青藏线高原机车研制

青藏铁路DF8B机车（雪域神舟）研发回顾

一.青藏线高原机车总体技术条件编制

早在青藏铁路二期（格拉段）开工前，铁道部科研计划就安排了高原机车的科研攻关项目，根据2001年铁道部科技研究开发计划，由铁科院牵头与设计院、机车制造工厂、铁路局等相关单位协作，经过高原实地调研、牵引模拟计算及综合技术研究，于2001年10月完成了《青藏铁路（格拉段）机车车辆总体技术条件》的编制工作，为高原机车的研制确定了总体技术要求。

总体技术条件确定格拉段（海拔2800～5100m）的列车牵引采用专用内燃机车，并根据运输需求、环境条件、线路状况、运行速度、轴重等提出了机车总体技术要求：轴重限值为23t；客、货运最高运行速度分别为120km/h和100km/h；机车的牵引、制动性能应满足20‰长达100km的长大坡道运行要求；列车牵引性能满足16辆编组客车、2000t货运要求，海拔5100m处牵引总功率（轮周）不得低于4400kW，动力制动总功率（轮周）不得低于4300kW；机车柴油机功率应能随海拔高度的变化自动修正，海拔5100m处柴油机装车功率不得低于2700kW，增压器处于高效区，不出现超速、超温和喘振现象；油箱容积满足格拉段运行中途不加油的规定；机车电机、电器的绝缘性、冲击耐受电压、散热性能、开关电器的通断能力等满足高海拔运行要求。此外机车应具有特殊的防雷电措施，具有良好的防寒、保温、预热和安全防护能力，司机室应有良好的密封性在柴油机不工作时可正常保温，并设氧气面罩供氧等设施。

高原机车研制的科研攻关

总体技术条件的制订为高原机车研制设定了顶层技术指标参数，为保证高原机车的可靠性，青藏线高原机车以在既有线大提速中大批成功运营的DF11、DF8B技术为基础，针对青藏线高海拔和恶劣气候的特点进行高原内燃机车总体方案设计制造，在确保可靠性的前提下兼顾先进性，首先开展货运机车研制。戚墅堰机车车辆厂承担了高原机车的研制任务，并于2002年10月完成了2台高原货运机车样车（DF8B9001、9002号）制造。

根据高海拔、低气压对柴油机功率的影响分析，样车首先在柴油机功率的高原性能方面进行了大量的理论计算和分析研究，确认了16V280ZJA柴油机可以满足青藏线格拉段运营的技术要求，重点是对运行区间海拔落差和温差大的条件下的柴油机增压器配套方案进行计算分析，提出柴油机功率高原修正的方案，既要保证在高海拔的增压性能，提高柴油机的高原功率，又要避免机车在青藏线运行过程中海拔高差和环境温差变化大发生喘振现象。通过大量计算分析，最终选用了ABB公司TPL61-30A增压器，并制定了高原配套的两个方案，完成了柴油机与TPL61-30A的配套及性能优化，确保满足技术条件要求，在海拔2800m处柴油机装车功率可达3400kW，在海拔5100m处，柴油机装车功率可达2700kW，满足技术条件中双机重联牵引时轮周总功率不得低于4400kW的设计要求。此外，机车首次增设了海拔高度仪，根据实测海拔高度，通过微机控制对柴油机功率随海拔高度自动修正，使机车在不同海拔运行时柴油机充分发挥其最大功率，达到机车在全线运行时柴油机发挥最佳状况。

为应对高海拔、空气密度低对冷却系统的不利影响，样车采用了全封闭的加压冷却系统，确保在最高海拔5100m的条件下水系统内压力不低于1个大气压，冷却水的沸点不低于100℃，确保柴油机所需的冷却能力。样车采用了螺杆泵、单元制动器和粉末冶金闸瓦，并提高了两级制动的电阻制动装置的能力，使列车在20‰这样的长大坡道运行时能够以电阻制动为主，空气制动为辅调速运行，极大地提高了机车的制动性能和可靠性。高原机车采用了承载式燃油箱结构，在加大油箱容量的同时，提高了车体的刚度，同时确保轴重满足技术条件规定的23t限值。此外在应对高原紫外线强、风沙及风雪大、雷电多等特点以及低温启动等需求采取了相应的措施。

