适应长大坡道动车组技术研究*

曾一鸣

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081）

近几年，具有连续长大坡道的新修建线路开始出现，坡道坡度最大达到25‰，如兰新线、宝兰线、西成线等；另外，京张线、大西线存在30‰大坡道。针对国内高铁长大坡道现状，目前在用车型均存在动力损失、坡道启动困难、坡道运行平衡速度低以及因制动容量受限车辆限速等情况，需在既有高铁系统基础上研究适应于长大坡道的动车组，以满足运营需求。文中基于我国既有动车组，研究适应西成客专大坡道的动车组技术方案。

1 需求分析

1.1 西成客专线路情况[1]

西成客专全长约657 km，设计速度250 km/h，车站27 个（含线路所和预留站），电分相28 处。困难区段有2 处，其中最困难区段为下行方向区间长度约45.05 km 的25‰ 长大连续坡道（K49+141—K94+191），坡道中心位置K72 处有长度约193 m的分相，如图1 所示。

图1 西成客专线路

1.2 既有动车组适应性分析

针对动车组大坡道运用，前期开展了大量仿真计算。计算车型包括250、350 km/h 共9 种车型，仿真计算结果如下：

（1）制动能力满足要求［2］：

各型动车组电制动调速以250 km/h 下坡均满足要求。

各型动车组纯空气制动调速以不大于200 km/h下坡均满足要求。

（2）牵引能力不足［3］：

250 km/h 动车组：全动力可坡起但平衡速度低于150 km/h；50%动力无法坡起和过分相。

350 km/h 动车组：全动力可坡起、平衡速度约200 km/h；50% 动力仅部分大功率动车组能够坡起，但计算闯坡运行时间较长（约35、37 min），存在电机超温风险。

根据仿真计算分析，目前现有速度250 km/h动车组均无法满足25‰长大连续坡道上的平衡速度和50%动力时的坡起需求。在西成客专运用的本线车、跨线车全部采用350 km/h 速度级动车组，其中图定有59 组速度350 km/h 动车组担当D 字头交路（含高峰线），存在高速度级动车组长期在低速度级线路运用、无法发挥动车组速度优势的浪费问题。充分考虑西成客专运用需求，应研制速度250 km/h 长大坡道配置动车组。

1.3 运用需求对动车组性能的要求

为确保动车组正常工况下的运营和故障工况下的应急处置安全、高效，西成客专对动车组的运用需求如下：

（1）动车组正常情况，上坡道运行速度应尽可能接近线路允许速度，下坡道应能按线路允许速度运行。

（2）动车组损失50% 动力情况，上坡道能起动、可持续运行、过分相速度不低于80 km/h，下坡道时电制动调速运行应尽可能接近线路允许速度。

（3）动车组损失100% 电制动情况，下坡道时纯空气制动调速运行应尽可能接近线路允许速度，并可随时实施紧急制动。

根据运用需求，确定对动车组技术要求如下：

（1）25‰上坡道牵引能力：

全动力时，上坡道平衡速度不低于200 km/h。

50%动力时，可在上坡道起动并维持运行，过分相速度不低于80 km/h。

（2）25‰下坡道制动能力：

电制动正常时，电制动能力满足下坡道速度250 km/h 运行要求。

损失50% 电制动时，电制动能力满足下坡道不低于速度200 km/h 运行要求。

损失100%电制动时，纯空气制动能力满足下坡道空气制动调速200 km/h 运行，并可在邻近坡底时实施一次紧急制动停在坡道上。

2 技术方案

2.1 方案选择

经计算，在既有速度250 km/h 动车组基础上动力配置为4M4T 方式不变，轮周牵引功率提升超过8 400 kW，可满足运用需求。从技术成熟度、互换性、对整车影响、运维界面、技术性能、经济性以及研发周期综合考虑，可基于既有速度250 km/h动车组平台直接采用既有速度350 km/h 动车组牵引系统，此方案牵引系统技术成熟，运维界面相同，轮周牵引功率提升至10 000 kW，系统集成上有所调整，整车变动小，优化周期短，技术经济性最优。

2.2 总体方案

（1）车体、车端连接、主供电、辅助电气、供风制动、旅客信息、空调、给排水卫生、外门及车内设施、驾驶设施和电务车载系统与既有速度250 km/h动车组［4］保持一致。

