適用于干線鐵路的時速160km城際車研制

孫 闖，鄒 欣，叢培鵬

(中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116000)

城際車是在世界鐵路客運發(fā)展趨勢的宏觀背景下，結(jié)合我國鐵路客運改革需要推出的更能適應(yīng)市場、滿足經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的旅客列車新品種。城際列車是介于干線鐵路和城市軌道之間的一種新型軌道交通運行方式，城際線路一般不超過300 km，一次出行不超過2 h即可到達(dá)目的地，主要為城市帶或城市群的居民提供公務(wù)、商務(wù)服務(wù)(工作圈)和通勤、通學(xué)服務(wù)(生活圈)。近些年，國內(nèi)各軌道交通裝備制造企業(yè)陸續(xù)開展了城際車的研制，如中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研制的CRH6F型城際車[1]、中車株洲電力機(jī)車有限公司研制的CJ-6型城際車等[2]。

中車大連機(jī)車車輛有限公司在成熟的機(jī)車和城軌車輛設(shè)計、集成能力基礎(chǔ)上，研制了一款適用于干線鐵路的時速160 km城際車。相對于其他城際車，該車具備靈活編組的特點，采用了全新的單點碰撞吸能結(jié)構(gòu)、單空簧中間支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架、工業(yè)以太網(wǎng)冗余傳輸網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，在自主化、安全性、可靠性、智能性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等方面均取得了新的突破。

1 總體設(shè)計方案

1.1 車輛限界

車輛限界滿足GB 146.1—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》中的電力機(jī)車限界和《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(高速鐵路部分)中的客運專線鐵路機(jī)車車輛限界要求。

1.2 列車編組形式及主要技術(shù)參數(shù)

列車采用2動2拖4輛編組，其編組形式為：+Mc1-Tp2-Tp3-Mc4+，其中，“+” 表示半自動車鉤， “-” 表示半永久牽引桿，Mc表示帶司機(jī)室的動車，Tp表示帶受電弓的拖車[3]。

車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

車輛采用架控接觸網(wǎng)供電，額定供電電壓為單相AC 25 kV ，50 Hz(17.5～31 kV)，最高運行速度為160 km/h，試驗速度為176 km/h，反向退行最大速度為20 km/h。

車輛主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.4 靈活編組方案

為滿足不同線路的運載能力需求，車輛設(shè)計時充分考慮了由4輛編組擴(kuò)編為6輛編組和8輛編組的方案，并對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)留接口設(shè)計，盡量避免擴(kuò)編時改造。6輛編組擴(kuò)編方案為：Mc1+Tp2+T1+M1+Tp3+Mc4，8輛編組擴(kuò)編方案為：Mc1+Tp2+ T1+M1+ M2+T2+Tp3+Mc4。其中：T1、T2為不帶受電弓的拖車，車體鋼結(jié)構(gòu)、車輛設(shè)備及布置方案除受電弓外，與Tp車完全相同；M1、M2為不帶司機(jī)室的動車，車體鋼結(jié)構(gòu)、車輛設(shè)備及布置方案除司機(jī)室頭罩外，與Mc車完全相同。

各系統(tǒng)預(yù)留接口設(shè)計。如網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，當(dāng)車輛靈活編組時，通過WTB和ETB可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址的自動分配，在車輛編組后重新上電，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)即能自動實現(xiàn)靈活編組后的控制功能。再如空壓機(jī)的控制和管理，當(dāng)車輛靈活編組時，中央控制單元將當(dāng)前的編組狀態(tài)通過MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給制動控制單元，制動控制單元根據(jù)列車編組信息和日期，定義全列各空壓機(jī)的啟動優(yōu)先級：4輛編組和8輛編組時，空壓機(jī)啟停依據(jù)日期單雙號進(jìn)行控制；6輛編組時，依據(jù)日期輪換3臺空壓機(jī)的啟動優(yōu)先級。

空壓機(jī)配置與優(yōu)先級定義分別見表3、表4。

表3 空壓機(jī)配置表

表4 空壓機(jī)啟動優(yōu)先級

2 主要結(jié)構(gòu)

2.1 車體鋼結(jié)構(gòu)

車體鋼結(jié)構(gòu)主要分為帶司機(jī)室的動車和帶受電弓的拖車2種，其主承載結(jié)構(gòu)采用大斷面鋁合金擠壓型材整體承載的全焊接結(jié)構(gòu)。車體強度滿足EN 12663：2010+A1：2014《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》中P-Ⅱ類車輛標(biāo)準(zhǔn)，能承受縱向壓縮載荷1 500 kN、縱向拉伸載荷1 000 kN、扭轉(zhuǎn)載荷40 kN·m。

采用4級吸能車體結(jié)構(gòu)，其中第4級吸能結(jié)構(gòu)采用全新設(shè)計的單點碰撞吸能結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該吸能結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的雙點吸能結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更簡單，安裝更方便，占用空間更小，且有利于車輛頭部流線型的設(shè)計，降低車輛的空氣阻力。車輛防撞性能滿足EN 15227：2008+A1：2010《鐵路應(yīng)用 鐵路車體的防撞性要求》中C-Ⅰ類車輛標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)2列相同列車以36 km/h相對速度碰撞時，保證客室生存空間變形量≤1%(列車質(zhì)量：空載質(zhì)量+1/2座席質(zhì)量)。

