创新之“元”——动力南车靠科技

日期:2020-02-22编辑作者:新闻动态

  科技创新引领前行动力。南车株洲电机有限公司是我国轨道交通牵引电机、牵引变压器,风力发电电机,工业特种电机之专业服务商。致力于科技创新,在轨道交通牵引电机和牵引变压器研发成果丰硕,在核心能力形成的基础上,产品自主创新平台正朝着标准化、模块化、系列化方向发展。

  按照铁道部“引进消化吸收、联合设计开发、打造中国品牌”的总体要求,2004年,公司开始作为铁道部高速动车组技术引进项目牵引电机、变压器关键技术受让方和国产化核心部件供应商,与日本三菱电机合作,负责全面引进动车组牵引电机、变压器的设计、制造技术。

  在铁道部、中国南车的正确领导组织下,在中国南车四方股份公司和日本三菱公司的大力支持下,公司圆满完成了CRH2型时速200公里动车组牵引电机、变压器技术的引进和国产化工作,并在此基础上自主创新设计,成功研制出运营时速达350公里/小时的CRH2型时速300-350公里动车组牵引电机和变压器,以及运营时速达380公里的CRH380A新一代动车组牵引电机和变压器。CRH2型时速300-350公里动车组牵引电机和变压器主要应用在京津、武广、郑西、沪宁线上,成功实现了中国高铁发展的阶段性目标。

  CRH-380A型高速动车组牵引电机和变压器是经过技术引进再创新,具有完全自主知识产权的全新产品,是中国时速300km/h第二阶段和时速380km/h新一代动车组的关键核心部件。该型电机和变压器经过在武广客运专线、郑西客运专线及沪宁线的实际运行考核,产品性能和稳定性满足于中国高速铁路的要求,在2010年9月28日沪杭高铁试运行期间,以时速416.6公里刷新了世界铁路运行速度的记录。同年12月3日在京沪先导段创造了486.1km/h的运行试验世界最高速。2011年6月30日,世界运营里程最长、建设标准最高的京沪高铁全线开通,公司新一代CRH380A型动车组牵引电机、牵引变压器运行稳定可靠,赢得了广泛的赞誉。

  CRH380A型动车组牵引电机、变压器各项指标与国际先进水平相当,部分关键技术指标优于国外同类产品,具有温升低、过载能力强的优点和长时间运行后热态下再启动及长坡道启动及运行的安全性高的特点,更加适合高速动车组的运行。

  CRH380A型牵引电机的特点是单位归算转矩重量指标(kg/Nm)g小于其他电机,这表明电机对材料和空间的利用好,设计水平较高,单位重量发挥的功率指标远大于其他品牌的电机。比如CRH380A型所用牵引电机,较之时速350公里CRH2型牵引电机,牵引系统功率提升23%,重量仅增加10%,实现轻量化,经济性能非常高。

  CRH380A型牵引变压器的额定运行容量从3060千伏安提高到3855千伏安,再提高到4357千伏安,瞬间容量达到4631千伏安。同时较好的解决了温升问题,通过大量的模拟实验,找到其发热和冷却规律,结合动车运行环境,配备合理的冷却系统降低温升,解决了温升过高易引起的报警、退出工作等问题,有效保障了变压器的性能。

  2011年12月23日,中国更高速度等级动车组下线,其核心动力——牵引电机、牵引变压器完全由公司自主研制。与之前世界最先进的CRH380A新一代高速动车组相比,该型号动车组“心脏”在安全节能与功率等级方面取得重大突破,稳定功率提升1倍,功率密度提升60%以上。

  为提高安全性,该型牵引电机、变压器整体绝缘水平达到F级,大大提高其在高电压下的安全性能;高燃点环保冷却介质的使用,不仅对环境污染为零,也大幅增强其在运营过程中的安全。试制过程中,公司引进世界上最规范的验证体系,进行世界上最严格的型式试验,各项数据指标完全符合IEC(国际电工委员会)标准,达到设计要求,是名副其实的高速动车组 “绿色心”。

