蘭新高速鐵路環(huán)境對(duì)動(dòng)車組性能的影響分析及對(duì)策

韓春剛，宋永順

（烏魯木齊鐵路局 車輛處，烏魯木齊 830011）

蘭新高速鐵路環(huán)境對(duì)動(dòng)車組性能的影響分析及對(duì)策

韓春剛，宋永順

（烏魯木齊鐵路局 車輛處，烏魯木齊 830011）

簡(jiǎn)要闡述蘭州—烏魯木齊高速鐵路（蘭新高鐵）地區(qū)高溫、高寒、風(fēng)沙、強(qiáng)紫外線、高海拔和長(zhǎng)交路等環(huán)境特點(diǎn)，重點(diǎn)分析地理環(huán)境和自然氣候?qū)?dòng)車組性能、使用、維修等方面帶來(lái)的危害及影響，提出提高蘭新高鐵動(dòng)車組適應(yīng)性的對(duì)策。

蘭新高鐵；環(huán)境；動(dòng)車組；影響；對(duì)策

蘭州—烏魯木齊高速鐵路（以下簡(jiǎn)稱“蘭新高鐵”）即將建成，我國(guó)高寒、高原、風(fēng)沙戈壁地區(qū)將擁有第一條高速鐵路。因蘭新高鐵途經(jīng)地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，在該地區(qū)運(yùn)行的動(dòng)車組，將會(huì)受到自然環(huán)境惡劣的影響，動(dòng)車組的功能、性能及可靠性等均會(huì)受到不同程度的影響，嚴(yán)重時(shí)可危及到動(dòng)車組的安全運(yùn)行。作為現(xiàn)代交通工具，其在上述地區(qū)運(yùn)行將面臨嚴(yán)酷環(huán)境氣候的挑戰(zhàn)。因此，研究分析蘭新高鐵途經(jīng)地區(qū)環(huán)境對(duì)動(dòng)車組使用、維修和發(fā)展的影響具有重要意義。

1 蘭新高鐵途經(jīng)地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)

由于新疆、青海和甘肅地處西北，其地理環(huán)境和自然氣候極為特殊、復(fù)雜，并呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

（1）夏季氣溫高、冬季氣溫低。由于地處西北，季節(jié)特征顯著，夏季炎熱短促，冬季寒冷漫長(zhǎng)，且晝夜氣溫變化大。夏季炎熱極端程度出現(xiàn)在6月～8月，各地差異較大，在新疆地區(qū)，南疆一般在30 ℃～40 ℃，北疆在26 ℃～34 ℃。而高鐵約126.25 km途經(jīng)的吐魯番地區(qū)，氣溫日平均溫度在39 ℃，歷史最高溫度達(dá)到48 ℃。冬季約有6個(gè)月左右，寒冷極端程度的氣溫出現(xiàn)在頭年12月～來(lái)年2月，新疆地區(qū)各地均在-22 ℃以下。而動(dòng)車組存放、檢修基地處于烏魯木齊市西端丘陵地帶，冬季平均溫度在-16 ℃，歷史最高溫度達(dá)到-38 ℃。

（2）四季風(fēng)沙大、大風(fēng)天氣多。因氣候和地理位置條件，西北地區(qū)多處為戈壁干旱地區(qū)，由于植被少、土壤及大氣濕度小，周邊有塔克拉瑪干、古爾班通古特、巴丹吉林等幾處沙漠。加之蘭新高鐵途經(jīng)區(qū)段大風(fēng)期長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)年均達(dá)到200天以上，酒泉地區(qū)最大風(fēng)速為20 m/s～34.5 m/s，新疆境內(nèi)三大風(fēng)區(qū)平均最大風(fēng)速分別為37.6 m/s，年平均風(fēng)速為6.1 m/s，因此沙塵量大。

（3）光照輻射強(qiáng)、大氣壓力低。由于西北地區(qū)日照時(shí)間長(zhǎng)，空氣透明度好，所以紫外線輻射強(qiáng)烈，全年日照時(shí)數(shù)為3 200 h～3 300 h，輻射量在6 680 MJ/m2～8 400 MJ/m2，而海拔每上升1 000 m輻射量約增加10%，而甘青段平均海拔達(dá)到了3 100m左右。

（4）高鐵線路長(zhǎng)、運(yùn)行時(shí)間久。自烏魯木齊至蘭州西，蘭新高鐵全長(zhǎng)約1 776 km，動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)速度為2000 km/h～250 km/h。按照最高速度250 km/h運(yùn)行也需7 h以上，按實(shí)際將要運(yùn)行8 h以上。

