錢銘，張大勇，廖洪濤

（1.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；2.中國國家鐵路集團有限公司 科技和信息化部，北京 100844；3.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

1 概述

拉日鐵路于2015年開通運營，線路允許最高速度為120 km/h，為非電氣化鐵路；拉林鐵路于2021年開通運營，線路允許最高速度為160 km/h，是西藏地區(qū)首條電氣化鐵路。為滿足西藏人民日益增長的美好生活需要和富民西藏的迫切需要，實現復興號動車組中國內陸省份的全覆蓋和拉林、拉日鐵路的貫通運行，中國國家鐵路集團有限公司于2020年10月開始組織研制一款適用于高原環(huán)境需求的內燃、電力雙源動力集中動車組，能夠實現在電氣化和非電氣化線路上貫通運行。

雙源制式動力集中動車組在國際上已有應用案例［1-2］。美國運用的ALP-45DP列車內燃電力集成式動力車，配置2臺1 567 kW柴油機組，采用柴油機組和弓網牽引設備集成在1輛動力車上的設計方式，電力模式下的輪周功率為4 000 kW，內燃模式下的輪周功率為2 700 kW；西班牙運用的RENFE 730動力集中型動車組動力車是在Talgo 250的頭車（電力動力車）后部加1輛內燃發(fā)電車［3-4］，內燃發(fā)電車配置1臺1 800 kW柴油機組，采用電力動力車+內燃發(fā)電車AB節(jié)動力車組的方式，電力模式下的輪周功率為2 400 kW，內燃模式下的輪周功率為1 200 kW，最大起動牽引力為220 kN［5-6］。但上述動車組總功率偏小、載客量偏低，且無法滿足高原環(huán)境的運用需求。

拉林拉日線全長686 km，屬于高原鐵路，具有高海拔、多隧道、坡度大、缺氧、低溫低壓、強紫外線、雨雪和雷擊頻繁等線路及環(huán)境特點［7-9］，當前世界上適用于高原鐵路的機車車輛主要在我國境內，主要有NJ2型機車、高原HXN3型內燃機車、高原HXD1D型機車、高原HXD1C型機車、青藏高原客車、KD25T青藏鐵路發(fā)電車等產品［10-15］，適用于高原環(huán)境的雙源動力集中動車組還屬世界空白，研制該型動車組需解決內燃動力和電力動力的操控一體化關鍵技術，研究動車組在高海拔、多隧道、跨電氣化和非電氣化運營環(huán)境下的復雜組合工況適用性、安全性和可靠性。

2 復興號高原雙源動力集中動車組方案

2.1 頂層研制目標及主要技術參數

為滿足在拉林、拉日鐵路安全、經濟、高效貫通運行的需要，復興號高原雙源動力集中動車組必須通過技術創(chuàng)新實現以下頂層研制目標：

（1）適應復雜高原環(huán)境需求。適應西藏地區(qū)拉林、拉日鐵路沿線高原缺氧、低溫低壓、強紫外線、雨雪和雷擊頻繁等惡劣自然環(huán)境，充分考慮全線橋隧比高、隧道長、坡道大、救援困難等線路特點。

（2）滿足當地載客量需求。采用1Mec+（8～12）T+Md+Mdc編組形式，其中Mec為帶司機室的電力動力車、Md為不帶司機室的內燃動力車、Mdc為帶司機室的內燃動力車、T為拖車。

（3）滿足內電貫通運行需求。拉林鐵路采用電力牽引/推進，拉日鐵路采用內燃牽引/推進；同時保持安全冗余，當拉林線路上電力動力車動力全喪失時，采用內燃應急牽引/推進。

（4）具有優(yōu)良控制特性。司機可在單端實現電力和內燃模式下的司乘操作，通過單端司機室顯示屏查看整列車狀態(tài)，顯示界面保持統一，微機、監(jiān)控顯示屏根據電力和內燃模式進行差異化顯示。