  高速动车组核心动力需要在有限空间及重量下实现大功率,“南车电机”将公司在大功率机车牵引电机、变压器研制平台上积累的相关技术,成功嫁接至动车产品,使单台电机最大功率达到1000kw(列车牵引总功率可达2.28万千瓦),功率密度提升60%以上。在完全没有国外技术可以参考的条件下,公司依靠本土化的研发团队,以之前400kw等级为基础展开科技攻关,从400kw到600kw、到800kw、到850kw、直至最后的1000kw最大功率,“南车电机”科研团队以“安全”为前提,一步一个脚印,创造了世界高速动车组牵引动力领域又一座“高峰”。

  更高速度等级动车组牵引电机、变压器的研制成功,将进一步巩固“南车电机”在高速动车组牵引系统领域的领先地位;围绕该型号产品,“南车电机”也将全面构建系列化高速动车组牵引电机、变压器的设计制造平台,站在行业国际制高点,实现产品不断升级。

  在HXD1型电力机车牵引电机、牵引变压器设计平台的基础上,进行7200kW大功率六轴电力机车牵引电机、牵引变压器的研制。根据对电力机车“高速、重载、高效”的市场要求,公司联合国内科研院所和相关牵引电机、牵引变压器研究单位资源,结合公司实际情况加以创新,研制具有国际一流、国内领先水平的大功率货运机车用牵引电机、牵引变压器,对实现我国货运机车高速、安全、高效具有重要意义。产品参考德国西门子牵引电机、变压器技术,突破国内机车牵引电机、牵引变压器的设计、制造、工艺的局限性,通过计算机优化设计、有限元仿真等手段对电磁场、温度场和应力场进行分析;采用新的设计理念、新材料、新工艺等高新技术实现结构和材料的最优选用,使得牵引电机、牵引变压器具有结构紧凑,重量轻、效能高的特点,促进机车实现轻量化、高可靠性和低成本。

  在国外,德国西门子(Siemens)交通技术集团、庞巴迪(Bombardier)运输公司、法国阿尔斯通(Alstom)公司,他们从技术方面80年代已经开始完成从交直传动到交流传动的转变,变压变频交流牵引技术已经相当成熟。

  在国内,在HXD1型电力机车牵引电机、牵引变压器设计平台的基础上,进行7200kW大功率六轴电力机车牵引电机、牵引变压器的研制。根据对电力机车“高速、重载、高效”的市场要求,公司联合国内科研院所和相关牵引电机、牵引变压器研究单位资源,结合公司实际情况加以创新,研制具有国际一流、国内领先水平的大功率货运机车用牵引电机、牵引变压器。

  7200kW六轴交流传动货运电力机车牵引电机和牵引变压器可以满足铁路牵引装备功率大、速度高的要求。该车采用交流传动技术,降低了机车运行成本,可提高货运列车的运行速度和运营经济效益,适用国内铁路货运向重载、快速发展的需要。我国铁路处于快速发展时期,未来的市场十分广阔,发展六轴大功率交流传动货运电力机车将有利于推动我国轨道交通装备走向国际市场,该车型是已经成为国内铁路货运机车的主力车型。目前,上线运行近两年,未出现重大或批量质量问题,质量稳定可靠。

  火车跑得快,全靠车头带;车头跑得快,动力是关键。今后,我国选择铁路出行的旅客有望在既有线路上体验堪比动车的风驰电掣。近日,我国首台营运时速160公里、最高时速接近200公里的大功率快速客运机车在中国南车旗下南车株洲电力机车有限公司成功下线。其动力系统——牵引电机和变压器由南车株洲电机有限公司自主研发。该系统在安全性与经济性上取得重大突破,载客量大、爬坡能力强、加速度快、能够适应中国广袤地域的各种地形、气候和极端环境,与现有普客、动车、高铁客运网络密切配合互补,组成多种速度等级的客运体系,其经济效益与社会效益十分显著。