圖1 碰撞吸能結(jié)構(gòu)及安裝

2.2 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架分為動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)相似。轉(zhuǎn)向架主要包括構(gòu)架組成、輪對、軸箱及一系懸掛裝置、二系懸掛裝置(包含聯(lián)系枕梁)、牽引裝置、基礎(chǔ)制動裝置、踏面修型裝置、附屬裝置等。其主要創(chuàng)新點為：二系懸掛系統(tǒng)采用單空簧中間支撐結(jié)構(gòu)，2套抗側(cè)滾扭桿，輔以各向減振器；設(shè)置二系聯(lián)系枕梁，枕梁內(nèi)腔采用密封結(jié)構(gòu)作為空簧附加氣室，采用碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)。

二系懸掛裝置及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

1.抗蛇行減振器；2.二系垂向減振器；3.聯(lián)系枕梁；4.空氣彈簧； 5.抗側(cè)滾扭桿；6.二系橫向減振器。

圖3 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)示意圖

和雙空簧相比，單空簧結(jié)構(gòu)減小了車體與轉(zhuǎn)向架之間的回轉(zhuǎn)力矩，釋放了車體與轉(zhuǎn)向架之間的最大轉(zhuǎn)角，兼顧了車輛的曲線通過能力和動力學(xué)性能，且具有質(zhì)量輕、噪聲小、性能可靠、檢修方便、易于分解和組裝等特點。

2.3 牽引輔助系統(tǒng)

列車配置2套牽引輔助系統(tǒng)。牽引輔助系統(tǒng)主要由網(wǎng)側(cè)高壓電器、牽引變壓器、牽引輔助變流器、充電機(jī)、蓄電池、牽引電動機(jī)等組成，具有再生制動、空轉(zhuǎn)/滑行控制、無火回送等功能。

網(wǎng)側(cè)高壓電器主要由DSA250型單臂受電弓和高壓電器箱(真空斷路器、高壓隔離開關(guān)和避雷器)組成，為車輛提供25 kV電源。牽引變壓器內(nèi)部采用一體化多繞組結(jié)構(gòu)，外部采用冷卻單元與變壓器集成式結(jié)構(gòu)，采用強迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷方式，冷卻介質(zhì)為脂油，總?cè)萘繛? 700 kVA，采用下懸式安裝方式。

牽引輔助變流器采用兩電平電壓型變流器，主輔一體化設(shè)計，主要由牽引變流器、輔助變流器、牽引控制單元、冷卻系統(tǒng)等組成，單臺牽引變流器額定輸出功率為2×740 kW。輔助變流器采用交流輸出母線并網(wǎng)供電方式，單臺輔助變流器額定輸出容量為200 kVA，在動車組過無電區(qū)時，利用牽引輔助變流器的再生工況可以實現(xiàn)供電保持狀態(tài)[4]。

充電機(jī)為負(fù)載提供輸出DC 110 V電源，同時對蓄電池充電，具有輸出短路、過流、過載及輸入過/欠壓等保護(hù)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多臺充電機(jī)并聯(lián)工作。列車配置2組蓄電池，并聯(lián)使用，蓄電池總?cè)萘?40 Ah，其輸出能力滿足列車各種負(fù)載工況的用電需求。

采用三相異步感應(yīng)牽引電動機(jī)。電動機(jī)采用強迫通風(fēng)方式冷卻，額定牽引功率350 kW。

2.4 信號安全系統(tǒng)

信號安全系統(tǒng)包括列車自動防護(hù)系統(tǒng)、綜合無線通信系統(tǒng)和自動過分相系統(tǒng)。

列車兩端各安裝一套獨立的列車自動防護(hù)系統(tǒng)車載設(shè)備，其總體結(jié)構(gòu)采用硬件冗余結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵設(shè)備均采用雙套，核心設(shè)備采用“3取2”或者“2×2取2”方式，防止在任何情況下發(fā)生列車無行車許可的運行。

綜合無線通信系統(tǒng)是基于GSM-R數(shù)字移動通信技術(shù)、GPS全球定位技術(shù)、450 MHz及800 MHz模擬無線電臺通信技術(shù)開發(fā)的綜合車載通信設(shè)備，具有無線寬帶數(shù)據(jù)傳輸功能，工作模式自動、手動轉(zhuǎn)換和語音提示功能，上下行線路分別設(shè)定工作模式轉(zhuǎn)換點的功能以及整機(jī)自檢和故障定位功能等。

自動過分相系統(tǒng)由車載控制設(shè)備、信號接收設(shè)備、連接器電纜、安裝附件等組成。自動過分相系統(tǒng)用于列車過分相區(qū)時，接收地面磁枕信號以確定列車位置，由車載控制設(shè)備處理后向列車微機(jī)發(fā)出信號，使列車自動卸載、斷主斷路器，惰行通過無電區(qū)后合主斷路器恢復(fù)牽引電流，完成自動過分相操作。

