高海拔雙源制動力集中動車組關鍵技術分析

肖孝軍，張桂南，周毅，趙宇

（1 中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；2 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）

為實現動力集中動車組在高海拔線路的貫通運行，滿足高海拔地區的經濟發展需求，研制高海拔雙源制動力集中動車組（下文簡稱“高海拔雙源制動車組”），對提高路網效率、降低運營成本、優化電力與內燃區段“最后一公里”的銜接，增強應急保障能力等具有積極作用；對實現我國內陸市場動車組的全面覆蓋意義重大。

適用于高原環境的雙源制動車組還屬于世界空白［1］，當前世界上適用于高海拔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［2］、高原HXD1D型機車、高原HXD1C型機車、青藏高原客車、KD25T［3］青藏鐵路發電車等產品［4-5］，研究高海拔雙源制動車組需對既有高原機車車輛開展系統性技術提升。

對高海拔雙源制動車組的關鍵技術特征、技術難點進行詳細梳理，研究了該型動車組的技術路線；為實現內電牽引的便捷轉換技術，并在此基礎上著重對高海拔雙源制動車組的高原牽引能力、動車組一體化設計及高原適應性優化提升策略進行詳細分析。

1 高海拔雙源制動車組關鍵技術思路

1.1 技術特征

結合動車組在電氣化和非電氣化線路都能實現牽引運用的需求，動車組需同時具有電力牽引和內燃牽引能力。為充分借鑒成熟可靠的技術，對動力源進行內燃、電力分置式設計，在此基礎上實現電力動力車和內燃動力車列車級互聯互通互控功能。

（1）內燃、電力分置式設計

電力動力車（6 軸）+8～12 輛拖車+內燃動力車（雙節6 軸）的編組形式，編組形式如圖1 所示。

圖1 內燃、電力分置式動車組編組示意圖

依托CR200J 動車組（鼓形）的技術平臺，兩端的動力 車替換 成1 臺6 軸（C0-C0）動力車（高 原HXD1D機車上一般性改進）和1 臺雙節6 軸（A1AA1A）內燃動力車（在FXN3內燃機車上一般性改進）。需對原有平臺進行高海拔適應性改進，電力動力車和內燃動力車車體除了開展鼓形化改進，還應充分開展可靠性提升工作。

（2）列車級互聯互通互控

針對內燃和電力2 種模式下電氣系統、通風冷卻系統共用性問題，進行融合集成式設計，實現雙動力源系統兼容、內電融合設計；雙源制動力車需采用一套微機網絡控制系統既滿足電力模式下整車控制需求，同時滿足內燃模式下整車控制需求，并實現動車組整列互聯互通互控。

1.2 技術難點

國內動車組采用內燃、電力雙源動力模式尚屬首次，存在以下技術難點：

（1）內燃、電力動力的互聯互通互控。內燃、電力動力車的微機網絡系統均需具備內燃、電力系統控制功能，操縱部件兼容內燃、電力模式；司機顯示屏需同時顯示內燃、電力動力車信息，并提示牽引模式、主控端；既有電力機車司控手柄設速度、轉矩2 種模式，內燃機車僅有轉矩模式，需在保證整列牽引、制動一致性的前提下，對司控手柄采用兼容內燃、電力模式的設計。

（2）列車供電電源系統。需滿足供氧和動力車非主控時用電，同時考慮過分相控制、冗余方式；為保證旅客安全，需設置應急供氧、應急通風功能，整列供氧聯網控制。

（3）電力動力車牽引工況下的內燃動力車保溫。為實現柴油機具備保溫且短時間內啟動帶載的能力，需采用冷備（外部供電給柴油機保溫）和熱備（柴油機惰轉）兼備方案。為減少噪音和節約燃油，優先采用冷備方案，即采用電力動力車列車供電給柴油機保溫。2 節內燃動力車柴油機保溫負荷較大，電力動力車列供模塊、列車供電干線和連接器需進行擴容，重新選型設計。當柴油機水溫低于要求溫度或需轉非電化區段大功率牽引前，啟動柴油機加溫。

（4）內燃動力車柴油機組高海拔適應性技術。高海拔地區空氣稀薄，柴油機進氣量不足，導致空燃比降低，燃燒不良，產生排溫高、積碳重、黑煙、油耗大等問題；高海拔環境需采用高壓比增壓器后，壓比上升會導致壓氣機后的空氣溫度提高，需有效控制中冷后空氣溫度，優化最佳排放和油耗；高海拔進氣量下降造成爆發壓力降低，原控制系統設置的供油提前角稍顯不足；高海拔地區風沙、溫差等因素對線束造成一定影響，需要針對性進行改進；此外高海拔地區的檢修和救援條件有限，需進一步提升柴油機安保預警和檢修輔助能力。

