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伍赛特
(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)
机车是铁路运输的牵引动力，机车的基本构造、功率等级、科技含量和性能特征，代表着铁路现代化的水平。世界铁路机车装备的发展和进步，遵循同一个规律，即先有蒸汽机车，然后相继制造出内燃和电力机车。蒸汽、内燃和电力机车的出现，代表着不同时期的科学技术发展和工业制造水平。
内燃机车是以内燃机为动力源的机车，由于机车需要产生的功率较大，所以绝大多数的内燃机车采用的动力源是柴油机[1]。从动力源(柴油机)发出的功率变成为能够牵引列车的牵引力，中间须有一个传动装置。当今世界内燃机车的传动装置基本有三种类型，即机械传动、电传动和液力传动。机械传动方式弊端较多，20世纪70年代以后逐步被淘汰。电传动方式又分为直-直传动方式、交-直传动方式和交-直-交传动方式三种[2]。
液力传动方式是用一套液力传动装置，将柴油机产生的功率分别传至每个动轮车轴上的齿轮，以驱动动轮滚动。液力传动装置中最重要的元件是液力变扭器，是个箱形装置，里面充满工作油，当柴油机高速旋转时，带动液力变扭器里的泵轮叶片旋转，使工作油得到高压、高速能量，再传送给与机车动轮相连接的涡轮，产生牵引功率。
在机车内燃化的初期，铁道部发展内燃机车的技术政策是“电传动与液力传动并举”。因此，国内各工厂在开发电传机车的同时，也进行了液力传动内燃机车的开发研制。由于液力变扭器元件工艺水平要求较高，制造难度较大，所以国产液力传动内燃机车功率相对较小，不适用于货运机型。我国此前生产的液力传动内燃机车全部是客运机车和调车机车。
液力传动内燃机车的优点是，当机车起动和加速时增力趋势较为平缓，有利于降低列车的冲击力。因此适用于牵引旅客列车。我国发展的东方红1型、东方红3型和北京型等液力传动内燃机车都是客运机车。我国从德国引进的NY5型、NY6型、NY7型内燃机车都是客、货运两用机车，但在我国均被安排担当客运任务。我国生产的东方红2型、东方红5型都属于定型的调车小运转机车。
液力传动内燃机车的缺点是液力变扭器设计、制造工艺水平要求较高，制造和维修难度较大。特别是高速柴油机和较大功率的变扭器，制造和维修困难更大。这对于我国铁路运输形势的适应性值得研究。
电力机车是以外部电源、电力驱动的机车。1842年，苏格兰人戴维森制成了用电池供电的电力机车，但技术不过关，未能用于实际的牵引列车。1879年，德国人西门子成功制造出实际意义上的电力机车，标志着电力机车的诞生。电力牵引的完整系统，包括外部电源、牵引变电所、接触网及其支撑构件、电力机车等。
外部电源经变压后将电能送至接触网，电力机车的受电弓将接触网上的电能吸收到机车上，通过控制电路送至牵引电动机，牵引电动机的转矩驱动机车动轮，产生牵引功率。
接触网的电流制有直流和交流两种。电力机车的传动方式因电流制的不同而分为三种。直一直传动电力机车采用直流制供电方式。牵引变电所的整流装置将外部电源的三相交流电变成直流电后送到接触网上，机车从接触网接收直流电流并供给直流串励牵引电动机。
这种制式缺点较多，一是接触网电压较低，接触网导线要求相对较粗，消耗有色金属较多；
二是长距离直流输电，电热消耗大，效率低下。这种制式出现于电气化铁路的前期，苏联和东欧些国家在20世纪50～70年代曾采用这种制式，后来逐步改造成交流供电方式。
交一直传动电力机车采用交流制供电方式。牵引变电所将外部电源的三相高压电流改变成25 kV工业频率的单相交流电后送到接触网上，由机车上的受电弓将接触网上的交流电接收后通过主变压器变成直流电，然后将直流电流送到直流牵引电动机产生牵引功率。此种制式由于提高了接触网的电压，电热耗损下降，导线直径相对较小，可以减少投资和电热消耗。世界多数国家(包括我国)基本都采用这种制式。