  中国南车电机公司通过自主创新和技术攻关,首次在客运电力机车使用大功率交流传动技术,攻克了电磁场分析、机械应力场分析等技术瓶颈,解决了空间尺寸限制等难题,单位容量、重量等关键指标达到国际领先。使得输出功率大幅提高,单车额定功率可达7200kw,以160公里的稳定运营时速,拖动20节车厢,载客3000人,爬山涉水、如履平川;最高接近200公里,直追动车;加速度大幅提高,实现快速爬坡、转弯;新材料、新工艺等的应用实现结构的最优配置,该牵引系统能够在风、雨、雷电,零下40℃至40℃区间等恶劣气候条件以及山区、高原等复杂条件下安全运营,既可快速穿越崇山峻岭,亦可奔驰在平原大地。

  动车线路具有投资较大、对地形要求严格等特点,而普通客运机车具有速度又无法满足旅客快速出行的需求。快速客运机车在普通线路上实现大规模运营(单列载客量达到3000人以上),有效弥补市场空挡。其先期投入与运营费用则比动车大幅下降,对满足中低收入群体快速出行,变压器的组成缩小东西差距,意义重大。“快客动力”以其创新技术、高性价比与高适应性,打破国外技术垄断,走向国际市场后劲十足,前景广阔。

  检测试验站由电机型式试验站、变压器型式试验站、基础实验研究室三大业务板块组成。其中,电机型式试验站固定资产投资约5000万元,设备投资4000余万元,建筑面积3400平方米,专业从事轨道交流牵引电机、永磁同步风力发电机、双馈风力发电机、异步风力发电机、交流异步电机(包括变频电机、高压电机等)型式试验、研究性试验、认证试验及授权检验等工作,具有目前国内规模最大的风力发电机试验能力和变频电机试验能力;变压器型式试验站固定资产投资约3000万元,最大容量15000kVA,专业从事牵引变压器、互感器、电抗器型式试验等工作;基础实验研究室总投资4300万元,总建筑面积6681.5 m2。可以完成牵引电机模态测试、永磁体材料振动及高温失效试验、硅钢片磁性能研究试验、牵引电机转子导条热态综合性能测试、牵引变压器谐振试验、二次绕组最大过电压试验等项目。

  检测试验站现有由博士、硕士和试验技术专家等近30人的检测试验技术团队,具有完善的科研和质量管理体系。2010年以来,检测试验站先后与ABB、CONVERTEAM、株洲国家变流中心等国内外之名企业建立了良好的合作关系,依靠检测技术、控制技术等的强大优势,成功完成了3.2MW半直驱永磁风力发电机满功率型式试验等大型项目,得到了国内外电机、变流器制造厂家的一致好评。南车株洲电机有限公司从中国合格评定国家认可委员会捧回国家实验室认可证书,“南车电机”检测试验站一举跻身国家级实验室行列。这标志着公司检测试验能力达到同行业最高水平,作为确保高速动车组、大功率机车牵引系统性能、质量的“坚强后盾”,相关检测服务获得世界范围承认。

  跻身国家实验室,使得“南车电机”检测试验站正式具备了按国际认可准则开展检测服务的技术能力,检测试验站在认可范围内出具的检测数据及试验报告可以得到美国、日本、印度、土耳其、新加坡等70多个国家和地区机构承认,是一张名副其实的 “国际通行证”。

  中国合格评定国家认可委员会经国家认证认可监督管理委员会批准设立并授权,是目前唯一一家有资格颁发国家实验室认可资质的机构。“南车电机”作为铁道部唯一一家和谐型大功率电力机车及高速动车组配套电机、变压器两大关键部件的国产化核心部件供应商,其跻身“国家梯队”的检测试验站,将继续秉承 “科学、准确、严谨、高效”的质量方针,扎实推进资料管理、设备管理、现场管理、试验管理等各项管理工作,全面提升试验技术水平和管理水平,从研发、制造,全方位、立体化把好高速动车组、大功率机车牵引系统质量关。

  2011年,全面开展了土耳其轻轨地铁、重庆地铁6号线号线公里地铁车辆等多个新项目的牵引电机研制。同时,在时间短、任务重的条件下,突破性的完成了中低速磁悬浮列车用直线电机和电磁铁产品的研制,充分体现了南车电机的自主创新能力和快速反应能力。

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