復興號高原雙源動力集中動車組主要技術參數見表1。

表1 復興號高原雙源動力集中動車組主要技術參數

2.2 編組及車型布局

復興號高原雙源動力集中動車組日常運用編組形式為1Mec+9T+1Md+1Mdc，具體編組車型總體布局見圖1，各車輛配置見表2。

表2 復興號高原雙源動力集中動車組主要配置

圖1 復興號高原雙源動力集中動車組編組車型總體布局

2.3 主要技術特點

在高原電力、內燃機車和客車技術積累基礎上，整列車根據工況需求進行了創(chuàng)新設計，具有如下技術特點：

（1）內燃、電力雙源動力集成設計：采用2×3 200 kW內燃動力車+7 200 kW電力動力車雙動力編組端車獨立配置，實現電氣化和非電氣化區(qū)段跨線運行。針對內燃動力車、電力動力車和拖車，整列車從外觀設計、控制信息網絡、安全監(jiān)測環(huán)路、列車供電、制氧系統及壓力波等方面采用相同策略統一規(guī)劃設計。

（2）內燃、電力動力車雙動力源一體化操控設計：首次提出動車組內、電雙端互控的運用模式，具備電控電牽、電控內牽、內控電牽、內控內牽4種牽引模式組合，運行中內、電牽引動力和供電電源快速切換，故障單元自動隔離和轉換，內、電系統狀態(tài)互聯互通。

（3）高原型大功率柴油機：裝用3 200 kW標定功率（海拔2 800 m）的12V265B型柴油機，采用高壓比葉輪、可變噴嘴環(huán)增壓器、故障預測與健康管理（PHM）、降噪控制等技術，實現中速柴油機運用海拔最高、功率最大的目標，各項性能指標達到世界先進水平。

（4）控制及監(jiān)測雙網：列車采用一體化車輛級、列車級控制網控制。研制了列車高速安全監(jiān)控網，具備柴油機組、通風系統、牽引變流和部件工作負荷等4類典型健康狀態(tài)診斷功能，實現防火、視頻、制動、走行、列供、絕緣、車門、防滑八大安全監(jiān)控，利用遠程車地數據傳輸技術，實現車地實時交互、遠程動態(tài)監(jiān)測等功能。

（5）優(yōu)越的乘坐舒適性設計：采用大斷面寬體氣密車體、一體化不間斷自動供氧及過隧道壓力波主被動結合控制等技術，確保乘坐人員的舒適感受；商務座椅設置有坐姿、半躺、全躺功能及自由調節(jié)的半包圍結構。

（6）裝備的高原、多隧道環(huán)境適應性設計：通過采用電氣絕緣性能提升及防雷設計，外部橡膠、油漆、玻璃等非金屬部件抗紫外線及耐風沙設計，選用可降解環(huán)保輪緣潤滑脂，增設污水收集裝置、制動防寒加熱裝置，對標EN 45545：2013《鐵路應用鐵路機車車輛防火》提升防火設計等措施，實現高原電氣適應性、防紫外線性能、環(huán)保性能、低溫適應性能及多隧道適應性能等的提升設計，以定制適用于高原山區(qū)的鐵路機車車輛裝備。

3 關鍵系統方案

3.1 司機室及客室界面

復興號高原雙源動力集中動車組司機室和客室界面秉承良好的舒適性和美觀性設計理念。司機室（見圖2）分別設在電力動力車和內燃動力車的前端，具有同樣操作方式，人機界面保持完全一致，具備電力和內燃2種操控模式。內燃動力車司機室通過減振元件與車體連接，提升了司乘人員的舒適性。

圖2 司機室

客室區(qū)域在防紫外線、耐低氣壓、環(huán)保等方面進行特別設計，采用防紫外線卷簾簾布，滿足紫外線防護系數（UPF）＞40，且平均紫外線透射比（UVA）＜5%，車門密封膠條、粘接密封膠采用耐紫外線材質；為應對高原低氣壓，客室車窗玻璃采用內外壓力自平衡式中空玻璃，并帶有電加熱裝置；為滿足高原地區(qū)運用零排放的需要，衛(wèi)生系統增設衛(wèi)生間、洗面間、茶爐室、餐吧區(qū)污水收集裝置。內裝墻板集成隱藏式衣帽鉤、卷簾設計，防腐地板和隔音材料復合設計；一等座椅和二等座椅集成插座和供氧口（殘疾人座椅及商務座椅供氧口設于側墻）；商務座區(qū)（見圖3）配置半包圍設計的魚骨式智能商務座椅，坐姿到躺姿可無級調節(jié)，設有側柜臺面、插座、閱讀燈、儲物格、無線充電等；客室電控塞拉車門適應1 250 mm高站臺，設置內外端門。

圖3 商務座區(qū)

