選用了調壓比極高、恆功運用範圍廣並且有較高傳動效率的牽引發電機和牽引電動機，輔之以精準可靠的微機恆功率勵磁控制系統，從而令機車具有優異的牽引效能，電傳動裝置無須對牽引電動機進行磁場削弱就能充分吸收柴油機的輸出功率。在柴油機裝車功率為2×2850馬力範圍內都能實現範圍內恆功率牽引特性控制。在電阻制動工況時，牽引電動機變為他勵直流發電機工作，激磁繞組全部串聯並由牽引發電機經矽整流櫃供電，牽引電動機發出的電流輸入到電阻制動櫃，將電能透過電阻器轉化為熱能消耗掉，最大制動功率為2×2,400馬力內保持基本恆定的制動力。此外，為了使機車在靜止狀態測定各檔位的輸出功率和效能，東風10D型機車還可以利用制動電阻作為自負荷試驗的負載。控制系統.東風10D型機車的車載微機控制系統，是在東風6型機車的微機系統的基礎上發展而來，系統架構與通用電氣Dash 8系列機車的多微機控制系統相似，硬體主體架構包含三臺以英特爾80C186微處理器為核心的主機，主機硬體架構採用外掛板式結構，插有不同功能的印刷電路板。微機控制系統的軟體系統是一個分時執行的多工實時作業系統，除了其作業系統和串列埠子程式採用組合語言編寫外，其它程式模組全部採用高階語言編寫。微機控制系統不僅具備東風6型機車上原有的各種功能，包括主發電機恆功率勵磁控制、防空轉防滑行控制、電阻制動特性及制動擴充套件控制、保護系統控制、故障診斷、顯示及記錄等，並且新增了柴油機變頻起動控制、閘流體直接控制主輔發電機勵磁、交流輔助傳動控制、蓄電池充電控制和機車重聯控制等功能 。輔助系統.東風10D型機車的最大特色是採用交流輔助傳動系統和柴油機變頻起動，也是中國鐵路第一款採用該兩項技術的柴油機車。柴油機車交流輔助傳動和柴油機變頻起動系統的研製始於1991年，當時為參加出口澳大利亞柴油機車的國際招標，大連機車車輛廠、株洲電力機車研究所、永濟電機廠開始聯合研製柴油機車交流輔助傳動系統。1992年，大連機車車輛廠和株洲電力機車研究所成功研製出柴油機變頻起動控制系統。1994年，交流輔助傳動系統研製成功並應用到東風10D型柴油機車。與東風6型機車使用的靜液壓驅動輔助傳動系統相比，東風10D型機車的輔助傳動系統包括冷卻風扇、牽引電動機通風機、主發電機通風機和空氣壓縮機等輔助裝置均採用由微機控制的交流非同步電動機驅動，交流電源由與牽引發電機同軸的輔助發電機供給。交流輔助傳動省略了萬向軸和傳動軸等一系列機械連線，並且改善了車內空間利用和減少所需的蓄電池容量，輔助傳動系統的工作狀況和消耗功率也能透過微機系統準確控制。同時，柴油機還採用了變頻起動技術，柴油機起動時將鎳鎘鹼性蓄電池的直流電經變流裝置逆變為三相交流電，供應給主發電機使其作為三相串勵交流電動機運轉，將柴油機拖動至點火轉速，從而驅動柴油機起動運轉，省卻了傳統的直流起動電動機和起動變速箱。東風10D型機車的交流輔助傳動系統雖然技術先進，但在應用上仍然存在著很多問題，例如冷卻風扇的跳波控制無法進行平滑調速，而採用變極非同步電動機驅動的空氣壓縮機，由於其轉速跟隨柴油機轉速分為兩檔控制，因此只有每分鐘500轉和每分鐘800轉兩個額定工作轉速，導致制動系統泵風時間長及充風能力不足。此後，雖然東風10D型柴油機車未能投入批次生產，但其交流輔助傳動系統和柴油機變頻起動系統經過簡化和改進後，被應用到大連機車車輛廠為巴基斯坦鐵路研製的DPU20型，起動變流裝置的主要變化除了以IGBT元件取代了原本使用的閘流體元件，並將冷卻風扇和空氣壓縮機改用單獨的逆變器控制。轉向架.機車軸式為2×。基礎制動方式為帶閘瓦間隙自動調節器的單側踏面制動，每個車輪各配有一個203毫米直徑的制動缸，當機車施行制動時，制動缸從空氣制動機獲得壓縮空氣，並透過槓桿機構使閘瓦抱輪產生制動作用。