和谐5型内燃机车

背景

自2003年劉志軍出任中華人民共和國鐵道部部長後，提出並實施鐵路「跨越式發展」，以儘快縮小在鐵路機車車輛裝備上與國際先進水平的差距。2003年11月，中國鐵道部與中國南車、北車集團及其重點企業共同制定了《加快鐵路機車車輛裝備現代化實施綱要》，並選擇了6家機車製造企業作為引進先進技術和自主創新依託的主體。2004年1月，中國國務院常務會議通過了《中長期鐵路網規劃》；2004年4月，國務院常務會議研究通過的鐵路機車車輛裝備現代化實施方案明確指出，「加快我國鐵路運輸裝備現代化，要按照引進先進技術、聯合設計生產、打造中國品牌的總體要求，力爭在較短時間內，使我國機車車輛生產能力達到世界先進水平」。根據國務院確立的上述方針，中國國家發改委與鐵道部於2004年7月聯合下達了《大功率交流傳動電力機車技術引進與國產化實施方案》，正式開始了新型交流傳動大功率機車的採購過程。

引進

2003年，中國南車集團戚墅堰機車車輛廠被中國鐵道部列為鐵路裝備行業技術引進重點扶持的六強企業之一，在鐵道部的協調下，戚墅堰機車車輛廠選定了美國奇異公司（GE）作為合作夥伴，並進行廣泛接觸和交流，在從技術轉讓到人員培訓等種種細節方面達成共識。2004年10月28日，中國技術進出口總公司《大功率交流傳動柴油機車採購和技術引進項目》詢價書正式發標。經過為時近兩年的商業談判後，6000馬力大功率交流傳動柴油機車採購和技術引進項目合同簽約儀式於2005年11月1日在北京舉行，中國鐵道部與美國奇異公司及戚墅堰機車車輛廠簽訂了柴油機車採購和技術引進項目合同，正式訂購300台大功率柴油機車，合同總額達68億元人民幣（4.5億美元），雙方權益大致各占三個採購合同總金額的50％。

研製

採購和技術引進項目合同分別由技術轉讓、進口機車採購、散件進口國內組裝機車採購和國內製造機車採購共4個合同組成。 按照合同規定，戚墅堰機車車輛廠與奇異公司公司聯合設計，奇異公司並向戚機廠轉讓柴油機、轉向架、輕量化車體、交流傳動系統、和機車總成及試驗等11項關鍵部件或系統的有關技術。首2台樣車完全由奇異公司在美國賓夕法尼亞州的伊利工廠製造、原裝進口；第3至50台機車大部分部件由奇異公司製造或提供、少部分部件由戚機廠製造，並由戚機廠完成總組裝；其餘的250台機車按照雙方商定、分五個階段的國產化計劃，國產化率從第一階段的30％，逐步提高到第五階段的85％，每個階段為50台機車，全部由戚機廠生產。 
奇異公司對該型機車的代號為ES59ACi，其中「ES」代表奇異的「創新」系列（Evolution Series）柴油機車產品、「59」代表機車功率為5900馬力、「AC」代表交流傳動系統，「i」為國際之意。經中國鐵道部批准，新機車被定型為HXN5型，其中「HX」是「和諧」的漢語拼音首字母縮寫、「N」代表柴油機車、「5」為戚墅堰機車車輛廠的生產廠商代號，通稱為「和諧」5型柴油機車。HXN5型機車是在奇異公司為北美市場提供的「創新」系列柴油機車和AC6000CW型柴油機車基礎上，根據中國鐵路技術規範改進設計而成6000馬力交流傳動貨運柴油機車，機車軸式Co-Co，軸重25噸，採用單司機室外走廊車架承載結構車體、「GEVO-16」電子噴射柴油機、IGBT牽引變流器、「CCA」微機控制系統等技術，可在平直路線上單機牽引5,000噸貨運列車，最高運用速度為120公里。
為滿足與奇異合作的技術要求，戚墅堰機車公司圍繞柴油機零部件加工與組裝試驗、機車轉向架製造、車體及鋼結構室製造、機車組裝試驗、毛坯製造與熱處理、在線檢測等6大重點系統，投資近4億元人民幣進行重點技術改造，涉及設備近百項和工藝調整及工位器具。同時，為了完善零部件國產化進程和質量控制，圍繞柴油機、轉向架、輕量化車體和機車總成及試驗等技術轉讓項目，於2006年6月起分批成立了28個課題攻關組對關鍵點和難點進行技術攻關。技術轉讓方面，株洲南車時代電氣股份有限公司負責牽引變流器國產化項目，在首批300台HXN5型機車之中，有285台機車採用了國產化牽引變流器，首件製品已於2008年11月21日通過鑑定。而南車成都機車車輛有限公司承擔了機車配套的交流牽引馬達、主輔發電機、散熱器風扇電機和電阻柵制軔風機的國產化任務，首套國產化電機產品於2009年3月17日試製成功。