3.2 電氣系統

復興號高原雙源動力集中動車組電氣系統拓撲架構見圖4。電力動力車電氣系統高壓側采用雙弓、雙主斷、雙高壓電壓互感器的結構配置，大大提升了高壓系統可靠性，主電路采用“交-直-交”電傳動形式，主輔共用中間直流回路，電制動時可通過主輔共用的中間直流回路實現輔助電源在過分相時的不間斷供電。

圖4 復興號高原雙源動力集中動車組電氣系統拓撲架構

內燃動力車采用主輔一體式交流傳動系統的拓撲架構，輔助傳動和列車供電共用中間直流環(huán)節(jié)；動力車主發(fā)電機2套繞組分別連接2組主發(fā)整流后通過中間直流環(huán)節(jié)連接牽引逆變器和制動電阻，中間直流環(huán)節(jié)同時通過DC/DC變換模塊將電能轉換為DC 600 V電源用于提供列車供電及動力車輔助傳動用電。

列車供電系統采用DC 600 V全列貫通，由電力動力車或內燃動力車（含2輛）組合輸出。當動車組為電力模式，列車供電由電力動力車輸出，除拖車用電外，還為內燃動力車控制設備、空調、制氧設備及柴油機保溫設備供電；當動車組為內燃模式，列車供電由內燃動力車輸出，除拖車用電外，還為電力動力車控制設備、空調及制氧設備供電。

電力動力車、內燃動力車及拖車均設置蓄電池及充電機提供DC 110 V電源，并且全列貫通，應急工況下的拖車蓄電池及充電機可為內燃動力車、電力動力車進行DC 110 V供電。

復興號高原雙源動力集中動車組電氣絕緣及防雷性能按照GB/T 21413.1—2018《軌道交通機車車輛電氣設備第1部分：一般使用條件和通用規(guī)則》、TB/T 3213—2009《高原機車車輛電工電子產品通用技術條件》進行修正設計、系統選型及驗證［16-17］。

3.3 柴油機及輔助系統

采用成熟可靠的12V265B型柴油機，在不同海拔工況下的功率及油耗情況見表3。

表3 12V265B型柴油機不同海拔工況下的功率及油耗

針對高原環(huán)境減小柴油機高原降功比率［18］，在提升柴油機高原運用經濟性、安全性和監(jiān)控保護能力等方面進行優(yōu)化：

（1）采用高原型增壓器，增加高原運用時的增壓壓比，優(yōu)化空燃比，采用適應高原環(huán)境使用的VTG控制程序。

（2）優(yōu)化中冷器，降低高壓比后的進氣溫度。

（3）優(yōu)化柴油機控制軟件，增加供油提前角自動調整功能、系統和部件預警功能，以及柴油機關鍵系統和部件的健康狀態(tài)監(jiān)測功能。

（4）針對高原海拔高度和環(huán)境溫度，優(yōu)化柴油機牽引曲線和功率修正曲線（見圖5、圖6），使得柴油機滿足高原運用時排溫、增壓器轉速等限度要求。

圖5 柴油機高原運用牽引曲線

圖6 柴油機高原運用功率修正曲線

內燃動力車輔助系統（燃油系統、機油系統、冷卻系統、空氣濾清系統）在FXN3型內燃機車基礎上進行適應性優(yōu)化，并增加保溫加熱系統。對燃油系統中的燃油管路進行優(yōu)化，取消燃油重聯管路及冬夏季轉換手動閥及部分相關聯管路；對柴油機冷卻系統散熱器模塊、膨脹水箱、冷卻水管路進行調整；空氣濾清系統由機械間內進氣改為車外獨立進氣，空氣濾清裝置模塊采用頂置設計，通風間風機采用車外獨立進氣方式。保溫加熱系統通過加熱裝置、循環(huán)水泵、循環(huán)油泵及管路實現電力動力車牽引模式下的柴油機“熱準備”。

3.4 網絡控制系統

通過分析32類典型運用場景、23類故障場景，復興號高原雙源動力集中動車組控制系統融入電力動力車與內燃動力車的聯控互控功能，在原有電力司機操作控制部件基礎上增設“內電模式選擇”轉換開關、“主發(fā)勵磁”轉換開關、“機控”扳鍵開關、“柴油機起機”按鈕和“柴油機停機”按鈕，以實現兩端司機室任何一端主控時對內燃柴油機起停、勵磁和電力升降弓、分合主斷、牽引、制動等指令的控制功能，并新增內電模式轉換、柴油機起機及保溫、速度/轉矩模式轉換、內電自動換端、同步/異步過分相、內電列供互鎖等控制功能，以實現內燃和電力分置式配置、雙控及交叉匹配。