交一直一交传动电力机车采用的是无整流子的交流牵引电动机，具有牵引性能优异、可靠性高、节能效益好、全寿命、低成本等优点。我国和谐系列大功率交流传动电力机车采用的就是这种先进技术。
3.1 机车内燃化、电力化
20世纪70年代，我国开发生产的人民型(客运)、前进型(货运)蒸汽机车在功率等级和运用性能等方面均达到了蒸汽机车的世界级水平。但是蒸汽机车在构造和运用适应性方面的缺陷，注定担负不了国家建设时期赋予铁路的运输任务。因此，我国不失时机地开始发展内燃、电力机车，以性能更加优越的内燃机车、电力机车牵引取代蒸汽机车，是中国铁路发展的必经之路。
在机车内燃化、电力化的进程中。铁道部工业管理部门和各机车工厂做出了极大的努力，研发出一系列内燃、电力机车，基本上满足了运输的需要，为国家经济社会的发展作出了贡献。但是机车内燃化、电力化的道路并不平顺，作为正在延续的牵引动力改革，客观认真地总结经验教训，无疑是有益和必要的。
中国牵引动力改革启动时间并不算晚，但完成时间与其他国家相比滞后很多，其原因比较复杂，有客观方面的，也有主观方面的。
客观方面的原因是整个国家工业基础落后、底子薄、起点低、从无到有、白手起家，因此我国机车设计水平和制造能力相对较低，所开发出来的样车因故障较多而不能长时间正常投入运用，也不能及时地投入批量生产。1958年研制成功的巨龙型内燃机车，直到1964年才定型为东风型投入运营，成熟期长达7年。1985年成功制成东风4B型时，质量才算稳定。1984年研制成功的东风8型内燃机车，投入运营后故障较多，经过不断改造，直到1995年定型为东风8B型内燃机车以后才正常投入运营，成熟期长达11年。1958年研制成功的6Y1型电力机车，先后经过三次较大规模的技术改造，1980定型为韶山1型电力机车，成熟期长达22年。其他型号的内燃机车、电力机车也都有不同程度的成熟期。由此可知，每开发一种新型机车，都需要频繁的技术改造和数年不等的成熟期，必然导致内燃化、电力化时间的延长。
主观方面的原因如下：主要表现于发展政策的保守和技术政策的封闭。在机车的设计理念和制造工艺水平等方面我国与发达国家相比存在着不小的差距。例如，1984—1986年从美国进口的ND5型内燃机车，不论在可靠性或牵引、运用性能方面，都优于当时的国产内燃机车。
3.2 内燃机车、电力机车型号繁多
(1)早在2004年以前，我国的机车制造业已经形成了“大而全”和“小而全”的布局，不可能做到专业化生产、规模化经营的机制，也很难实现装备水平和工业水平的快速提升。
(2)由于没有做到“四化”(标准化、系列化、模块化、信息化)，同一型号的机车在不同工厂生产，差别很大，使部件不能通用，不能互换。
(3)由于制造质量问题较多，机车不断进行改造，延长了定型和使用的时间。
(4)由于机型不简统，造成配件繁杂，工装多样，机车运用、检修负担加重，成本加大。
(5)由于制式太多，给人员培训带来困难，对安全带来隐患。
为什么在牵引动力改革中，内燃机车、电力机车的型号如此繁多，主要原因是所属机车工厂较多，每个工厂都要为创造自己的品牌产品而求得生存。在这种情况下，如果工厂管理部门能够建立起发展内燃、电力机车的系列产品目录和每种机车的制造标准，组织相关工厂分工承担生产任务，机型繁多的情况有可能减轻。机型繁多深层次的原因可能与铁路机车工业的体制有关。1998年以前，中国铁路机车车辆工业总公司及其所属工厂均为铁道部的下属机构，机车车辆产品属于自产自用，包产包销，很难形成刚性的市场机制。在此期间，工业部门在开发新型机车时，也曾征求使用部门的意见，但不是市场制约关系。更为重要的是，不断增长的运输任务急需大量的内燃、电力机车，即便这些机车的性能和功率等级不够理想，运输部门还是不得不接受这个现实。
3.3 电力机车发展速度缓慢
