我國機車牽引動力發展史及未來趨勢研究[J].傳動技術, 2022, 36(4):43-48.
0 前言
機車是鐵路運輸的牽引動力，機車的基本構造、功率等級、科技含量和性能特征，代表著鐵路現代化的水平。世界鐵路機車裝備的發展和進步，遵循同一個規律，即先有蒸汽機車，然后相繼制造出內燃和電力機車。蒸汽、內燃和電力機車的出現，代表著不同時期的科學技術發展和工業制造水平。
1 我國內燃機車及發展
內燃機車是以內燃機為動力源的機車，由于機車需要產生的功率較大，所以絕大多數的內燃機車采用的動力源是柴油機。從動力源（柴油機）發出的功率變成為能夠牽引列車的牽引力，中間須有一個傳動裝置。當今世界內燃機車的傳動裝置基本有三種類型，即機械傳動、電傳動和液力傳動。機械傳動方式弊端較多，20世紀70年代以后逐步被淘汰。電傳動方式又分為直－直傳動方式、交－直傳動方式和交－直－交傳動方式三種。
液力傳動方式是用一套液力傳動裝置，將柴油機產生的功率分別傳至每個動輪車軸上的齒輪，以驅動動輪滾動。液力傳動裝置中最重要的元件是液力變扭器，是個箱形裝置，里面充滿工作油，當柴油機高速旋轉時，帶動液力變扭器里的泵輪葉片旋轉，使工作油得到高壓、高速能量，再傳送給與機車動輪相連接的渦輪，產生牽引功率。
在機車內燃化的初期，鐵道部發展內燃機車的技術政策是“電傳動與液力傳動并舉”。因此，國內各工廠在開發電傳機車的同時，也進行了液力傳動內燃機車的開發研制。由于液力變扭器元件工藝水平要求較高，制造難度較大，所以國產液力傳動內燃機車功率相對較小，不適用于貨運機型。我國此前生產的液力傳動內燃機車全部是客運機車和調車機車。
液力傳動內燃機車的優點是，當機車起動和加速時增力趨勢較為平緩，有利于降低列車的沖擊力。因此適用于牽引旅客列車。我國發展的東方紅1型、東方紅3型和北京型等液力傳動內燃機車都是客運機車。我國從德國引進的ＮＹ5型、ＮＹ6型、ＮＹ7型內燃機車都是客、貨運兩用機車，但在我國均被安排擔當客運任務。我國生產的東方紅2型、東方紅5型都屬于定型的調車小運轉機車。
液力傳動內燃機車的缺點是液力變扭器設計、制造工藝水平要求較高，制造和維修難度較大。特別是高速柴油機和較大功率的變扭器，制造和維修困難更大。這對于我國鐵路運輸形勢的適應性值得研究。
2 我國電力機車及發展
電力機車是以外部電源、電力驅動的機車。1842年，蘇格蘭人戴維森制成了用電池供電的電力機車，但技術不過關，未用于實際的牽引列車。1879年，德國人西門子成功制造出實際意義上的電力機車，標志著電力機車的誕生。電力牽引的完整系統，包括外部電源、牽引變電所、接觸網及其支撐構件、電力機車等。
外部電源經變壓后將電能送至接觸網，電力機車的受電弓將接觸網上的電能吸收到機車上，通過控制電路送至牽引電動機，牽引電動機的轉矩驅動機車動輪，產生牽引功率。
接觸網的電流制有直流和交流兩種。電力機車的傳動方式因電流制的不同而分為三種。直一直傳動電力機車采用直流制供電方式。牽引變電所的整流裝置將外部電源的三相交流電變成直流電后送到接觸網上，機車從接觸網接收直流電流并供給直流串勵牽引電動機。這種制式缺點較多，一是接觸網電壓較低，接觸網導線要求相對較粗，消耗有色金屬較多；二是長距離直流輸電，電熱消耗大，效率低下。這種制式出現于電氣化鐵路的前期，蘇聯和東歐些國家在20世紀50～70年代曾采用這種制式，后來逐步改造成交流供電方式。
交一直傳動電力機車采用交流制供電方式。牽引變電所將外部電源的三相高壓電流改變成25ｋＶ工業頻率的單相交流電后送到接觸網上，由機車上的受電弓將接觸網上的交流電接收后通過主變壓器變成直流電，然后將直流電流送到直流牽引電動機產生牽引功率。此種制式由于提高了接觸網的電壓，電熱耗損下降，導線直徑相對較小，可以減少投資和電熱消耗。世界多數國家（包括我國）基本都采用這種制式。
交一直一交傳動電力機車采用的是無整流子的交流牽引電動機，具有牽引性能優異、可靠性高、節能效益好、全壽命、低成本等優點。我國和諧系列大功率交流傳動電力機車采用的就是這種先進技術。