当时国内外尚无适用于海拔3000m以上的机车电气标准，为解决高原特殊环境对机车牵引电机和电器性能的影响，我国最大的机车电机、电器部件制造单位永济电机厂在昆明高原电气研究所的配合下，借用我国唯一的高原实验室进行了大量模拟试验，开展了电机、电器等产品的高原性能试验，分别在海拔300米（永济）、1928米（昆明），和试验室模拟3500米、5000米进行电机、电器试验，完成了电气绝缘性能（电机与电器共性问题）、电机绕组温升和电器电弧分断三个方面的研究实验。掌握了低气压、低温对电器的灭弧性能、电工材料的绝缘性能的影响，低气压、严寒对电机可靠性的影响等规律，并以此为依据进行了高原主发电机、牵引电机和机车电器部件的设计，在高原机车电机、电器的研制中采用了大量的新材料、新结构、新技术和新工艺，完成了高原型JF204G主发电机、ZD125牵引电机及电器的研制，这些产品均通过了昆明高原所环境检测和铁道部科学研究院的部件型式试验，产品的所有性能指标达到了产品设计任务书的要求，满足装车应用。研究项目组还据此完成了我国机械行业标准JB/T10922--2008《高原铁路机车用旋转电机技术要求》，弥补了我国在这方面标准的缺陷，并且获得了15项国家专利。

三.机车样车的青藏线高原试验及应用

2002年10月，2台高原货运机车样车（DF8B9001、9002号）完成了制造，取名“雪域神舟”。

鉴于世界上出来没有开展过如此高海拔的大功率机车检测，为科学地评价高原内燃机车的综合性能，铁科院开展了机车在青藏高原特殊环境条件下的试验方法和试验大纲的研究工作，尤其是对受海拔高度变化影响比较大的牵引热工性能试验做了大量的分析、论证工作，确保高原试验的科学性。

2003年1月，在青藏线修建到望昆附近时，利用冬季施工间隙，研究团队就在格尔木到望昆间（海拔高度4576m）开展了样车冬季试验；随着线路的修建进展，8月又在格尔木到不冻泉间完成了样车的高原综合性能试验，在世界上首次取得了大功率内燃机车高原综合性能的实测数据，得出了高原机车功率、制动、冷却、电器装置等性能参数随海拔、温度等外界环境变化的规律。

2003年1月，机车在望昆高原试验。

2003年8月，机车在玉珠峰高原试验。

根据铁道部产品质量监督检查中心机车车辆检验站《检验 告》，DF8B高原机车“分别在格尔木（海拔2828m）和不冻泉（海拔4611m）对不同柴油机转速工况的性能进行了试验。试验时，格尔木大气温度为21.4℃，大气压力为72.4 kPa；不冻泉大气温度为8.8℃，大气压力为58.4 kPa。”不冻泉试验柴油机功率为2913kW。“自动点火、熄火功能均正常。”“蓄电池分别在满容量和甩掉一组两种工况下都能顺利起动柴油机。”“在海拔高度4500m处，柴油机转速为1000r/min时，换算至半磨耗状态的最大起动牵引力为446.5 kN（设计值为442 kN）。”“主发电机温升：励磁绕组81.3℃（标准限值：160℃）、电枢绕组150.7℃（标准限值：180℃）；牵引电机温升：励磁绕组145.8℃（标准限值：180℃）、电枢绕组112.8℃（标准限值：160℃）。”DF8B高原机车在不冻泉（海拔4611米）试验柴油机功率为2913kW，根据试验得出的海拔变化功率规律换算到青藏线最高海拔5072米，柴油机功率为2750kW，达到设计要求，若对燃烧性能以及微机控制进行优化调整，还可以进一步提高。

这是在世界上首次完成了大功率内燃机车的高原综合性能试验，取得了高海拔内燃机车功率等热工参数，以及海拔、温度变化对柴油机功率及电机、电器性能等影响的规律。

试验也暴露出一些我们对高原条件下冷却计算边界参数的认识不足， 告中热工性能试验结论第6条，“在格尔木（海拔2828m）、大气温度为22.7℃、柴油机功率为3352kW的条件下进行试验，柴油机的出口油温上升的比较快，在达到92℃（限值88℃）时试验终止。说明柴油机的低温冷却能力明显不足。”针对低温水系冷却能力不足问题，戚厂进行了改进设计，鉴于机车总体冷却能力充裕，只是将高低温水冷却单节数量进行了调整，“针对冷却装置高、低温侧散热不匹配，改变冷却装置集流管结构，将其中8只双流道散热器全部并入低温系统”。调整后再次进行了自负荷试验，试验结果表明，在功率比原先试验提升的情况下，油温满足设计要求，该问题得到彻底解决，并在后来的试验和应用考核中得到验证。

2台样车在试验后在青藏线建设物质的运输中应用，双机牵引2000～2400t，完全能够满足青藏线运输的需求，其高原大功率的牵引性能和可靠性得到青藏公司和建设单位的一致肯定。在青藏线开通投入运营后，为满足运输要求，2006年戚厂在2台高原样车技术的基础上又生产了10台高原机车(DF8B 9003～9012)，并完成了在海拔5072m的定置试验。考虑价格因素，批量生产的机车未采用从ABB进口的增压器，这些车在投入青藏线运输后同样满足了运营的需要。