試驗

首2台由奇異公司生產的HXN5型機車（0001、0002）於2008年5月落成，同年8月21日從美國啟運，8月30日運抵中國天津港；機車隨後被送往中國鐵道科學研究院北京環形鐵道試驗基地，開始進行安全評估試驗和綜合性能試驗。2008年11月25日，首台國產化機車（0003）在南車戚墅堰機車公司下線，時任中國鐵道部副總工程師張曙光、中國南車集團總裁鄭昌泓、常州市委書記范燕青等人出席了剪彩儀式。2008年12月，0001、0002號機車在哈爾濱鐵路局管內投入試運行，並完成了濱洲線牽引試驗和冬季性能試驗。
2009年3月24日至4月9日，根據鐵道部的安排，HXN5型0001號進口機車和0003號國產化機車在鄭州鐵路局管內的京廣鐵路鄭州至安陽、太焦鐵路新鄉至晉城北間進行機車型式試驗，對機車運行的安全性、舒適性和走行部主要部件的動應力與疲勞壽命進行評估。2009年5月7日，HXN5型機車通過中國鐵道部的最終驗收。2009年6月22日至7月31日，0003號機車赴新疆吐魯番盆地鄯善地區進行機車夏季性能試驗，試驗內容主要包括起動加速試驗、隧道試驗、冷卻性能試驗以及機車功率試驗。2009年8月，完成高溫試驗的0003號機車返回戚墅堰廠內進行整備後，前往鐵科院進行後續的機車稱重、最大起動牽引力等整車型式試驗。

運用

2009年5月初，HXN5型機車開始批量配屬哈爾濱鐵路局哈爾濱機務段；至2010年7月初，首批300台機車已經全部交付完畢，機車主要由齊齊哈爾機務段、哈爾濱機務段、牡丹江機務段、佳木斯機務段支配運用，擔當濱洲鐵路、濱綏鐵路、綏佳鐵路等線的貨物列車牽引任務。HXN5型機車投入運用初期故障率較高，主要故障包括微機控制系統通訊中斷、空氣壓縮機故障、總風缸管路凍結、牽引馬達通風機控制器故障、智能顯示器故障、輪輪緣磨耗過快等問題。2019年3月12日，齊齊哈爾機務段滿洲里運用車間出國班組由東風4B型柴油機車換型為HXN5型柴油機車，擔當中俄邊境滿洲里至後貝加爾斯克間客貨列車牽引任務。
2010年12月，HXN5型機車開始配屬烏魯木齊鐵路局庫爾勒機務段，投入到南疆鐵路吐魯番至魚兒溝、庫爾勒區段運用，貨物列車牽引重量由以往的2200噸提高到2800噸。2011年1月12日，南車戚墅堰機車有限公司與中國鐵道部簽訂第二筆300台HXN5型機車的購銷合同，總值53.15億元人民幣。2011年9月起，瀋陽鐵路局吉林機務段開始換裝HXN5型機車，由吉林機務段和梅河口機務段支配運用，投入瀋吉鐵路、四梅鐵路、梅集鐵路等線運用。2011年10月，北京鐵路局懷柔北機務段也開始配屬HXN5型機車，由豐臺機務段支配運用，擔當京原鐵路豐臺西至原平間的貨物列車牽引任務，與太原鐵路局太原機務段靈丘運用車間實行跨局輪乘。2012年9月，西安鐵路局新豐鎮機務段開始配屬HXN5型機車共60台，投入侯西鐵路運用，擔當新豐鎮、蒲城至韓城間的貨物列車牽引任務。而由2017年10月起，吉林機務段的本型機車，亦開始牽引長春至德國的中歐班列。