復興號高原雙源動力集中動車組網絡系統由列車控制網和列車安全監(jiān)控網組成，其網絡拓撲架構見圖7。

圖7 復興號高原雙源動力集中動車組網絡拓撲架構

列車控制網采用兩級總線，網絡控制系統的列車級通信采用WTB總線貫穿全列，具有動態(tài)編組能力，列車級總線具有A、B通道冗余功能，任一通道故障不應影響動車組運行；動力車車輛級通信采用MVB總線和以太網。

列車安全監(jiān)控網通過雙路冗余的工業(yè)以太網實現動力車監(jiān)測信息（含防火信息、軸溫信息、制動信息、視頻信息、高壓絕緣信息、列車供電信息及中國機車遠程監(jiān)測與診斷系統（CMD）信息等）與拖車監(jiān)測信息（含供電信息、空調信息、軸溫信息、煙火信息、塞拉門信息、制氧信息、制動信息、停放制動信息、轉向架信息、防滑器信息、絕緣檢測信息、車下電源信息等）的信息交互，并設置有五大安全環(huán)路（車門、軸溫、制動、火災、火警、停放）。

3.5 車體

復興號高原雙源動力集中動車組整列車車體采用一體化鼓形設計，車體司機室區(qū)域和客室區(qū)域通過鋼結構及各安裝部件的氣密性控制以及客室區(qū)域冷凝水集中收集排放，實現大斷面寬體高氣密性設計，同時動力車頭部設開閉機構，具備手動開閉功能，并預留增加自動開閉功能接口，各車輛間采用統型的內外風擋，內風擋采用雙層折棚氣密風擋。端部車鉤采用105A型車鉤緩沖裝置，中間車鉤采用密接式車鉤緩沖裝置，可實現機械自動連掛。為應對高原強紫外線，對車體外部油漆、內外風擋、開閉機構密封件等外部非金屬件進行防紫外線、抗老化性能提升，密接式車鉤在鉤頭位置增加防風沙、耐紫外線密封圈。復興號高原雙源動力集中動車組車體主要參數見表4。

表4 復興號高原雙源動力集中動車組車體主要參數

3.6 轉向架

復興號高原雙源動力集中動車組電力動力車采用C0轉向架，內燃動力車采用A1A轉向架，拖車采用2軸無動力轉向架，其主要參數見表5。

表5 復興號高原雙源動力集中動車組轉向架主要參數mm

電力動力車轉向架采用電機順置式布置；驅動單元采用彈性架懸，驅動系統采用單側直齒輪+六連桿驅動方式；一系懸掛采用單拉桿軸箱定位+螺旋彈簧+垂向減振器方式；二系懸掛采用高圓彈簧+橡膠墊結構，輔以各向減振器；牽引裝置采用低位單牽引桿結構；基礎制動采用輪盤制動方式。

內燃動力車轉向架采用電機軸端對稱布置；驅動單元采用剛性架懸，驅動系統采用單側斜齒輪+六連桿驅動方式；一系懸掛采用單拉桿軸箱定位+螺旋彈簧和減振墊方式，1、3軸安裝垂向減振器；二系懸掛采用高圓彈簧+橡膠墊結構，輔以各向減振器；牽引裝置采用四連桿方式；基礎制動采用輪盤制動方式。

拖車轉向架采用無搖枕形式、H形焊接結構構架；二系懸掛采用空氣彈簧，設置抗側滾扭桿，輔以各向減振器；一系懸掛采用圓柱螺旋彈簧；軸箱采用轉臂式定位；牽引裝置采用雙牽引拉桿結構；基礎制動采用軸盤制動方式。

為提升環(huán)保性能，動力車輪緣潤滑裝置采用環(huán)保型輪軌潤滑脂；為應對紫外線強、風沙大的高原環(huán)境，拖車轉向架配置空氣彈簧橡膠防護罩，動力車和拖車轉向架減振器配置防塵罩；為應對高原雷擊頻繁，拖車轉向架加裝接地裝置。

3.7 制動系統

復興號高原雙源動力集中動車組采用自動式空氣制動系統，即列車管減壓產生制動作用方式，采用五線制電空制動，雙管供風，設有列車管和總風管貫通全列車，其制動系統拓撲架構見圖8。