2.5 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分為兩級總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，列車級總線采用WTB和列車級以太網(wǎng)(ETB)，車輛級總線采用MVB和工業(yè)級以太網(wǎng)(ECN)，其中WTB、MVB作為主控，以太網(wǎng)作為冗余備份，當(dāng)MVB通信故障時，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將切換至以太網(wǎng)總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要功能包括：列車級控制功能、運行控制功能、高壓系統(tǒng)控制功能、牽引系統(tǒng)控制功能、輔助系統(tǒng)控制功能、低壓系統(tǒng)控制功能、制動系統(tǒng)控制功能、其他控制功能以及計算功能等。列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

EREP.以太網(wǎng)中繼器；ETBN.骨干網(wǎng)交換機(jī)；ECN.組成網(wǎng)交換機(jī)；REP.中繼器；GW.網(wǎng)關(guān)； CCU.中央控制單元；HMI.顯示屏；RIOM.遠(yuǎn)程輸入輸出單元。

2.6 制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)采用微機(jī)控制的直通式電空制動系統(tǒng)，遵循“故障導(dǎo)向安全”的設(shè)計原則，主要功能充分考慮了冗余性。制動控制采用車控方式，以單元為單位進(jìn)行空電復(fù)合制動的管理，按模式曲線控制列車減速或停車。

制動系統(tǒng)具有常用制動，緊急制動EB，緊急制動UB，停放制動，保持制動，乘客緊急制動，車輪滑行保護(hù)WSP，非冗余的不旋轉(zhuǎn)軸檢測DNRA，監(jiān)測、診斷和故障記錄等功能。配備了BP救援轉(zhuǎn)換裝置，可由采用自動式空氣制動系統(tǒng)的中國既有機(jī)車操縱控制(包括制動與緩解),以滿足救援和回送需求。

2.7 空調(diào)系統(tǒng)

列車設(shè)有客室空調(diào)機(jī)組、廢排裝置、壓力波保護(hù)裝置、風(fēng)道系統(tǒng)和獨立的司機(jī)室空調(diào)機(jī)組。

每節(jié)車安裝2臺制冷量37 kW、制熱量17 kW、風(fēng)量4 000 m3/h的客室空調(diào)機(jī)組，1臺通風(fēng)量3 060 m3/h的廢排裝置與一整套風(fēng)道系統(tǒng)，可實現(xiàn)通風(fēng)、預(yù)冷、制冷、預(yù)熱、制熱及緊急通風(fēng)等功能，為乘客提供一個舒適的客室環(huán)境。

司機(jī)室安裝1臺制冷量5 kW、制熱量5 kW、風(fēng)量900 m3/h的空調(diào)機(jī)組，采用主動式壓力保護(hù)系統(tǒng)。高壓風(fēng)機(jī)在運轉(zhuǎn)時可以抵抗外界的壓力波，實現(xiàn)對司機(jī)室內(nèi)壓力舒適性的控制。

2.8 車門系統(tǒng)

列車設(shè)有單開塞拉門和雙開塞拉門，頭車每側(cè)配置1個單開塞拉門和2個雙開塞拉門，中間車每側(cè)配置3個雙開塞拉門。

車門供電電壓為DC 110 V，單開門凈通過寬度800 mm，雙開門凈通過寬度1 300 mm，凈通過高度均為1 900 mm，所有車門均具有開關(guān)門延時、開關(guān)門二次緩沖、障礙物檢測、故障切除、旁路、自診斷、故障記錄和氣動鎖緊等功能。

2.9 車鉤系統(tǒng)

列車配置3種車鉤系統(tǒng)：頭尾車配置全自動車鉤；中間車配置半永久車鉤，分為帶緩沖器車鉤和帶壓潰管車鉤；為了實現(xiàn)救援和回送，額外配置過渡車鉤，放置于車下箱體內(nèi)，過渡車鉤包括10 型過渡鉤模塊和機(jī)車過渡鉤模塊，在救援和回送時，實現(xiàn)端部全自動車鉤與救援機(jī)車連掛。

3 試制及試驗

2019年9月，適用于干線鐵路的時速160 km城際車總組裝完成,同年11月，車輛靜態(tài)調(diào)試完成并委托第三方按《高速動車組整車試驗規(guī)范》(鐵運[2008]28號文)進(jìn)行整車型式試驗，目前車輛已完成車體靜強度、轉(zhuǎn)向架均衡性、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車輛稱重、限界、動應(yīng)力和動力學(xué)等試驗，試驗結(jié)果均合格。圖5為適用于干線鐵路的時速160 km城際車。

圖5 適用于干線鐵路的時速160 km城際車

4 結(jié)束語

中車大連公司研制的適用于干線鐵路的時速160 km城際車兼顧了地鐵車輛快速乘降、快速啟停的特點，該車在車體、轉(zhuǎn)向架設(shè)計和靈活編組設(shè)計方面采用了多項創(chuàng)新技術(shù)，整車技術(shù)先進(jìn)，性能安全可靠。