3 機車牽引動力發展史
3．1 機車內燃化、電力化
20世紀70年代，我國開發生產的人民型（客運）、前進型（貨運）蒸汽機車在功率等級和運用性能等方面均達到了蒸汽機車的世界級水平。但是蒸汽機車在構造和運用適應性方面的缺陷，注定擔負不了國家建設時期賦予鐵路的運輸任務。因此，我國不失時機地開始發展內燃、電力機車，以性能更加優越的內燃機車、電力機車牽引取代蒸汽機車，是中國鐵路發展的必經之路。
在機車內燃化、電力化的進程中。鐵道部工業管理部門和各機車工廠做出了極大的努力，研發出一系列內燃、電力機車，基本上滿足了運輸的需要，為國家經濟社會的發展作出了貢獻。但是機車內燃化、電力化的道路并不平順，作為正在延續的牽引動力改革，客觀認真地總結經驗教訓，無疑是有益和必要的。
中國牽引動力改革啟動時間并不算晚，但完成時間與其他國家相比滯后很多，其原因比較復雜，有客觀方面的，也有主觀方面的。客觀方面的原因是整個國家工業基礎落后、底子薄、起點低、從無到有、白手起家，因此我國機車設計水平和制造能力相對較低，所開發出來的樣車因故障較多而不能長時間正常投入運用，也不能及時地投入批量生產。1958年研制成功的巨龍型內燃機車，直到1964年才定型為東風型投入運營，成熟期長達7年。1985年成功制成東風4Ｂ型時，質量才算穩定。1984年研制成功的東風8型內燃機車，投入運營后故障較多，經過不斷改造，直到1995年定型為東風8Ｂ型內燃機車以后才正常投入運營，成熟期長達11年。1958年研制成功的6Ｙ1型電力機車，先后經過三次較大規模的技術改造，1980定型為韶山1型電力機車，成熟期長達22年。其他型號的內燃機車、電力機車也都有不同程度的成熟期。由此可知，每開發一種新型機車，都需要頻繁的技術改造和數年不等的成熟期，必然導致內燃化、電力化時間的延長。
主觀方面的原因如下：主要表現于發展政策的保守和技術政策的封閉。在機車的設計理念和制造工藝水平等方面我國與發達國家相比存在著不小的差距。例如，1984—1986年從美國進口的ＮＤ5型內燃機車，不論在可靠性或牽引、運用性能方面，都優于當時的國產內燃機車。
3．2 內燃機車、電力機車型號繁多
（1）早在2004年以前，我國的機車制造業已經形成了“大而全”和“小而全”的布局，不可能做到專業化生產、規模化經營的機制，也很難實現裝備水平和工業水平的快速提升。
（2）由于沒有做到“四化”（標準化、系列化、模塊化、信息化），同一型號的機車在不同工廠生產，差別很大，使部件不能通用，不能互換。
（3）由于制造質量問題較多，機車不斷進行改造，延長了定型和使用的時間。
（4）由于機型不簡統，造成配件繁雜，工裝多樣，機車運用、檢修負擔加重，成本加大。
（5）由于制式太多，給人員培訓帶來困難，對安全帶來隱患。
為什么在牽引動力改革中，內燃機車、電力機車的型號如此繁多，主要原因是所屬機車工廠較多，每個工廠都要為創造自己的品牌產品而求得生存。在這種情況下，如果工廠管理部門能夠建立起發展內燃、電力機車的系列產品目錄和每種機車的制造標準，組織相關工廠分工承擔生產任務，機型繁多的情況有可能減輕。機型繁多深層次的原因可能與鐵路機車工業的體制有關。1998年以前，中國鐵路機車車輛工業總公司及其所屬工廠均為鐵道部的下屬機構，機車車輛產品屬于自產自用，包產包銷，很難形成剛性的市場機制。在此期間，工業部門在開發新型機車時，也曾征求使用部門的意見，但不是市場制約關系。更為重要的是，不斷增長的運輸任務急需大量的內燃、電力機車，即便這些機車的性能和功率等級不夠理想，運輸部門還是不得不接受這個現實。
3．3 電力機車發展速度緩慢
電力機車發展緩慢是因為電氣化鐵路建設的滯后。牽引動力改革初期，國家經濟實力不夠雄厚，加之大慶油田大規模開采石油的影響，致使國家修建電氣化鐵路的積極性不高。1965年，鐵道部曾提出，牽引動力改革需要裁員“內燃、電力并舉，以內燃為主”的方針，說明了當時鐵道部對發展電氣化鐵路的態度。電力牽引優勢的發揮使運輸管理人員產生出另一種傾向，即片面地突出了電力機車爬坡能力較好，適應山區鐵路的特點。
