高寒低温还缺氧,在青藏线上跑的火车有啥不一样?

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  出品| 网易新闻学院

  作者| 王麟,科普作家、铁路工程师

  在中国的铁路线里,青藏线是一条大家耳熟能详的铁路,当初,其工程之艰巨世界瞩目。

  全长1956千米的青藏铁路,穿越海拔4000米以上地段就有960多千米,占据全长的49%,铁路要跨越海拔5072米的唐古拉山口,还要经过多年冻土地段550多千米。青藏铁路的修建,可谓克服了重重艰难,而铁路修好,在铁路上跑的火车更要与严酷的自然环境作斗争。

  沿线地理条件复杂,有戈壁荒漠、沼泽湿地、雪山草原和多年连续冻土地带,并且该地区还有5级烈度的地震带,昼夜温差最高达40℃,最高风速达32.6米每秒,常年风沙雨雪,并有较长的雷暴区段,空气稀薄,气压很低,空气中的含氧量仅为海平面的50%左右,且伴随强烈的紫外线照射,自然条件之恶劣可见一斑。

  今天我们就来说说在青藏线上跑的铁路机车。

  

  (一)在青藏高原上跑火车存在哪些困难?

  经过分析,对行车影响最大的几个自然因素包括:高海拔,大风沙,多雷电,高寒低温;对行车影响最大的工程因素包括:铁路线路坡度较陡、坡道长、跨越无人区需要采用机车长交路。

  1、高海拔——影响柴油机和冷却系统工作

  青藏铁路海拔最高点为唐古拉山口,高程为5072米,拉萨市海拔为3628米,全程海拔超过4000米的地段有965千米。高海拔造成的直接后果就是气压低和空气稀薄,环境气压仅为57.0~ 72.5 kPa,空气中的含氧量仅为海平面的50%左右,使得内燃机车的柴油机和增压器受到较大影响,同时水的沸点降低,影响机车冷却装置和冷却系统的正常工作。

  

  2、多雷电——精密电子仪器遭破坏

  多发雷电很容易对机车上面的精密电子仪器造成破坏,需要采取可靠的防护措施。青藏铁路一年中的风沙天气是100多天,对机车的各个部件影响也很大,造成其使用寿命缩短。

  3、低温——制动系统等受影响

  在格尔木至拉萨段,铁路沿线的气温最高为25℃,最低为-45℃,平均气温-2~ -6℃。低温对机车的油水、电气、制动等系统均有很多不利的影响。

  

  (青藏铁路)

  4、坡陡且长——需要大功率机车牵引

  青藏铁路的线路陡坡、长坡道以及机车长交路,都对机车的牵引性能提出更高的要求,需要配备功率更加强大的机车。

  如此恶劣的环境,要是还用普通机车,会连正常额定功率的一半都发挥不出来,无法承担繁重的运输任务。所以,就需要针对特殊的严酷条件,研发新型的铁路机车,而这种新型的“大力士”要满足在高原上启动、制动、牵引、环保等一系列技术要求。

  目前在青藏铁路上使用两种车型,一是从美国进口的NJ2型内燃机车,二是国内自主研发成功的“雪域神舟”号大功率内燃机车。

  

  (进口内燃NJ2型机车)

  (二)大功率机车有哪些独到之处?

  在高原条件下,限制机车柴油机功率有三个重要参数:增压器最高转速、最大排气温度和爆发压力,这三个参数的任何一个不达标都会造成不良后果。

  1、完善的增压匹配,抵消机械能损耗

  柴油机在高海拔条件工作时,由于受增压器特性的限制,做功生热而机械能减少。但是柴油机还得满足牵引功率要求,所以就得更具海拔高度,完善柴油机的增压匹配,并对相关的机械结构做适当的调整。

  2、高温冷却方式,提高水的沸点

  高原的高海拔和低气压使得机车冷却水的沸点降低,会影响冷却效果,因此机车冷却水系统必须采用加压冷却(高温冷却)方式,即给冷却水系统加上压力调节阀,将高温冷却系统与大气隔开。当高温冷却水的温度上升时,在整个高温水系统中产生一定压力,以提高水的沸点,避免冷却水过早气化,从而提高柴油机高温冷却水的水温。

  