（5）內燃、電力動力車及拖車安全監測技術。該雙源制動車組在既有電力CR200J（鼓形）動車組一體化安全監測網絡的基礎上，融合內燃動力車監測項點，實現內燃、電力動力車及拖車行車安全關鍵部件全覆蓋監測，同時進行狀態顯示、報警提示及診斷。

（6）高海拔地區的氣候、多隧道條件適應技術。高海拔鐵路沿線氣候環境惡劣，高海拔缺氧、低溫低壓、強紫外線、大風沙、雨雪和雷擊頻繁，全線多隧道且線路條件復雜。為適應高海拔氣候和多隧道條件，需對動車組的電氣絕緣和防雷擊、通風冷卻系統、供氧、車輛氣密性和壓力控制，以及應急自救援等方面進行技術改進提升。

（7）動車組大功率內燃、電力集成技術在分置式的基礎上需對高海拔高速柴油機研究開發、牽引系統共用、輕量化設計等方案進行技術創新、突破。

1.3 技術路線

針對高海拔雙源制動力集中動車組的運用需求，在分析既有CR200J（鼓形）動車組產品平臺和試驗平臺的基礎上，開展內燃機車柴油機增壓系統優化控制、中冷器高原性能提升、柴油機控制系統性能提升技術，電力機車絕緣性能提升、司機室制氧系統優化、安全可靠性提升技術，及內電動力互聯互通互控、一體化安全監測技術研究；在此基礎上開展牽引能力分析、仿真分析等，進而研制樣機并開展試驗驗證工作，構建滿足高海拔環境運用需求的雙源制動力集中動車組產品平臺，高海拔雙源制動車組技術路線如圖2 所示。

圖2 高海拔雙源制動車組技術路線

2 高海拔雙源制動車組關鍵技術分析

2.1 主要技術參數

國外對雙源制機車的研究制造已有超過60 年歷史，近15 年也逐漸開發制造了雙源制動車組。其中，龐巴迪研制的雙源制動車組B81500 和B82500 在法國運營，Talgo 與龐巴迪合作生產的S730 動車組在西班牙運營?？紤]高海拔鐵路的運用環境，我國高海拔雙源制動車組牽引輪周功率與國外雙源制動車組存在明顯差異，對比情況見表1。

表1 雙源制動車組主要技術參數

2.2 動車組高海拔運行能力

動車組以內燃、電力模式運行時起動牽引力分別為490、420 kN，動車組動力車牽引特性如圖3所示。動車組0～40 km/h的平均加速度不小于0.3 m/s2；電力牽引模式160 km/h 運行、內燃牽引120 km/h 運行的剩余加速度不小于0.05 m/s2；50%動力失效時，可在12‰坡道啟動并維持運行，電力牽引模式下坡道平衡速度不低于83 km/h（新輪）；內燃牽引模式下、列供不工作時坡道平衡速度不低于50 km/h（新輪）。

圖3 動車組動力車牽引特性曲線（半磨耗輪）

2.3 動車組高海拔適應性優化提升

2.3.1 柴油機組關鍵子系統性能優化

內燃動力車采用12V265-B 型柴油機，針對增壓器、中冷器、控制系統、排氣波紋管等進行高原適應性改進，在保持柴油機高海拔運用性能的同時，提升可靠性、安全性、可維護性和可用性。柴油機系統如圖4 所示。

圖4 柴油機系統效果圖

（1）增壓器高海拔適應性改進

12V265-B 柴油機采用高海拔增壓器，并配備高壓比葉輪和可變噴嘴環（VTG）控制技術，提升柴油機運用海拔跨度，最大程度增加空氣進氣量，尤其能夠提升中間檔位進氣壓比。針對高海拔環境調整VTG 控制程序，優化增壓器預警保護策略。在中冷器靠近增壓器端增加增壓器風冷管路安裝接口，為增壓器通風冷卻提供風源?？紤]中冷器底部增加放水裝置，便于高寒時泄水檢查需求。中冷進氣道加裝減振支架，并外包隔熱套。