其實，電力牽引先上山區或先上平原，本不應該成為爭論的課題，應當根據路網運輸的需要作出規劃和安排。實際上，這些爭論延誤了鐵路電氣化的時機。對于一條具體的線路，電力牽引與內燃牽引相比，運輸能力將由許多因素決定，其中最主要的是牽引動力，因為電力機車功率大、性能優越是最大的優勢。關于設備檢修對通過能力的影響，對于電氣化大運量通道，除了接觸網以外，還有線路、（包括大型養路機械作業）、橋梁、通信、信號等，現代化管理會將這些檢修作業適當安排，制定一個統一的檢修天窗，把影響通過能力的因素控制在最小的范圍。目前，電力牽引得到了充分發展，電力機車的功率和現代化水平不斷提升。
4 交流傳動機車的研制
交流傳動技術包括交－直－交傳動和交一交傳動（沒有中間直流環節的直接變頻的交流傳動）技術；目前世界上廣泛采用的是交－直－交傳動技術，所以目前所稱交流傳動即為交－直－交傳動。交流傳動機車包括交流傳動電力機車和交傳動內燃機車，近代動車組的動力車也基本上采用交－直－交傳動方式。
4．1 交流傳動的控制技術
交流傳動的核心技術是逆變裝置及其控制系統。逆變裝置是以晶閘管為核心，形成對電力處理的電力電子技術。它的成品器件包括ＧＴＯ、ＧＴＲ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ等。
（1）ＧＴＯ是晶閘管（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ－Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）的英文縮寫。它是一種高電壓、大電流雙極型、全控型器件，與普通晶閘管的最大區別是可以通過向門極施加負脈沖電流進行關斷。開發ＧＴＯ的主要目標是提高最大可關斷電流，縮短關斷電流時間。
（2）ＧＴＲ是巨型晶體管（Ｇｉａｎｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）的英文縮寫。它是雙極型全控器件，經歷了雙極晶體管（ＢＪＴ），達林頓管和ＧＴＲ模塊等發展階段。ＧＴＲ模塊是將ＧＴＲ管芯、續流二極管管芯以及輔助元件組裝成一個功能單元，然后根據不同用途將幾個單元組裝在塑料樹脂殼內。
（3）ＩＧＢＴ是絕緣柵雙極晶體管（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）的英文縮寫。它是構成逆變器的一種電力半導體開關器件，它可以阻斷高的反向電壓，是一種電壓驅動型開關器件，很小的驅動功率可使器件導通，并維持很低的通態電阻，因此提高了開關頻率，由此減小輸出波形畸變，并降低噪聲。
（4）ＩＧＣＴ是集成式門集換流晶體管（Ｉｎｔｅｇｒａｔ－ｅｄＧａｔｅＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＴｈｙｒｉｓｔｏｒ）的英文縮寫。它是最近幾年由ＡＢＢ公司研制的一種新型電力半導體器件，它集ＧＴＯ和ＩＧＢＴ兩種器件的優勢于一身，并克服了ＧＴＯ和ＩＧＢＴ兩種器件的缺點，其內部還包括了使功率器件能可靠工作的電路，易于在中等電壓環境中使用。這種器件是將上千個功率開關單元集成在一個改進的ＧＴＯ晶閘管中，而各單元又可快速同時開關。此外，它還保留了晶閘管所固有的低通態和斷態損耗這一特性。
以上四種器件的使用經歷和發展階段。ＩＧＢＴ兼有場效晶體管（ＭOＳＦＥＴ）的快速響應，高輸入阻抗和ＧＴＲ的低通態壓降、高電流密度的特性，是一種新型低功率驅動的大功率器件，所以至今仍被世界廣泛采用。目前ＩＧＣＴ開始進入實用階段。ＩＧＣＴ器件既具有ＩＧＢＴ器件的開關特性，同時又具有器件的導通特性，而且相對于ＧＴＯ和ＩＧＢＴ制造成本較低。正因為具備這些優點，預計今后ＩＧＣＴ會在更多的工業和牽引領域中發揮其作用。
4．2 機車交流傳動技術制式的選擇
