曾一鳴
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所,北京 100081)
近幾年,具有連續(xù)長(zhǎng)大坡道的新修建線路開始出現(xiàn),坡道坡度最大達(dá)到25‰,如蘭新線、寶蘭線、西成線等;另外,京張線、大西線存在30‰大坡道。針對(duì)國(guó)內(nèi)高鐵長(zhǎng)大坡道現(xiàn)狀,目前在用車型均存在動(dòng)力損失、坡道啟動(dòng)困難、坡道運(yùn)行平衡速度低以及因制動(dòng)容量受限車輛限速等情況,需在既有高鐵系統(tǒng)基礎(chǔ)上研究適應(yīng)于長(zhǎng)大坡道的動(dòng)車組,以滿足運(yùn)營(yíng)需求。文中基于我國(guó)既有動(dòng)車組,研究適應(yīng)西成客專大坡道的動(dòng)車組技術(shù)方案。
西成客專全長(zhǎng)約657 km,設(shè)計(jì)速度250 km/h,車站27 個(gè)(含線路所和預(yù)留站),電分相28 處。困難區(qū)段有2 處,其中最困難區(qū)段為下行方向區(qū)間長(zhǎng)度約45.05 km 的25‰ 長(zhǎng)大連續(xù)坡道(K49+141—K94+191),坡道中心位置K72 處有長(zhǎng)度約193 m的分相,如圖1 所示。
圖1 西成客專線路
針對(duì)動(dòng)車組大坡道運(yùn)用,前期開展了大量仿真計(jì)算。計(jì)算車型包括250、350 km/h 共9 種車型,仿真計(jì)算結(jié)果如下:
(1)制動(dòng)能力滿足要求[2]:
各型動(dòng)車組電制動(dòng)調(diào)速以250 km/h 下坡均滿足要求。
各型動(dòng)車組純空氣制動(dòng)調(diào)速以不大于200 km/h下坡均滿足要求。
(2)牽引能力不足[3]:
250 km/h 動(dòng)車組:全動(dòng)力可坡起但平衡速度低于150 km/h;50%動(dòng)力無(wú)法坡起和過分相。
350 km/h 動(dòng)車組:全動(dòng)力可坡起、平衡速度約200 km/h;50% 動(dòng)力僅部分大功率動(dòng)車組能夠坡起,但計(jì)算闖坡運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)(約35、37 min),存在電機(jī)超溫風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)仿真計(jì)算分析,目前現(xiàn)有速度250 km/h動(dòng)車組均無(wú)法滿足25‰長(zhǎng)大連續(xù)坡道上的平衡速度和50%動(dòng)力時(shí)的坡起需求。在西成客專運(yùn)用的本線車、跨線車全部采用350 km/h 速度級(jí)動(dòng)車組,其中圖定有59 組速度350 km/h 動(dòng)車組擔(dān)當(dāng)D 字頭交路(含高峰線),存在高速度級(jí)動(dòng)車組長(zhǎng)期在低速度級(jí)線路運(yùn)用、無(wú)法發(fā)揮動(dòng)車組速度優(yōu)勢(shì)的浪費(fèi)問題。充分考慮西成客專運(yùn)用需求,應(yīng)研制速度250 km/h 長(zhǎng)大坡道配置動(dòng)車組。
為確保動(dòng)車組正常工況下的運(yùn)營(yíng)和故障工況下的應(yīng)急處置安全、高效,西成客專對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)用需求如下:
(1)動(dòng)車組正常情況,上坡道運(yùn)行速度應(yīng)盡可能接近線路允許速度,下坡道應(yīng)能按線路允許速度運(yùn)行。
(2)動(dòng)車組損失50% 動(dòng)力情況,上坡道能起動(dòng)、可持續(xù)運(yùn)行、過分相速度不低于80 km/h,下坡道時(shí)電制動(dòng)調(diào)速運(yùn)行應(yīng)盡可能接近線路允許速度。
(3)動(dòng)車組損失100% 電制動(dòng)情況,下坡道時(shí)純空氣制動(dòng)調(diào)速運(yùn)行應(yīng)盡可能接近線路允許速度,并可隨時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)。