（2）牵引系统采用既有速度350 km/h 动车组方案，牵引变压器、牵引电机和牵引电机送风机无需变更，牵引变流器辅变输出由三相四线制改为三相三线制，牵引用动力电缆需更换为3 600 V 等级电缆，变流器输入电压由950 V 改为1 900 V，相应提高过桥动力连接器的耐压等级。

（3）高压系统受电弓到高压设备箱电缆终端由120 平方改为240 平方，线缆规格同既有速度350 km/h 动车组方案。

（4）网络及辅助监控系统拓扑结构和硬件与既有速度250 km/h 动车组保持一致，需根据牵引系统需求变更软件。

（5）转向架主体结构与既有速度250 km/h 动车组保持一致，为适应牵引电机安装，需重新设计齿轮箱。

（6）车下设备布置和设备舱需调整，总体布置与既有速度350 km/h 动车组基本相同。

既有速度250 km/h 动车组为“通用型”，速度250 km/h 长大坡道配置动车组为“山区型”，动车组主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

2.3 牵引系统技术变更

2.3.1 牵引变压器

牵引变压器型式采用既有速度350 km/h 技术方案，与通用型动车组相比，牵引绕组电压由950 V 变为1 900 V，容量增加。牵引变压器电气参数对比见表2。

表2 牵引变压器电气参数对比

2.3.2 牵引变流器

牵引变流器方案采用既有速度350 km/h 动车组技术方案，在既有速度350 km/h 动车组技术方案基础上将辅助逆变器输出改为三相三线制。牵引变流器电气参数对比见表3。

表3 牵引变流器电气参数对比

2.3.3 牵引电机

牵引电机采用既有速度350 km/h 动车组技术方案，需改变电机的牵引特性曲线和再生制动特性曲线，牵引电机电气参数对比见表4。

表4 牵引电机电气参数对比

3 牵引能力分析

（1）全动力（4M4T）牵引计算，牵引特性曲线如图2 所示。

图2 全动力牵引特性曲线

山区型（10 000 kW）方案在25‰ 坡道平衡速度最高，达到237 km/h，有利于在大坡道线路持续运行；计算结果和结论见表5。

表5 牵引性能指标校验

（2）当动车组50%动力失效，在25‰坡道，牵引特性曲线、闯分相加速曲线如图3、图4 所示。

图3 50%动力失效，25‰坡道启动牵引特性曲线

图4 50%动力失效，25‰坡道闯分相加速曲线

山区型（10 000 kW）方案在动车组50% 动力失效（损失2 节车动力）时，可在25‰ 的坡道上起动，且平衡速度点为137 km/h，在过分相前3.4 km即可达到100 km/h，满足“在定员载荷下可在25‰的坡道上起动，并低速过分相要求”。

4 制动能力分析[4]

山区型（10 000 kW）方案在动车组50% 动力失效（损失2 节车动力）时，在25‰ 坡道仅使用电制动，以速度250 km/h 下山，如图5 所示。

图5 50%动力失效，25‰坡道电制动能力

《时速250 公里中国标准动车组暂行技术条件》［5］中规定了制动盘热容量需满足动车组最高允许速度下连续2 次紧急制动的热负荷要求，并需满足最高试验速度下的紧急制动能力要求。通用型据此开展了17 t 满轴重在30‰坡道条件下的热容量计算，结果满足要求。因此，采用通用型基础制动可满足西成线25‰坡道线路条件的运用要求。热容量计算结果见表6。

表6 热容量仿真计算结果

5 结 论

山区型动车组技术方案，综合考虑经济性、自主化、统型要求，基于通用型动车组平台，根据运用需求对动车组的性能要求，按照技术性能优、技术变动小、运用维护界面不变、经济性好的原则开展方案设计。通过仿真计算分析，得出如下结论：

（1）动车组牵引性能。全动力时，上坡道平衡速度为237 km/h；50%动力时，可在上坡道起动并维持137 km/h 的速度运行，保证过分相速度不低于80 km/h。

（2）动车组制动性能。电制动正常时，电制动能力满足下坡道250 km/h 的速度运行要求；损失50%电制动时，电制动能力满足下坡道不低于200 km/h 的速度运行要求；损失100%电制动时，纯空气制动能力满足下坡道空气制动调速200 km/h 运行，并可在邻近坡底时实施一次紧急制动停在坡道上。

综上所述，基于既有速度250 km/h 动车组平

台，4M4T，牵引功率10 000 kW 的动车组设计方案，满足西成客专长大坡道对动车组的运用需求。