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。

1 需求分析

1.1 西成客專線路情況[1]

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

1.2 既有動(dòng)車組適應(yīng)性分析

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。

1.3 運(yùn)用需求對(duì)動(dòng)車組性能的要求

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。

2 技術(shù)方案

2.1 方案選擇

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)。

2.2 總體方案

（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 牽引系統(tǒng)技術(shù)變更

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

3 牽引能力分析

（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”。

4 制動(dòng)能力分析[4]

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

5 結(jié) 論

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。