电力机车发展缓慢是因为电气化铁路建设的滞后。牵引动力改革初期，国家经济实力不够雄厚，加之大庆油田大规模开采石油的影响，致使国家修建电气化铁路的积极性不高。1965年，铁道部曾提出，牵引动力改革需要裁员“内燃、电力并举，以内燃为主”的方针，说明了当时铁道部对发展电气化铁路的态度。电力牵引优势的发挥使运输管理人员产生出另一种倾向，即片面地突出了电力机车爬坡能力较好，适应山区铁路的特点。
其实，电力牵引先上山区或先上平原，本不应该成为争论的课题，应当根据路网运输的需要作出规划和安排。实际上，这些争论延误了铁路电气化的时机。对于一条具体的线路，电力牵引与内燃牵引相比，运输能力将由许多因素决定，其中最主要的是牵引动力，因为电力机车功率大、性能优越是最大的优势。关于设备检修对通过能力的影响，对于电气化大运量通道，除了接触网以外，还有线路、(包括大型养路机械作业)、桥梁、通信、信号等，现代化管理会将这些检修作业适当安排，制定一个统一的检修天窗，把影响通过能力的因素控制在最小的范围。目前，电力牵引得到了充分发展，电力机车的功率和现代化水平不断提升。
交流传动技术包括交-直-交传动和交一交传动(没有中间直流环节的直接变频的交流传动)技术；
目前世界上广泛采用的是交-直-交传动技术，所以目前所称交流传动即为交-直-交传动。
交流传动机车包括交流传动电力机车和交流传动内燃机车，近代动车组的动力车也基本上采用交-直-交传动方式。
4.1 交流传动的控制技术
交流传动的核心技术是逆变装置及其控制系统。逆变装置是以晶闸管为核心，形成对电力处理的电力电子技术。它的成品器件包括GTO、GTR、IGBT、IGCT等。
(1)GTO是晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor)的英文缩写。它是一种高电压、大电流双极型、全控型器件，与普通晶闸管的最大区别是可以通过向门极施加负脉冲电流进行关断。开发GTO的主要目标是提高最大可关断电流，缩短关断电流时间[3-4]。
(2)GTR是巨型晶体管(Giant Transistor)的英文缩写。它是双极型全控器件，经历了双极晶体管(BJT)，达林顿管和GTR模块等发展阶段。GTR模块是将GTR管芯、续流二极管管芯以及辅助元件组装成一个功能单元，然后根据不同用途将几个单元组装在塑料树脂壳内。
(3)IGBT是绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)的英文缩写。它是构成逆变器的一种电力半导体开关器件，它可以阻断高的反向电压，是一种电压驱动型开关器件，很小的驱动功率可使器件导通，并维持很低的通态电阻，因此提高了开关频率，由此减小输出波形畸变，并降低噪声。
(4)IGCT是集成式门集换流晶体管(Integrated Gate Commutated Thyristor)的英文缩写。它是最近几年由ABB公司研制的一种新型电力半导体器件，它集GTO和IGBT两种器件的优势于一身，并克服了GTO和IGBT两种器件的缺点，其内部还包括了使功率器件能可靠工作的电路，易于在中等电压环境中使用。这种器件是将上千个功率开关单元集成在一个改进的GTO晶闸管中，而各单元又可快速同时开关。此外，它还保留了晶闸管所固有的低通态和断态损耗这一特性。
以上四种器件的使用经历和发展阶段。IGBT兼有场效晶体管(MOSFET)的快速响应，高输入阻抗和GTR的低通态压降、高电流密度的特性，是一种新型低功率驱动的大功率器件，所以至今仍被世界广泛采用。目前IGCT开始进入实用阶段。IGCT器件既具有IGBT器件的开关特性，同时又具有器件的导通特性，而且相对于GTO和IGBT制造成本较低。正因为具备这些优点，预计今后IGCT会在更多的工业和牵引领域中发挥其作用。
4.2 机车交流传动技术制式的选择
(1)主电路形式。交流传动机车主电路主要有电压型和电流型两种制式，我国选择的是电压型制式。
(2)牵引电动机。牵引电动机主要有同步电机和异步电机两种，我国将采用感应式异步牵引电动机，由此带来以下优点：