圖8 復興號高原雙源動力集中動車組制動系統拓撲架構

動車組通過制動控制器實施自動制動時，拖車、內燃動力車實施空氣制動，電力動力車具有優(yōu)先使用動力制動的功能，當電力動力車動力制動失效時自動投入空氣制動。電力動力車及帶司機室內燃動力車制動系統具備本/補模式切換功能和單獨制動功能，不帶司機室內燃動力車為補機模式，不具備單獨制動、空氣后備制動控制功能，電力動力車（Mec）具備空電聯合與空電聯鎖功能，內燃動力車（Mdc和Md）僅具備空電聯鎖功能。

動力車制動系統采用CAB型分布式網絡智能模塊空氣制動系統，拖車采用F8電空制動機。動車組風源系統在電力動力車配置2臺單機容積流量3 000 L/min的空氣壓縮機，內燃動力車配置3臺單機容積流量2 750 L/min的空氣壓縮機（Mdc動力車1臺、Md動力車2臺），各動力車均設有1 000 L的總風缸，電力動力車配置1臺輔助壓縮機和升弓風缸，為受電弓及主斷路器提供風源，并設置有制動低溫自動防寒加熱裝置。

3.8 壓力波保護及制氧

為應對拉林拉日線多隧道的特點，整列車空調配備被動及主動結合的壓力波保護裝置，進入隧道時，可通過安裝在頭車的壓力波傳感器或通過LKJ獲取線路信息快速關閉新風和廢排閥門，實現對車內壓力波動的控制。

為應對高原缺氧環(huán)境［19］，復興號高原雙源動力集中動車組配置一體化制氧系統，制氧壓縮空氣全列車貫通，其制氧系統拓撲架構見圖9。供氧方式分為彌散式供氧和分布式供氧。彌散式供氧是制氧機將富氧空氣輸送至空調機組送風口，富氧空氣與空調風一起送入司機室或客室；分布式供氧是制氧機將富氧空氣通過專門管路及終端設備送入司機室或客室。動車組內彌散供氧氧氣濃度設計為≥23.6%，且具備過分相制氧空壓機不停機功能。

圖9 復興號高原雙源動力集中動車組制氧系統拓撲架構

3.9 防火安全設計

為提升復興號高原雙源動力集中動車組高原、多隧道復雜線路環(huán)境的防火安全性，整車對標EN 45545：2013《鐵路應用鐵路機車車輛防火》要求進行防火設計。

（1）材料防火方面：部分金屬材料選用熔點更高的碳鋼材質替代原有鋁合金材質，提升電氣屏柜或門的防火性能；部分非金屬材料和部件替換為滿足EN 45545-2標準要求的新材料或新增EN 45545-2防火標準試驗要求。

（2）電氣線路和設備防火設計方面：優(yōu)化大功率部件短路、接地等電氣保護邏輯，變流柜及供電柜采用干式電容，新增火災報警與制氧系統聯動控制。

（3）柴油機系統防火設計方面：增加曲軸箱防爆閥、燃油防火罩、增壓器防護罩、中冷器隔熱層等防護設計。

（4）火災探測及滅火設備方面：設置火災報警安全環(huán)路，變流柜、制氧機室、內燃動力間等關鍵區(qū)域設置火災探測器，針對電力動力車列供柜試裝固定式滅火裝置。動車組火災探測報警系統拓撲架構見圖10。

圖10 復興號高原雙源動力集中動車組火災探測報警系統拓撲架構

（5）防火隔斷設計方面：司機室入口門采用防火門設計，客室外端門采用防火拉門，與動力車連掛外端門采用防火門，耐火隔熱性不低于15 min。

4 結束語

復興號高原雙源動力集中動車組通過105項型式試驗，2021年6月25日3列動車組正式在拉林拉日線上線運營，填補了我國雙源制式動車組領域的空白，豐富了復興號動車組譜系，內電雙源融合控制、控制及監(jiān)測智能化雙網并行、不間斷自動供氧、壓力波主被動結合控制、柴油機高海拔低降功比等技術首次得到應用和驗證，為高原動車組技術研發(fā)、工程設計、運用、維護提供了寶貴經驗。復興號高原雙源動力集中動車組實現了復興號動車組中國內陸省份全覆蓋，結束了藏東南地區(qū)不通鐵路的歷史，實現了西藏首條高原電氣化鐵路動車組的開通運營，進一步完善了區(qū)域綜合交通運輸體系。