  (NJ2型机车)

  3、柴油空气滤清系统+堆雪排障器,可抗高原风沙

  为了适应高原风沙大的特点,机车需采用过滤精度高、纳污能力强的柴油空气滤清系统和主发电机、牵引电动机通风系统,除此之外,对机车上的一些敏感器件应具有良好的防寒、保温、预热和安全防护措施。

  机车上还要有针对大风堆雪的排障器,配备性能良好的防空转、防滑行控制装置,由于青藏铁路某些段落坡度很大,机车应装有重联装置,应能满足3台及其以上机车重联的要求。

  4、供养设备+抗紫外线设计,保护司机!

  由于高压缺氧,需要对司机室配备供氧设备,还要采取特殊的涂料,对机车的外表进行抗紫外线设计,以有效保护机车和司机。

  5、大容量油箱,满足长途跋涉需求

  由于机车需要跑长途交路,中间由于条件限制,不能随时补充燃料,就需要采用大容量的油箱满足机车长途跋涉对能源的需求。

  

  (青藏铁路)

  (三)国产“雪域神舟”号内燃机车,专为青藏铁路设计

  在借鉴国外NJ2型内燃机车的基础上,中国研发成功“雪域神舟”号内燃机车,其车身采用高强度低合金钢材料制造的棚式或者桁架式侧壁承载结构,可满足隔热和吸震要求。

  由于青藏铁路部分段落坡度较陡,机车一般采用双机重联,车上安装有中国目前功率最大的16V280ZJA型柴油机,在海拔5100米之处,其最大运用功率可达2700千瓦,在海拔2800米处的最大运用功率为3400千瓦,最高时速100公里/小时。

  1、增压器、冷却方式满足高原“跑路”需求

  柴油机配备高原增压器,实现柴油机功率随着海拔不同而自动修正的功能。

  “雪域神舟”号机车的冷却系统采用加压冷却方式,以保证在海拔5100米处,水系统内压力不低于1个大气压,水的沸点不低于100℃,以保证机车柴油机正常冷却的需要。

  

  (国产内燃“雪域神舟”号机车)

  2、阀控式镍镉碱性蓄电池:耐低温还减重

  高原海拔高、气温低对柴油机起动性能影响很大,“雪域神舟”号利用低温性能较好的阀控式镍镉碱性蓄电池。一般在-20 ℃时,电池能放出额定容量的80%左右,即使在-40℃大电流运用时,对蓄电池的寿命影响甚微,电池的使用寿命较长,采用碱性蓄电池,还可让机车减重1000kg。

  3、机车涂料+镀膜玻璃:全方位抵抗紫外线

  为了解决机车抗紫外线的问题,技术人员通过试验筛选出耐高寒、抗辐射老化的橡胶件和油漆,用作机车涂料,同时在司机室前窗和侧窗玻璃均采用防紫外线镀膜玻璃。

  “雪域神舟”号针对高原缺氧采取的措施,在司机室上部安装有变压吸附式制氧机,通过氧面罩和整仓供氧2种方式向司机室供氧。制氧机工作时,可以通过管道将氧气送入司机室,还可以将氧气充入氧气瓶以备不时之需。

  

  (机车驾驶室)

  4、“雪域神舟”号针对高寒采取的措施:

  一是采用了自控式预热锅炉,油水管路采用特殊防寒包扎、电伴热装置;

  二是机车车体、转向架和冷却装置钢结构等主要受力部件采用低温性能好的材料;

  三是采用了承载式燃油箱结构,车体的强度和刚度比现有DF8B 机车有显著提高;

  四是采用滚动轴承抱轴式转向架,轮对采用整体车轮,减振垫采用低温性能好、抗辐射的橡胶减振垫。

  5、既能抗风,又能防雷

  雪域神舟”号针对大风沙采取的措施,柴油机空气滤清系统采用四层钢丝网、旋风式空气滤清器、纸质滤芯组成的三级空气滤清系统。

  为了防雷,机车的车体与转向架侧梁、转向架侧梁与轴箱端盖之间用电缆连接,车轴端部设置接地电刷,以确保将机车车体在可能受到雷击的时候,迅速将电流引入地下,以保证行车的安全。

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  编辑| 史文慧

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