a)异步牵引电动机没有换向器和电刷，转速可大幅度提高。在相同的安装条件下，比直流牵引电动机具有更大的功率和牵引力。b)异步牵引电动机结构简单，故障率低[5-6]、维修方便，大修间的走行公里可明显延长。c)异步牵引电动机的转矩-转速特性，配合先进的控制技术，可使轮轨间黏着系数的利用显著提高。d)机车总效率高，适用性强，既可满足货运较大的起动牵引力，又可在客运机车上充分发挥功率。e)电机质量轻，机车曲线通过时具有较好的动力学性能。
(3)牵引电动机驱动控制方式
由一台逆变器向一台牵引电动机供电，并由一台微机进行实时控制的单电机独立驱动控制称作“轴控方式”；
由一台逆变器驱动三台牵引电动机的称作“架控方式”。轴控方式比架控方式具有更多的优点，我国机车采用的是轴控方式。
(4)系统控制技术。异步电动机控制策略有三个过程：转差电流控制、磁场定向控制、直接转矩控制。
最新的直接转矩控制基于定子磁场方向，数学模型简单，具有更优良的动、静态性能，对于提高整个机车的牵引、制动性能优势明显[7]。
4.3 交流传动机车的优点
机车交-直-交传动是机车技术发展史上的一个里程碑，它是以高科技控制手段实现牵引电动机的交流制式工作。与传统的交-直传动相比，具有许多优点：
(1)由于采用了异步交流电动机，取消了所有直流开关装置部件(用于制动、牵引和换向的接触器)连同相关的配置和控制相互联锁的电器，而这些被取消的部件正是存在可靠性差和维修频率高的弊端。
(2)可以减少电动机的维修和延长机车维修间隔。交流牵引电动机由于没有电刷和换向器以及不需要电枢的耐高压检验，因此比直流电动机更可靠，几乎不需要维修。
(3)可提高有效的黏着，利用黏着条件和改善黏着控制。通过改善黏着和防止打滑特性而得到更高的轮周牵引力，可为每个动轴提供更大的功率，从而较容易地研制大功率机车。
(4)可扩大动力制动速度范围和尽可能提高动力制动力等级。这样可以减少空气制动机的使用，这对于牵引重载列车实行周期制动的区段，可大大提高安全运行的可靠性。
(5)可在相同功率等级的条件下减轻电动机的质量和减小尺寸(提高功率密度)。从机车生产(成本/效益)的观点看，以上优点中最突出的是有效黏着利用的提高和功率密度的提高，使转向架上可装用更大功率的牵引电动机。
4.4 交流传动电力机车的研制
交流传动电力机车是指由交流电网供电，由整流器整流成直流电，再逆变成可以变频的交流电流送给交流牵引电动机，驱动机车动轮产生机车牵引力。
20世纪90年代开始，世界发达国家已停止生产整流器式(即交-直传动)电力机车，只生产交-直-交传动电力机车。基于前述的交流传动的诸多优点，我国今后研制的电力机车和电动车组，也应该紧跟世界技术发展的形势，以交-直-交传动的电力机车和动车组为发展方向[8]。
和谐型机车是近年来重点发展的机车车型，在功率等级、科技含量、运用性能和效率环保等方面都达到了当今世界一流的水平，其先进性和技术优势主要表现在如下方面：
(1)采用当今世界上最先进的交-直-交传动方式。由于在相同功率条件下交流电动机的体积小于直流电动机较多，因此，可在相同转向架结构条件下装用更大的牵引电动机，从而提高机车的持续功率。交流电动机取消了所有直流开关装置部件，而这些被取消的部件存在可靠性差和维修频率高的弊端，因此，和谐型机车是故障率较低、可靠性相对较好的机车。
(2)机车部件采用成熟的技术和标准化、模块化设计，造就了优良的机车性能。
(3)采用分布式微机网络结构，实现了逻辑控制和自诊断功能。
(4)机车牵引传动控制(包括限流控制、逆变控制和防空转/防滑行控制、安全保护)实行独立控制方式。
(5)机车采用IGBT逆变技术，单轴功率可达到1 200 kW～1 600 kW。
(6)采用滚动抱轴式电机悬挂、异步牵引电动机，机车具有高黏着、高安全和运行平稳性。
(7)电力机车采用再生制动系统，可显著提高动力制动力和制动功率，同时将交通运输业变成节能环保型。