（2）中冷器高海拔適應性改進

12V265-B 型柴油機基于原中冷器結構進行空間擴容，保持銅管片雙流程，增加內部管片、通過截流方式提高壓力，降低流速，進而更好地提升換熱效率。

（3）柴油機控制系統高海拔適應性改進

增加噴油正時隨環境變化智能調節的功能，通過對絕對進氣壓力以及外部溫度的識別，自動調整供油提前角和進氣壓比，優化燃燒。增加VTG 增壓器聯控功能，實現進氣、噴油的聯合調控，從而實現最佳空燃比，優化燃燒。增強監控、預警及保護能力、傳感器冗余設計。優化機油、冷卻水溫度的保護；增加排氣溫度和中冷后空氣溫度的保護；加裝防爆閥裝置；預留金屬粒子報警功能。

（4）多隧道適應性

為了降低動力車隧道運用時冷卻風扇吸入的柴油機高溫排煙含量，盡量降低隧道內柴油機高溫排煙對冷卻能力的影響，新車設計的冷卻風扇進風口距離軌面高度盡量降低。

內燃動力車在通過隧道時，本務機車受隧道影響較小，重聯機車由于吸入空氣中含有本務機車排出的尾氣，導致通風冷卻能力存在一定影響。為了降低機車通過隧道時的影響，設置本務機車在隧道中不進行功率修正，或進行小范圍修正，重聯機車功率按要求進行一定比例修正，保證機車通過隧道時冷卻通風滿足使用需求。

2.3.2 高海拔乘坐舒適性改造

拖車采用25T 型青藏客車成熟的供氧系統部件，同時增大蓄電池容量和增設不間斷電源，適應分相區斷電并具備90 min 應急供氧功能（接觸網斷電），制氧空壓機在過分相前提前卸載、降低功率，拖車可通過蓄電池組實現空壓機負載過分相區不間斷供電，應急供電原理如圖5 所示；司機室采用變壓吸附法供氧、風源冗余的方案。

圖5 應急供電原理圖

動車組增設壓力波保護功能，適應多隧道條件。采用主動、被動壓力波保護結合的方式，實現空調機組壓力波保護功能，降低過隧道壓力變化對旅客的影響。

2.3.3 電氣絕緣性能提升

為適應低氣壓、雷暴環境，采用高原HXD1D型電力機車、25T 型青藏客車、FXN3機車成熟的技術，按照4 000 m 海拔設計，提升高壓、牽引、網絡系統及其他用電設備的絕緣、介電強度及防雷性能。

2.3.4 防紫外線性能提升

采用高原HXD1D型電力機車、25T 型青藏客車、FXN3機車成熟技術，對外部油漆、車端風擋、操縱臺及車外非金屬部件進行防紫外線、抗老化性能提升；動車組全列采用防紫外線前窗、側窗玻璃。

2.3.5 氣密性能提升

在CR200J（鼓形）動車組、25T 型青藏客車氣密性方案基礎上，車體采用氣密性焊接，外部焊縫滿焊密封，地板不設排水孔，冷凝水集中排放，提高車體密封性能。

2.3.6 環保性能提升

適應高海拔運用的環保需求，動力車輪緣潤滑脂采用環保脂；拖車采用25T 型青藏客車污水收集方案，在污物箱上集成或設置污水收集功能，集中收集，定點排放。

2.4 動車組雙源一體化設計

（1）互聯互通互控

動車組控制網與監測網采用一體化設計。動車組網絡控制系統協調中央控制系統與各子系統的控制、監視與診斷任務，匯總各子拖車的控制、診斷及監測系統由車輛電氣監控系統、行車安全監控系統、動拖車信息交換接口組成網絡拓撲，動車組整列網絡拓撲如圖6 所示。

圖6 動車組整列網絡拓撲圖

司機室操縱臺及其他設備布置與CR200J（鼓形）動車組簡統，操縱臺增加柴油機起停機按鈕、勵磁按鈕、模式轉換按鈕，實現同一操縱臺既可操縱電力動力車，也可以操縱內燃動力車。

動車組依托既有動力集中動車組互聯互通技術平臺與標準體系，形成動車組內電動力模式選擇控制策略、內燃動力車柴油機重聯起?？刂撇呗?、內燃動力車勵磁控制策略、內燃動力模式下換端控制策略、遠程牽引力控制策略、蓄電池欠壓保護控制策略等，進而適應高原環境下內燃、電力雙源制動車組的穩定運行。

（2）車體外觀一體化

整列車外觀采用一體化設計，頭型在CR200J（鼓形）動車組頭型的基礎上［6］，進行適應性修正，司機室頭型如圖7 所示。電力動力車在高原HXD1D機車的基礎上側頂部及后部增加導流罩，內燃車后部增加導流罩，實現與拖車的平滑過渡。對整列車的外觀色彩方案及內裝方案進行提升；動力車各類底漆、膩子、中涂漆及面漆均與拖車簡統，保證動車組涂裝一體化設計。動車組截面采用CR200J（鼓形）動車組截面［7］，電力動力車、拖車、內燃動力車車體斷面一致。