（1）主電路形式。交流傳動機車主電路主要有電壓型和電流型兩種制式，我國選擇的是電壓型制式。
（2）牽引電動機。牽引電動機主要有同步電機和異步電機兩種，我國將采用感應式異步牽引電動機，由此帶來以下優點：
ａ）異步牽引電動機沒有換向器和電刷，轉速可大幅度提高。在相同的安裝條件下，比直流牽引電動機具有更大的功率和牽引力。ｂ）異步牽引電動機結構簡單，故障率低、維修方便，大修間的走行公里可明顯延長。ｃ）異步牽引電動機的轉矩－轉速特性，配合先進的控制技術，可使輪軌間黏著系數的利用顯著提高。ｄ）機車總效率高，適用性強，既可滿足貨運較大的起動牽引力，又可在客運機車上充分發揮功率。ｅ）電機質量輕，機車曲線通過時具有較好的動力學性能。
（3）牽引電動機驅動控制方式由一臺逆變器向一臺牽引電動機供電，并由一臺微機進行實時控制的單電機獨立驅動控制稱作“軸控方式”；由一臺逆變器驅動三臺牽引電動機的稱作“架控方式”。軸控方式比架控方式具有更多的優點，我國機車采用的是軸控方式。
（4）系統控制技術。異步電動機控制策略有三個過程：轉差電流控制、磁場定向控制、直接轉矩控制。
最新的直接轉矩控制基于定子磁場方向，數學模型簡單，具有更優良的動、靜態性能，對于提高整個機車的牽引、制動性能優勢明顯。
4．3 交流傳動機車的優點
機車交－直－交傳動是機車技術發展史上的一個里程碑，它是以高科技控制手段實現牽引電動機的交流制式工作。與傳統的交－直傳動相比，具有許多優點：
（1）由于采用了異步交流電動機，取消了所有直流開關裝置部件（用于制動、牽引和換向的接觸器）連同相關的配置和控制相互聯鎖的電器，而這些被取消的部件正是存在可靠性差和維修頻率高的弊端。
（2）可以減少電動機的維修和延長機車維修間隔。交流牽引電動機由于沒有電刷和換向器以及不需要電樞的耐高壓檢驗，因此比直流電動機更可靠，幾乎不需要維修。
（3）可提高有效的黏著，利用黏著條件和改善黏著控制。通過改善黏著和防止打滑特性而得到更高的輪周牽引力，可為每個動軸提供更大的功率，從而較容易地研制大功率機車。
（4）可擴大動力制動速度范圍和盡可能提高動力制動力等級。這樣可以減少空氣制動機的使用，這對于牽引重載列車實行周期制動的區段，可大大提高安全運行的可靠性。
（5）可在相同功率等級的條件下減輕電動機的質量和減小尺寸（提高功率密度）。從機車生產（成本／效益）的觀點看，以上優點中最突出的是有效黏著利用的提高和功率密度的提高，使轉向架上可裝用更大功率的牽引電動機。
4．4 交流傳動電力機車的研制
交流傳動電力機車是指由交流電網供電，由整流器整流成直流電，再逆變成可以變頻的交流電流送給交流牽引電動機，驅動機車動輪產生機車牽引力。
20世紀90年代開始，世界發達國家已停止生產整流器式（即交－直傳動）電力機車，只生產交－直－交傳動電力機車。基于前述的交流傳動的諸多優點，我國今后研制的電力機車和電動車組，也應該緊跟世界技術發展的形勢，以交－直－交傳動的電力機車和動車組為發展方向。
5 和諧型機車及其技術優勢
和諧型機車是近年來重點發展的機車車型，在功率等級、科技含量、運用性能和效率環保等方面都達到了當今世界一流的水平，其先進性和技術優勢主要表現在如下方面：
（1）采用當今世界上最先進的交－直－交傳動方式。由于在相同功率條件下交流電動機的體積小于直流電動機較多，因此，可在相同轉向架結構條件下裝用更大的牽引電動機，從而提高機車的持續功率。交流電動機取消了所有直流開關裝置部件，而這些被取消的部件存在可靠性差和維修頻率高的弊端，因此，和諧型機車是故障率較低、可靠性相對較好的機車。
（2）機車部件采用成熟的技術和標準化、模塊化設計，造就了優良的機車性能。
（3）采用分布式微機網絡結構，實現了邏輯控制和自診斷功能。
（4）機車牽引傳動控制（包括限流控制、逆變控制和防空轉／防滑行控制、安全保護）實行獨立控制方式。
（5）機車采用ＩＧＢＴ逆變技術，單軸功率可達到1200ｋＷ～1600ｋＷ。