由此可见，DF8B高原机车样车（雪域神舟）研制达到科研计划预定的设计要求，符合“青藏铁路机车车辆总体技术条件”规定，完全可以满足青藏线运输要求。

DF8B高原机车样车随后就投入到青藏线建设的运输中，完成17万公里应用考核后，中铁一局青藏铁路铺架工程项目经理部在样车对其给予很大的好评，称之“为青藏铁路建设作出了较大的贡献”。

鉴定专家组对DF8B高原机车（雪域神舟）样车给出了鉴定意见：“通过青藏线30万公里的实际运行考核表明：DF8B型青藏线高原内燃机车的设计是可行的，该机车设计性能优良、质量稳定，它的研制成功不仅填补了我国高原内燃机车的空白，也是世界上内燃机车在海拔5000m以上运用的首创。”

四 .结束语

DF8B(9001、9002)高原内燃机车（雪域神舟）是铁道部科技计划项目，科技司组织完成了一系列科研攻关，完成了2台高原样车的研制和高原综合试验，在世界上首次获取了大功率内燃机车的高原性能规律。研制的样车在青藏线的高原试验表明，DF8B型机车完全可以满足青藏线运输的需求。青藏线开通后最终没有采用DF8B高原机车不是技术原因所导致。

机车柴油机海拔功率修正系数并不是评价优劣的指标，青藏线机车车辆技术条件编制时，要求5072m海拔的功率必须达到2700kW，是考虑到故障状态下单机能够满足继续牵引列车运行，不需要救援。而青藏线机车牵引功率最困难区段是在20‰的坡道上，尤其是南山口到昆仑山隧道前近百公里持续的长大坡道，此时海拔并不是最高，但牵引功率要求尽可能高。为此，DF8B根据牵引需要对柴油机燃烧控制进行设计，在满足最高海拔5072m时2700kW的同时，尽可能提高全线运营的牵引功率需求。试验的实测数据，DF8B在不冻泉（海拔4611m，大气温度8.8℃）的功率为2913kW，而引进的NJ2机车在玉珠峰（海拔4100m，大气温度－11.8℃）的实测功率仅为2908kW，而两者试验点海拔相差500m。按照机车以2900kW的功率牵引运行，DF8B可以覆盖格拉段60%（约700km）的区段，而NJ2仅能覆盖格拉段不到20%（约200km）的区段。两者在最高海拔的功率相当，相比之下DF8B高原样车的牵引性能在青藏线更具有优势。

由于世界上没有在这样高的海拔上运营的大功率内燃机车，缺乏相关的标准，也无可以借鉴的经验，DF8B机车试验初期尚未优化的检测结果暴露出一些设计误差，如低温系统冷却能力欠缺，个别部件的制造存在质量问题，如主机油泵后大端板漏油，这些都不是根本性问题，通过改进得以消除，并在后来的10台批量生产机车的应用中得到验证，不能因为要引进机车就将这些问题作为否定DF8B高原样车的依据，NJ2机车引进初期的故障远远高于DF8B样车，客观地分析试验实测数据是得出科学正确结论的依据。

2021.06.21

参考文献

李海燕，杨欣，青藏铁路牵引动力功率等级的计算分析，青藏铁路学术研讨会论文集，2001年7月。

黄问盈，杨宁清，黄民，青藏高原铁路机车轮周功率的探讨，青藏铁路学术研讨会论文集，2001年7月。

李海燕，杨欣，青藏铁路（格拉段）机车总体技术条件的研究，《铁道机车车辆》2002增刊。

李海燕，孟葳，肖锦龙，青藏铁路用机车牵引热工性能试验方法的探讨，《铁道机车车辆》2002增刊。

许人华，沈永平，杨鑫，“雪域神舟”号青藏高原内燃机车的研制，中国铁路，2003年10月。

潘翼龙，16V280柴油机青藏线功率修正方案，《铁道机车车辆》2002增刊。

史成良，青藏铁路机车柴油机面临的主要问题，《铁道机车车辆》2002增刊。

吴兆平，夏智峰，姬惠纲，祖利敏，张亚斌，高原环境电气模拟试验，《铁道机车车辆》2002增刊。

于凤举，青藏铁路机车用电机电器应采取的一些特殊措施，《铁道机车车辆》2002增刊。

铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站，高原试验原型机车（DF8B9002号），检验 告（2004.JL字第W-335号）2004年3月20日。

铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站，NJ2型内燃机车（0001～0003号），检验 告（2006.JL字第W-428号）2007年3月。

青藏铁路机车车辆综合试验的前期研究，铁道科学研究院研究 告，（院总编号：TY字第1917号），2005年1月。

青藏铁路引进交流传动内燃机车相关试验研究，铁道科学研究院研究 告，（院总编号：TY字第2112号），2006年4月。

青藏铁路引进交流传动内燃机车综合性能试验，铁道科学研究院研究 告，（院总编号：TY字第2385号），2008年4月。

DF8B型青藏线高原内燃机车，科学技术成果鉴定证书，南车技审字【2007】第019号

青藏铁路（6） 中国铁道出版社 2016年