圖7 司機室頭型示意圖

電力動力車、內燃動力車尾部均采用在青藏客車上有成熟運營經驗的密接式車鉤，鉤頭連掛面增加密封條，對連掛后兩車鉤連掛面進行密封；外風擋采用CR200J（鼓形）動車組外風擋結構，增強耐風沙、耐紫外線能力；內風擋采用CR200J（鼓形）動車組的風擋結構，并進行高原適應性優化，增加風擋的耐紫外線、耐低溫、耐老化能力；電氣接口、機械接口均與拖車簡統。

（3）動車組制動同步性

動車組采用與既有CR200J（鼓形）動車組相同的電空制動機，提升全列制動同步性。設置全列停放制動控制貫穿線與停放制動安全環，具備全列停放制動電控功能、狀態檢測與顯示功能及相關保護邏輯，簡化了車輛停放制動相關操作、提高了動車組停放制動可靠性。

動力車能根據列車管減壓量，在空電聯合功能可用或不可用時分別實施電制動作用或空氣制動作用，且動力車的2 種制動作用的大小、快慢相互匹配，與車輛的空氣制動作用相匹配，減小全列制動施加和緩解時的全列沖動。

（4）制氧/供氧一體化

動車組采用一體化制氧設計，動力車司機室供氧系統采用變壓吸附法供氧、風源冗余的方案，正常情況由拖車給動力車制氧系統提供壓縮空氣，動力車司機室通過制氧機彌散式供氧，動力車制氧系統工作原理如圖8 所示。拖車不能提供壓縮空氣時，由動力車制氧系統自備壓縮機提供壓縮空氣，進行分布式供氧。

圖8 動力車制氧系統工作原理示意圖

拖車采用彌散和分布式相結合的供氧方式，制氧機裝置采用膜分離制氧原理進行制氧，彌散式供氧與空調送風混合后提高車內空氣中氧的濃度，客室側墻或座椅下方等與乘客鄰近的位置設置分布式供氧快接接頭。動車組每輛拖車設2 臺空壓機和1 個280 L的儲氣罐。

（5）壓力波保護一體化

為適應高海拔線路連續多隧道的線路條件，提升乘坐舒適性，動車組增加壓力波保護功能，壓力波控制采用主動式壓力波保護和被動式壓力波保護相結合的方式。電力動力車及內燃動力車設置壓力波控制裝置，采集車內和車外氣壓，根據壓差將壓力波保護信號通過繼電器干觸點的形式給到車輛控制系統。動車組車輛控制系統綜合壓力波控制裝置的壓力波保護信號和線路信號系統的隧道信號，向全列空調系統（動力車空調、拖車空調及廢排）發出壓力波保護硬線信號。壓力波保護控制邏輯如圖9 所示。

圖9 壓力波保護控制邏輯

圖10 DC 600 V 列車供電貫通示意圖

（6）列車供電一體化

電力動力車和內燃動力車列車供電系統沿用高原HXD1D機車和FXN3機車產品基礎上進行適應性調整；電力動力車或內燃動力車列供進行獨立供電設計，一定程度上保障了供電的安全性。拖車沿用既有CR200J（鼓形）動車組DC 600 V 電路配置，新增制氧設備進行高原技術提升。

3 結論

文中結合我國高海拔鐵路的惡劣環境，詳細歸納了高海拔雙源制動車組的內燃/電力分置式技術特征、內電融合技術特征、該型動車組技術難點，明確了高海拔雙源制動車組的牽引能力，并在此基礎上對動車組一體化設計及高海拔適應性優化提升策略進行探討，得出以下結論：

（1）該型動車組0～40 km/h的平均加速度不小于0.3 m/s2；電力牽引模式160 km/h、內燃牽引模式120 km/h 運行時的剩余加速度不小于0.05m/s2。

（2）內燃動力車采用12V265-B 高原增壓器、高原中冷器，并優化了柴油機控制策略，進而適應高海拔環境。拖車增大蓄電池容量和增設不間斷電源，適應分相區斷電并具備90 min 應急供氧功能。動車組增設壓力波保護功能，進而保證多隧道條件下旅客舒適性。

（3）按照4 000 m 海拔條件設計動車組電氣絕緣、防紫外線、氣密性及環保性能。

（4）動車組控制網與監測網需采用一體化設計，從而實現互聯互通互控的功能；車體外觀、制動性能、制氧/供氧、壓力波保護及列車供電均需實現一體化設計。