改進

根據鐵道部的要求，南車戚墅堰機車公司在首批HXN5型機車的基礎上，開展了「HXN5型柴油機車雙司機室及動力學性能優化研究」，並於2012年6月6日通過鐵道部科技司會同運輸局組織的設計方案評審。採用雙司機室外走廊結構的HXN5型機車可以提高機車的實用性，降低機車的營運成本；同時並以軸箱拉杆式轉向架取代原來的導框定位式轉向架，以提高機車動力學性能，降低機車輪緣和踏面的磨耗。經過改進後的HXN5型雙司機室機車，機車編號由2001起排序。首台HXN5型雙司機室機車於2012年8月下線，已於2013年10月配屬瀋陽鐵路局白城機務段。

配屬

目前HXN5型柴油機車主要配屬於：哈爾濱鐵路局哈爾濱機務段（哈局哈段），哈爾濱鐵路局齊齊哈爾機務段（哈局齊段），烏魯木齊鐵路局庫爾勒機務段（烏局庫段），北京鐵路局懷柔北機務段（京局懷段），瀋陽鐵路局吉林機務段（沈局吉段），瀋陽鐵路局梅河口機務段（沈局梅段），西安鐵路局新豐鎮機務段（西局新段），瀋陽鐵路局白城機務段（沈局白段），上海鐵路局合肥機務段（上局合段），昆明鐵路局昆明機務段（昆局昆段）。
註：配屬沈局白段的HXN5型為雙司機室機車。

總體結構

HXN5型柴油機車採用高強度車架承載式結構車體，設有單端司機室、雙側外走廊；車體底架採用雙箱形梁結構及整體承載式燃油箱，可用容量達到9000升。機車上部從前向後分為司機室、主變流器室、 發電機室、柴油機室及冷卻室。司機室內部前後裝有主、副兩個操縱台，以便司機選擇任意一個方向操縱機車，設有司機控制台、微機顯示屏、電台等操縱設備，以及冰箱、微波爐、飲水機、廁所等司機生活設備；司機室地板下設有外接電源變壓器、空氣軔機和空調裝置。主變流器室內裝有牽引變流器、發電機勵磁控制器、牽引馬達控制器等各種電器設備。發電機室內設有主發電機、輔助發電機及配套冷卻風機組，上方裝有三個臥式電阻制軔模組。柴油機室位於車體中部，安裝了一台柴油機，以及空氣濾清器、膨脹水箱、燃油泵、機油熱交換器、機油濾清器等輔助設備及各種管路。冷卻室內安裝了散熱器、水箱、風扇等設備，並設有牽引馬達通風機和兩台螺杆式空氣壓縮機。機車下部兩台轉向架之間設有蓄電池箱和主風缸。空氣制軔系統採用克諾爾公司的「CCB II」微機控制電空制軔系統。機車並具有最多三台機車重聯運用的功能，可通過27芯重聯電纜和重聯空氣軟管連接。