2 蘭新高鐵途經(jīng)地區(qū)環(huán)境對(duì)動(dòng)車組的影響

2.1 對(duì)動(dòng)力性能的影響

冬季低溫、長(zhǎng)期沙塵天氣等因素對(duì)動(dòng)車性能的影響是：（1）低溫冷車狀態(tài)下，各種潤(rùn)滑脂、液壓油等油脂粘度普遍增大，各運(yùn)動(dòng)副因得不到有效潤(rùn)滑而使摩擦阻力明顯增大。（2）在沙塵環(huán)境中，摩擦運(yùn)動(dòng)副、液壓系統(tǒng)及空氣制動(dòng)系統(tǒng)的各零部件將加速磨損，還有可能進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)部而發(fā)生堵塞，造成各系統(tǒng)出現(xiàn)功能障礙，嚴(yán)重影響使用的可靠性。（3）長(zhǎng)期的大風(fēng)天氣，動(dòng)車組受側(cè)風(fēng)影響，且風(fēng)阻增大，其運(yùn)行速度、穩(wěn)定性、品質(zhì)將受到巨大干擾。

2.2 對(duì)材料性能的影響

由于日照充足、紫外線輻射強(qiáng)烈及低溫、晝夜溫差大，對(duì)動(dòng)車組材料的影響是：（1）產(chǎn)生老化反應(yīng)和物理化學(xué)反應(yīng)，使外露橡膠件易于老化，絕緣損壞，電器性能改變，失效速度加快。（2）對(duì)暴露在空氣中的金屬和非金屬零部件產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象，易斷裂和老化。動(dòng)車組焊結(jié)、連接件易松動(dòng)和斷裂。動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，在撞擊情況下，其結(jié)構(gòu)件易因材料的低溫脆性而損壞，影響工作的可靠性。動(dòng)車組的各零部件在維修時(shí)因?yàn)榉植稹⑦B接、緊固而易發(fā)生脆性破壞。（3）車體外部油漆易起包、脫落及受風(fēng)沙擊打出現(xiàn)剝落和掉塊。這些因素影響動(dòng)車組材料性能，也會(huì)造成零配件壽命縮短。

2.3 對(duì)電氣設(shè)備的影響

極端高低溫天氣、強(qiáng)烈日照、風(fēng)沙及高海拔對(duì)動(dòng)車組電氣設(shè)備的影響是：（1）運(yùn)行區(qū)段內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)受高溫保護(hù)，易發(fā)生停機(jī)，加之動(dòng)車組密閉性強(qiáng)，金屬外殼車體及車門、窗的導(dǎo)熱和陽(yáng)光輻射熱，將使車廂成為“蒸籠”，嚴(yán)重危及旅客生命安全。（2）受高溫、高海拔影響，電氣設(shè)備的溫升按照每升高1 000 m增加3%～10%。各電氣設(shè)備溫升控制，牽引電機(jī)、牽引變壓器、牽引變流器等電氣設(shè)備及配電柜內(nèi)電器元件、線纜的溫升和介電強(qiáng)度，若散熱不足，將會(huì)發(fā)生擊穿、燒損或產(chǎn)生火災(zāi)隱患。（3）戈壁地區(qū)細(xì)膩的沙塵，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)過(guò)濾及冷凝器清潔，對(duì)車下動(dòng)力設(shè)備工作狀況以及齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、通氣管路等有著嚴(yán)重的影響。（4）由于冷熱交替頻繁，造成配電盤、配線分配箱等內(nèi)部墻板凝聚大量冷凝水，導(dǎo)致配線及電器元件短路、閃絡(luò)等問(wèn)題出現(xiàn)。

2.4 對(duì)檢修工作的影響

蘭新高鐵途經(jīng)地區(qū)環(huán)境的特殊性，使得動(dòng)車組故障率相對(duì)于其他地區(qū)有可能增大。例如，極端溫度、強(qiáng)烈日照，金屬和非金屬零部件易斷裂和老化，電器配件出現(xiàn)燒損、失效，車體外部油漆易起包、剝落和掉塊。風(fēng)沙大，潤(rùn)滑油脂易遭污染，加速各摩擦副的磨損等。因此，動(dòng)車組的檢修要求將明顯提高，工作量將明顯增大，檢修成本將明顯加大。

3 提高蘭新高鐵動(dòng)車組適應(yīng)性的對(duì)策

基于蘭新高鐵動(dòng)車組運(yùn)用環(huán)境特點(diǎn)，為最大限度地降低惡劣環(huán)境對(duì)動(dòng)車組的影響，結(jié)合環(huán)境因素和國(guó)內(nèi)動(dòng)車運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，提出提高動(dòng)車組適應(yīng)性的對(duì)策。

