適應長大坡道動車組技術研究*

2021-11-19 09:23:52曾一鳴

鐵道機車車輛 2021年5期

曾一鳴

（中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京 100081）

近幾年，具有連續長大坡道的新修建線路開始出現，坡道坡度最大達到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。針對國內高鐵長大坡道現狀，目前在用車型均存在動力損失、坡道啟動困難、坡道運行平衡速度低以及因制動容量受限車輛限速等情況，需在既有高鐵系統基礎上研究適應于長大坡道的動車組，以滿足運營需求。文中基于我國既有動車組，研究適應西成客專大坡道的動車組技術方案。

1 需求分析

1.1 西成客專線路情況[1]

西成客專全長約657 km，設計速度250 km/h，車站27 個（含線路所和預留站），電分相28 處。困難區段有2 處，其中最困難區段為下行方向區間長度約45.05 km 的25‰ 長大連續坡道（K49+141—K94+191），坡道中心位置K72 處有長度約193 m的分相，如圖1 所示。

圖1 西成客專線路

1.2 既有動車組適應性分析

針對動車組大坡道運用，前期開展了大量仿真計算。計算車型包括250、350 km/h 共9 種車型，仿真計算結果如下：

（1）制動能力滿足要求［2］：

各型動車組電制動調速以250 km/h 下坡均滿足要求。

各型動車組純空氣制動調速以不大于200 km/h下坡均滿足要求。

（2）牽引能力不足［3］：

250 km/h 動車組：全動力可坡起但平衡速度低于150 km/h；50%動力無法坡起和過分相。

350 km/h 動車組：全動力可坡起、平衡速度約200 km/h；50% 動力僅部分大功率動車組能夠坡起，但計算闖坡運行時間較長（約35、37 min），存在電機超溫風險。

根據仿真計算分析，目前現有速度250 km/h動車組均無法滿足25‰長大連續坡道上的平衡速度和50%動力時的坡起需求。在西成客專運用的本線車、跨線車全部采用350 km/h 速度級動車組，其中圖定有59 組速度350 km/h 動車組擔當D 字頭交路（含高峰線），存在高速度級動車組長期在低速度級線路運用、無法發揮動車組速度優勢的浪費問題。充分考慮西成客專運用需求，應研制速度250 km/h 長大坡道配置動車組。

1.3 運用需求對動車組性能的要求

為確保動車組正常工況下的運營和故障工況下的應急處置安全、高效，西成客專對動車組的運用需求如下：

（1）動車組正常情況，上坡道運行速度應盡可能接近線路允許速度，下坡道應能按線路允許速度運行。

（2）動車組損失50% 動力情況，上坡道能起動、可持續運行、過分相速度不低于80 km/h，下坡道時電制動調速運行應盡可能接近線路允許速度。

（3）動車組損失100% 電制動情況，下坡道時純空氣制動調速運行應盡可能接近線路允許速度，并可隨時實施緊急制動。

根據運用需求，確定對動車組技術要求如下：

（1）25‰上坡道牽引能力：

全動力時，上坡道平衡速度不低于200 km/h。

50%動力時，可在上坡道起動并維持運行，過分相速度不低于80 km/h。

（2）25‰下坡道制動能力：

電制動正常時，電制動能力滿足下坡道速度250 km/h 運行要求。

損失50% 電制動時，電制動能力滿足下坡道不低于速度200 km/h 運行要求。

損失100%電制動時，純空氣制動能力滿足下坡道空氣制動調速200 km/h 運行，并可在鄰近坡底時實施一次緊急制動停在坡道上。

2 技術方案

2.1 方案選擇

經計算，在既有速度250 km/h 動車組基礎上動力配置為4M4T 方式不變，輪周牽引功率提升超過8 400 kW，可滿足運用需求。從技術成熟度、互換性、對整車影響、運維界面、技術性能、經濟性以及研發周期綜合考慮，可基于既有速度250 km/h動車組平臺直接采用既有速度350 km/h 動車組牽引系統，此方案牽引系統技術成熟，運維界面相同，輪周牽引功率提升至10 000 kW，系統集成上有所調整，整車變動小，優化周期短，技術經濟性最優。