（6）采用滾動抱軸式電機懸掛、異步牽引電動機，機車具有高黏著、高安全和運行平穩性。
（7）電力機車采用再生制動系統，可顯著提高動力制動力和制動功率，同時將交通運輸業變成節能環保型。
（8）和諧系列內燃機車采用了北美鐵路協會（ＡＡＲ）的技術標準和ＧＥ、ＥＭＤ公司的內燃機車新技術，使柴油機的功率及效率得到充分發揮，電氣與主機之間的配合，以及變流系統的可靠性等，都達到了當代內燃機車的最高水平。
在研制過程中本著“高起點、高標準、造精品車”的目標，大量采用國內外成熟、先進、可靠的技術，并且采用了三維設計，極大地促進了設計質量和工藝水平的提升。
6 機車牽引動力發展趨勢研究
鐵路跨越式發展的核心是發展生產力，關鍵問題有兩個：一是能力，二是裝備。應該說，多年來，我國鐵路技術裝備進步很大，為鐵路發展，特別是為前四次大提速作出了重大貢獻。但與發達國家相比，仍存在較大差距。在高速、重載等方面，特別是核心技術的差距應該是在20年～30年。實現技術裝備四化，即標準化、系列化、模塊化、信息化。鐵路技術裝備要達到國際先進設計制造水平，必須堅持標準化、系列化、模塊化、信息化。
（1）實現標準化。技術標準是產品設計、制造和檢驗的依據，沒有先進的標準就沒有先進的產品。要提高機車車輛技術水平，必須做好兩方面的工作：第一，必須大力采用國際標準和國內外的先進標準。通過采標，使我國企業按照國際和國內外先進標準組織機車車輛產品的生產，技術上盡快達到國際先進水平。第二，建立完善的標準體系。
（2）實現系列化。既要形成符合我國鐵路實際需要的系列產品，又要運用系統論的觀點對每個產品進行系統優化，實現產品整體功能最佳。目前我國機車車輛型號既多又復雜，大部分是重復開發。就某一產品而言，又缺乏整體優化，產品的整體功能不能實現最優。發達國家鐵路機車車輛具有明顯的系列化特征，例如，日本新干線、法國ＴＧＶ、德國ＩＣＥ等，集中發展幾種主力車型．且各類車型技術經濟特征明顯。
（3）實現模塊化。優化設計，將產品部件功能特征分解成相對獨立的功能單元，做到模塊化組裝，實現換件維修。實現模塊化就能夠保證部件的互換性，有利于提高產品的可靠性，也是降低配件儲量、減少資金占用，推行修程、修制改革的一個重要條件。如電力機車變流機組做到了模塊化產品，那么同一牽引功率等級的機車，無論是客運還是貨運，都可以使用這個機組，只需要改變控制程序就可以了。
（4）實現信息化。充分運用信息技術，提高裝備的自動化和信息化水平。將控制指令、狀態檢測、故障監測等信息采用網絡技術實時傳輸給微機控制系統和顯示系統，實現鐵路技術裝備的信息化，以達到資源共享，提高運輸安全的可控性。例如，將機車車輛的狀態檢測、監測的信息及時傳送到維修管理部門和調度部門，有針對性地制定扣車的維修計劃，實現資源共享。
在較長的時間里，由于技術裝備的標準化、系列化、模塊化、信息化程度不高，還導致資源不易優化配置，結構匹配不強，科技含量不高、等級管理難度大等問題，還給運用、維修部門增加了很多負擔。
未來，鐵路裝備現代化的具體實施方案主要如下：①瞄準世界鐵路技術裝備制高點，鎖定當今國際上最先進、最成熟、最可靠的技術，進行引進、消化、吸收、再創新；②以鐵道部為主導，以國內企業為主體，以掌握核心技術為目標，實現先進技術的引進和轉讓；③利用我國鐵路巨大的市場，聯合國內外科研、設計、制造企業實現低成本引進；④在已有技術積累的基礎上，堅持原始創新、繼承創新和引進消化吸收再創新相結合，著力提高國內企業的創新能力，扶持國內民族工業發展，實現本土化生產，打造中國名牌；⑤實現我國鐵路技術裝備水平的快速提升、運輸能力的快速擴充、以適應經濟社會又好又快發展對鐵路運輸的迫切要求。
7 結論
鐵路運輸是我國重要的陸用運輸方式，機車是實現鐵路牽引的核心設備，因此針對機車開展的研究及試驗有著格外重要的意義。近年來，我國機車牽引動力的技術水平相比之前已有了大幅提升。以和諧型機車為例，其具有超大功率和優良運用性能，顯著地提升了我國機車牽引動力的現代化水平，為提高客貨運輸能力和效率效益改善了條件。