3.1 綜合考慮環(huán)境特點(diǎn)，選用合適類型的統(tǒng)型動(dòng)車組

結(jié)合蘭新高鐵的自然地理特征、氣候特征和工程地質(zhì)特征，分析不同運(yùn)行區(qū)段特殊運(yùn)用環(huán)境條件，如高溫、高寒、風(fēng)沙、光照輻射、海拔氣壓和長(zhǎng)大交路等因素，以確定選用統(tǒng)型動(dòng)車組基本類型，進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

3.2 利用數(shù)字仿真試驗(yàn)，檢驗(yàn)動(dòng)車組各系統(tǒng)的可靠性

應(yīng)用數(shù)字仿真技術(shù)建立蘭新高鐵動(dòng)車組環(huán)境適應(yīng)性仿真模型，對(duì)選用的統(tǒng)型動(dòng)車組在此環(huán)境中各主要系統(tǒng)及部件壽命和可靠性進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)和鑒別有關(guān)動(dòng)車組各系統(tǒng)適應(yīng)性的設(shè)計(jì)缺陷，為動(dòng)車組各系統(tǒng)在極端環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)提供改進(jìn)依據(jù)。

3.3 運(yùn)用仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，強(qiáng)化動(dòng)車組個(gè)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合仿真模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就蘭新高鐵極端環(huán)境因素對(duì)各主要系統(tǒng)及部件壽命和可靠性的影響，強(qiáng)化個(gè)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如降低車體重心，選用耐寒耐熱材料，提升油漆抗老化性，提高空調(diào)系統(tǒng)保護(hù)溫度，滿足高溫環(huán)境下的散熱，提升系統(tǒng)密閉性等。

3.4 采納各鐵路局檢修建議，提升動(dòng)車組檢測(cè)、維修效率

通過(guò)與各鐵路局動(dòng)車段（所）相關(guān)人員就動(dòng)車組運(yùn)用、檢修情況的溝通，收集動(dòng)車組在日常檢修中存在的不便于檢查、檢測(cè)和檢修部位的資料。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮便于分解、拆卸和換裝的部位，提升動(dòng)車組維修效率和質(zhì)量，降低維修成本，壓縮維修停時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹即將建成的蘭新高鐵特殊運(yùn)用環(huán)境和條件，分析高溫、高寒、高海拔、風(fēng)沙、強(qiáng)輻射以及長(zhǎng)交路等環(huán)境條件對(duì)動(dòng)車組各功能系統(tǒng)及零部件性能、可靠性及壽命的影響，針對(duì)上述因素和影響，從設(shè)計(jì)角度提出動(dòng)車組應(yīng)采取的防范對(duì)策和措施，旨在有助于動(dòng)車組合理選型、改進(jìn)設(shè)計(jì)和提升維修效率，保證動(dòng)車組在西北地區(qū)的安全運(yùn)行。

[1] 中國(guó)自然資源叢書編撰委員會(huì)．中國(guó)自然資源叢書?新疆卷 [M]．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1995．

[2] 新疆交通科學(xué)研究院．風(fēng)積沙工程性質(zhì)研究[R]． 烏魯木齊：新疆交通科學(xué)研究院，2001．

[3] 楊晚生，張梅艷，張吉光．鐵路客車高速化對(duì)其空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展要求探討[J]．鐵道機(jī)車車輛，2005，25（5）：38-39.

[4] 許 翔，周廣猛，鄭 智，等．高原環(huán)境對(duì)保障裝備的影響及適應(yīng)性研究[J]．裝備環(huán)境T程，2010，7（5）：100-103．

[5] 董錫明.軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009．

[6] 王華勝．CRH2型動(dòng)車組可靠性建模與分配[J]．鐵道學(xué)報(bào)，2009，31（5）：108-113．

責(zé)任編輯 楊利明

Impact analysis and countermeasures of environmental characteristics to EMU of Lanzhou-Urumuqi high-speed railway

HAN Chungang, SONG Yongshun
( Urumuqi Vehicle Department, Urumqi Railway Administration, Urumuqi 830011, China )

This paper brief l y introduced the environmental characteristics to EMU of Lanzhou-Urumuqi highspeed railway which would be in high temperature, cold, wind, strong ultraviolet ray, high altitude and long run, analyzed the harm and inf l uence of geographical environment and natural climate for performance and use and maintenance of EMU, put forward the countermeasures which would be suitable for the EMU of Lanzhou-Xinjiang high-speed railway.

Lanzhou-Xinjiang high-speed railway；environment；EMU; impact；countermeasures

1005-8451（2014）02-0051-03

U266.2∶TP39

A

2013-09-11

韓春剛，工程師；宋永順，工程師。