2.2 總體方案

（1）車體、車端連接、主供電、輔助電氣、供風制動、旅客信息、空調、給排水衛生、外門及車內設施、駕駛設施和電務車載系統與既有速度250 km/h動車組［4］保持一致。

（2）牽引系統采用既有速度350 km/h 動車組方案，牽引變壓器、牽引電機和牽引電機送風機無需變更，牽引變流器輔變輸出由三相四線制改為三相三線制，牽引用動力電纜需更換為3 600 V 等級電纜，變流器輸入電壓由950 V 改為1 900 V，相應提高過橋動力連接器的耐壓等級。

（3）高壓系統受電弓到高壓設備箱電纜終端由120 平方改為240 平方，線纜規格同既有速度350 km/h 動車組方案。

（4）網絡及輔助監控系統拓撲結構和硬件與既有速度250 km/h 動車組保持一致，需根據牽引系統需求變更軟件。

（5）轉向架主體結構與既有速度250 km/h 動車組保持一致，為適應牽引電機安裝，需重新設計齒輪箱。

（6）車下設備布置和設備艙需調整，總體布置與既有速度350 km/h 動車組基本相同。

既有速度250 km/h 動車組為“通用型”，速度250 km/h 長大坡道配置動車組為“山區型”，動車組主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

2.3 牽引系統技術變更

2.3.1 牽引變壓器

牽引變壓器型式采用既有速度350 km/h 技術方案，與通用型動車組相比，牽引繞組電壓由950 V 變為1 900 V，容量增加。牽引變壓器電氣參數對比見表2。

表2 牽引變壓器電氣參數對比

2.3.2 牽引變流器

牽引變流器方案采用既有速度350 km/h 動車組技術方案，在既有速度350 km/h 動車組技術方案基礎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對比見表3。

表3 牽引變流器電氣參數對比

2.3.3 牽引電機

牽引電機采用既有速度350 km/h 動車組技術方案，需改變電機的牽引特性曲線和再生制動特性曲線，牽引電機電氣參數對比見表4。

表4 牽引電機電氣參數對比

3 牽引能力分析

（1）全動力（4M4T）牽引計算，牽引特性曲線如圖2 所示。

圖2 全動力牽引特性曲線

山區型（10 000 kW）方案在25‰ 坡道平衡速度最高，達到237 km/h，有利于在大坡道線路持續運行；計算結果和結論見表5。

表5 牽引性能指標校驗

（2）當動車組50%動力失效，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%動力失效，25‰坡道啟動牽引特性曲線

圖4 50%動力失效，25‰坡道闖分相加速曲線

山區型（10 000 kW）方案在動車組50% 動力失效（損失2 節車動力）時，可在25‰ 的坡道上起動，且平衡速度點為137 km/h，在過分相前3.4 km即可達到100 km/h，滿足“在定員載荷下可在25‰的坡道上起動，并低速過分相要求”。

4 制動能力分析[4]

山區型（10 000 kW）方案在動車組50% 動力失效（損失2 節車動力）時，在25‰ 坡道僅使用電制動，以速度250 km/h 下山，如圖5 所示。

圖5 50%動力失效，25‰坡道電制動能力

《時速250 公里中國標準動車組暫行技術條件》［5］中規定了制動盤熱容量需滿足動車組最高允許速度下連續2 次緊急制動的熱負荷要求，并需滿足最高試驗速度下的緊急制動能力要求。通用型據此開展了17 t 滿軸重在30‰坡道條件下的熱容量計算，結果滿足要求。因此，采用通用型基礎制動可滿足西成線25‰坡道線路條件的運用要求。熱容量計算結果見表6。