根據(jù)運(yùn)用需求,確定對(duì)動(dòng)車組技術(shù)要求如下:
(1)25‰上坡道牽引能力:
全動(dòng)力時(shí),上坡道平衡速度不低于200 km/h。
50%動(dòng)力時(shí),可在上坡道起動(dòng)并維持運(yùn)行,過分相速度不低于80 km/h。
(2)25‰下坡道制動(dòng)能力:
電制動(dòng)正常時(shí),電制動(dòng)能力滿足下坡道速度250 km/h 運(yùn)行要求。
損失50% 電制動(dòng)時(shí),電制動(dòng)能力滿足下坡道不低于速度200 km/h 運(yùn)行要求。
損失100%電制動(dòng)時(shí),純空氣制動(dòng)能力滿足下坡道空氣制動(dòng)調(diào)速200 km/h 運(yùn)行,并可在鄰近坡底時(shí)實(shí)施一次緊急制動(dòng)停在坡道上。
經(jīng)計(jì)算,在既有速度250 km/h 動(dòng)車組基礎(chǔ)上動(dòng)力配置為4M4T 方式不變,輪周牽引功率提升超過8 400 kW,可滿足運(yùn)用需求。從技術(shù)成熟度、互換性、對(duì)整車影響、運(yùn)維界面、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性以及研發(fā)周期綜合考慮,可基于既有速度250 km/h動(dòng)車組平臺(tái)直接采用既有速度350 km/h 動(dòng)車組牽引系統(tǒng),此方案牽引系統(tǒng)技術(shù)成熟,運(yùn)維界面相同,輪周牽引功率提升至10 000 kW,系統(tǒng)集成上有所調(diào)整,整車變動(dòng)小,優(yōu)化周期短,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
(1)車體、車端連接、主供電、輔助電氣、供風(fēng)制動(dòng)、旅客信息、空調(diào)、給排水衛(wèi)生、外門及車內(nèi)設(shè)施、駕駛設(shè)施和電務(wù)車載系統(tǒng)與既有速度250 km/h動(dòng)車組[4]保持一致。
(2)牽引系統(tǒng)采用既有速度350 km/h 動(dòng)車組方案,牽引變壓器、牽引電機(jī)和牽引電機(jī)送風(fēng)機(jī)無(wú)需變更,牽引變流器輔變輸出由三相四線制改為三相三線制,牽引用動(dòng)力電纜需更換為3 600 V 等級(jí)電纜,變流器輸入電壓由950 V 改為1 900 V,相應(yīng)提高過橋動(dòng)力連接器的耐壓等級(jí)。
(3)高壓系統(tǒng)受電弓到高壓設(shè)備箱電纜終端由120 平方改為240 平方,線纜規(guī)格同既有速度350 km/h 動(dòng)車組方案。
(4)網(wǎng)絡(luò)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和硬件與既有速度250 km/h 動(dòng)車組保持一致,需根據(jù)牽引系統(tǒng)需求變更軟件。
(5)轉(zhuǎn)向架主體結(jié)構(gòu)與既有速度250 km/h 動(dòng)車組保持一致,為適應(yīng)牽引電機(jī)安裝,需重新設(shè)計(jì)齒輪箱。
(6)車下設(shè)備布置和設(shè)備艙需調(diào)整,總體布置與既有速度350 km/h 動(dòng)車組基本相同。
既有速度250 km/h 動(dòng)車組為“通用型”,速度250 km/h 長(zhǎng)大坡道配置動(dòng)車組為“山區(qū)型”,動(dòng)車組主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 主要技術(shù)參數(shù)
2.3.1 牽引變壓器
牽引變壓器型式采用既有速度350 km/h 技術(shù)方案,與通用型動(dòng)車組相比,牽引繞組電壓由950 V 變?yōu)? 900 V,容量增加。牽引變壓器電氣參數(shù)對(duì)比見表2。
表2 牽引變壓器電氣參數(shù)對(duì)比
2.3.2 牽引變流器
牽引變流器方案采用既有速度350 km/h 動(dòng)車組技術(shù)方案,在既有速度350 km/h 動(dòng)車組技術(shù)方案基礎(chǔ)上將輔助逆變器輸出改為三相三線制。牽引變流器電氣參數(shù)對(duì)比見表3。