柴油機

機車裝用一台GEVO-16型大功率低排放柴油機，為16氣缸、四行程、廢氣渦輪增壓的V型中速柴油機；氣缸直徑為250毫米，活塞行程320毫米，氣缸夾角為45°，額定轉速為每分鐘1050轉，裝車功率為4660千瓦（6250馬力）。柴油機採用整體鑄鋼機體、全纖維鍛造鋼曲軸、高增壓比廢氣渦輪增壓器、電子控制直接燃油噴射、柴油機自動停啟機（AESS）等先進技術，排放指標能夠符合美國環保局二級（EPA Tier 2）排放標準。柴油機採用牽引逆變器變頻啟動，由蓄電池向其中一台牽引逆變器供電，使牽引發電機變為交流馬達運轉，從而驅動柴油機啟動。

傳動系統

HXN5型機車的主傳動系統主要由主發電機、主變流器、牽引馬達、電阻制軔裝置等組成。牽引狀態時，柴油機直接驅動同步牽引發電機發出三相交流電供給主變流器，經由一個整流裝置轉換成中間直流環節，然後經由六台獨立的牽引逆變器，將直流電轉換成頻率、電壓可調節的三相交流電，分別向二台轉向架上的六台三相異步牽引馬達獨立軸控供電，通過傳動齒輪驅動車輪。
HXN5型機車採用5GMG201型三相交流同步牽引發電機，輔助發電機與主發電機安裝在同一機殼內，採用一體化同軸雙轉子整合結構，主發電機輸入功率為4400千瓦，主、副發電機額定容量分別為4690、490千伏安，輔助發電機用於為主發電機勵磁、各種設備的冷卻風機、蓄電池充電器、輔助電機、電器等供電。整流裝置為二極體整流器，額定輸出直流電壓為1400伏。每台機車上裝有六台牽引逆變器，每台逆變器獨立驅動一台牽引馬達，採用IGBT（2400V/2200A）為功率控制器件，採取脈寬調製（PWM）控制策略，冷卻方式為強迫風冷。牽引馬達型號為5GEB32型鼠籠式三相異步牽引馬達，該型馬達額定功率為693千瓦，採用強迫通風冷卻，控制方式為矢量控制。

控制系統

HXN5型機車的運行控制系統採用由奇異公司開發的「綜合控制架構」（Consolidated Control Architecture，CCA）系統，與AC6000CW型柴油機車的控制系統大致相同。該系統以3台智能顯示器作為機車的控制計算機，採用主頻為166MHz的英特爾「奔騰MMX」微處理器，通過一個串聯的ARCNET區域網通訊網絡，控制機車上所有其他計算機和控制裝置的運行，包括柴油機控制、牽引控制、制軔控制、輔助電源控制、重聯控制、粘著控制、故障診斷和檢測等功能。網絡傳輸介質為屏蔽雙絞線，數據傳輸率為5Mbit/s。

轉向架

機車走行部為兩台完全相同的三軸轉向架，其結構與NJ2型柴油機車所使用的轉向架基本相同。轉向架採用鋼板焊接構架和無搖枕結構，輪對軸箱採用導框方式定位，車輪為整體式碾鋼車輪。一系懸掛為軸箱兩側螺旋彈簧，配垂向油壓減振器；二系懸掛為構架和車體之間的三點式橡膠鋼板複合旁承，配橫向油壓減振器、抗蛇行減振器。牽引力和制軔力通過中心牽引銷傳遞。牽引馬達採用滾動軸承抱軸半懸掛安裝方式，採用單側斜齒輪傳動方式驅動輪軸，牽引齒輪傳動比為85:16。基礎制軔裝置採用踏面制軔單元裝置，帶有閘瓦間隙調整器；停放制軔為彈簧式制軔裝置。

機車命名

2011年9月23日至2018年5月1日間，哈爾濱鐵路局齊齊哈爾機務段的HXN5型0001號機車被命名為「黃繼光號」。「黃繼光號」機車自1956年誕生以來，先後經歷了解放型1008號蒸汽機車、建設型5743號蒸汽機車、前進型1820號蒸汽機車、東風4B型1220號柴油機車、東風8B型0177號柴油機車5次換型，直到2018年5月1日起再換型為HXD3CA-8161機車。