(8)和谐系列内燃机车采用了北美铁路协会(AAR)的技术标准和GE、EMD公司的内燃机车新技术，使柴油机的功率及效率得到充分发挥，电气与主机之间的配合，以及变流系统的可靠性等，都达到了当代内燃机车的最高水平。
在研制过程中本着“高起点、高标准、造精品车”的目标，大量采用国内外成熟、先进、可靠的技术[9]，并且采用了三维设计，极大地促进了设计质量和工艺水平的提升。
铁路跨越式发展的核心是发展生产力，关键问题有两个：一是能力，二是装备。应该说，多年来，我国铁路技术装备进步很大，为铁路发展[10-11]，特别是为前四次大提速作出了重大贡献。但与发达国家相比，仍存在较大差距。在高速、重载等方面，特别是核心技术的差距应该是在20年～30年。实现技术装备四化，即标准化、系列化、模块化、信息化。铁路技术装备要达到国际先进设计制造水平，必须坚持标准化、系列化、模块化、信息化。
(1)实现标准化。技术标准是产品设计、制造和检验的依据，没有先进的标准就没有先进的产品。要提高机车车辆技术水平，必须做好两方面的工作：第一，必须大力采用国际标准和国内外的先进标准。通过采标，使我国企业按照国际和国内外先进标准组织机车车辆产品的生产，技术上尽快达到国际先进水平。第二，建立完善的标准体系。
(2)实现系列化。既要形成符合我国铁路实际需要的系列产品，又要运用系统论的观点对每个产品进行系统优化，实现产品整体功能最佳[12]。目前我国机车车辆型号既多又复杂，大部分是重复开发。就某一产品而言，又缺乏整体优化，产品的整体功能不能实现最优[13]。发达国家铁路机车车辆具有明显的系列化特征，例如，日本新干线、法国TGV、德国ICE等，集中发展几种主力车型．且各类车型技术经济特征明显。
(3)实现模块化。优化设计，将产品部件功能特征分解成相对独立的功能单元，做到模块化组装，实现换件维修。实现模块化就能够保证部件的互换性，有利于提高产品的可靠性，也是降低配件储量、减少资金占用，推行修程、修制改革的一个重要条件。如电力机车变流机组做到了模块化产品，那么同一牵引功率等级的机车，无论是客运还是货运，都可以使用这个机组，只需要改变控制程序就可以了。
(4)实现信息化。充分运用信息技术，提高装备的自动化和信息化水平。将控制指令、状态检测、故障监测等信息采用网络技术实时传输给微机控制系统和显示系统，实现铁路技术装备的信息化，以达到资源共享，提高运输安全的可控性。例如，将机车车辆的状态检测、监测的信息及时传送到维修管理部门和调度部门，有针对性地制定扣车的维修计划，实现资源共享。
在较长的时间里，由于技术装备的标准化、系列化、模块化、信息化程度不高，还导致资源不易优化配置，结构匹配不强，科技含量不高、等级管理难度大等问题，还给运用、维修部门增加了很多负担。
未来，铁路装备现代化的具体实施方案主要如下：①瞄准世界铁路技术装备制高点，锁定当今国际上最先进、最成熟、最可靠的技术，进行引进、消化、吸收、再创新；
②以铁道部为主导，以国内企业为主体，以掌握核心技术为目标，实现先进技术的引进和转让；
③利用我国铁路巨大的市场，联合国内外科研、设计、制造企业实现低成本引进；
④在已有技术积累的基础上，坚持原始创新、继承创新和引进消化吸收再创新相结合，着力提高国内企业的创新能力，扶持国内民族工业发展，实现本土化生产，打造中国名牌；
⑤实现我国铁路技术装备水平的快速提升、运输能力的快速扩充、以适应经济社会又好又快发展对铁路运输的迫切要求[14-15]。
铁路运输是我国重要的陆用运输方式，机车是实现铁路牵引的核心设备，因此针对机车开展的研究及试验有着格外重要的意义。近年来，我国机车牵引动力的技术水平相比之前已有了大幅提升。以和谐型机车为例，其具有超大功率和优良运用性能，显著地提升了我国机车牵引动力的现代化水平，为提高客货运输能力和效率效益改善了条件。
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