表3 牽引變流器電氣參數(shù)對(duì)比
2.3.3 牽引電機(jī)
牽引電機(jī)采用既有速度350 km/h 動(dòng)車組技術(shù)方案,需改變電機(jī)的牽引特性曲線和再生制動(dòng)特性曲線,牽引電機(jī)電氣參數(shù)對(duì)比見表4。
表4 牽引電機(jī)電氣參數(shù)對(duì)比
(1)全動(dòng)力(4M4T)牽引計(jì)算,牽引特性曲線如圖2 所示。
圖2 全動(dòng)力牽引特性曲線
山區(qū)型(10 000 kW)方案在25‰ 坡道平衡速度最高,達(dá)到237 km/h,有利于在大坡道線路持續(xù)運(yùn)行;計(jì)算結(jié)果和結(jié)論見表5。
表5 牽引性能指標(biāo)校驗(yàn)
(2)當(dāng)動(dòng)車組50%動(dòng)力失效,在25‰坡道,牽引特性曲線、闖分相加速曲線如圖3、圖4 所示。
圖3 50%動(dòng)力失效,25‰坡道啟動(dòng)牽引特性曲線
圖4 50%動(dòng)力失效,25‰坡道闖分相加速曲線
山區(qū)型(10 000 kW)方案在動(dòng)車組50% 動(dòng)力失效(損失2 節(jié)車動(dòng)力)時(shí),可在25‰ 的坡道上起動(dòng),且平衡速度點(diǎn)為137 km/h,在過分相前3.4 km即可達(dá)到100 km/h,滿足“在定員載荷下可在25‰的坡道上起動(dòng),并低速過分相要求”。
山區(qū)型(10 000 kW)方案在動(dòng)車組50% 動(dòng)力失效(損失2 節(jié)車動(dòng)力)時(shí),在25‰ 坡道僅使用電制動(dòng),以速度250 km/h 下山,如圖5 所示。
圖5 50%動(dòng)力失效,25‰坡道電制動(dòng)能力
《時(shí)速250 公里中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組暫行技術(shù)條件》[5]中規(guī)定了制動(dòng)盤熱容量需滿足動(dòng)車組最高允許速度下連續(xù)2 次緊急制動(dòng)的熱負(fù)荷要求,并需滿足最高試驗(yàn)速度下的緊急制動(dòng)能力要求。通用型據(jù)此開展了17 t 滿軸重在30‰坡道條件下的熱容量計(jì)算,結(jié)果滿足要求。因此,采用通用型基礎(chǔ)制動(dòng)可滿足西成線25‰坡道線路條件的運(yùn)用要求。熱容量計(jì)算結(jié)果見表6。
表6 熱容量仿真計(jì)算結(jié)果
山區(qū)型動(dòng)車組技術(shù)方案,綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、自主化、統(tǒng)型要求,基于通用型動(dòng)車組平臺(tái),根據(jù)運(yùn)用需求對(duì)動(dòng)車組的性能要求,按照技術(shù)性能優(yōu)、技術(shù)變動(dòng)小、運(yùn)用維護(hù)界面不變、經(jīng)濟(jì)性好的原則開展方案設(shè)計(jì)。通過仿真計(jì)算分析,得出如下結(jié)論:
(1)動(dòng)車組牽引性能。全動(dòng)力時(shí),上坡道平衡速度為237 km/h;50%動(dòng)力時(shí),可在上坡道起動(dòng)并維持137 km/h 的速度運(yùn)行,保證過分相速度不低于80 km/h。
(2)動(dòng)車組制動(dòng)性能。電制動(dòng)正常時(shí),電制動(dòng)能力滿足下坡道250 km/h 的速度運(yùn)行要求;損失50%電制動(dòng)時(shí),電制動(dòng)能力滿足下坡道不低于200 km/h 的速度運(yùn)行要求;損失100%電制動(dòng)時(shí),純空氣制動(dòng)能力滿足下坡道空氣制動(dòng)調(diào)速200 km/h 運(yùn)行,并可在鄰近坡底時(shí)實(shí)施一次緊急制動(dòng)停在坡道上。
綜上所述,基于既有速度250 km/h 動(dòng)車組平
臺(tái),4M4T,牽引功率10 000 kW 的動(dòng)車組設(shè)計(jì)方案,滿足西成客專長(zhǎng)大坡道對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)用需求。