蘭新線動車組耐候性技術研究

肖艷榮，張國芹

（長春軌道客車股份有限公司 鐵路客車開發部，吉林長春130062）

蘭新線動車組耐候性技術研究

肖艷榮，張國芹

（長春軌道客車股份有限公司 鐵路客車開發部，吉林長春130062）

通過對我國西北地區的環境特點及蘭新線建設情況調研，掌握高寒、多風沙運用環境的相關基礎數據及規律；在高速動車組防風沙、耐高溫、抗紫外線、耐高海拔及長交路運行等技術上取得突破和創新；研究適用于高寒、多風沙等運用環境的高速動車組技術方案；確定速度250 km/h速度等級的耐高寒、抗風沙動車組技術條件。

動車組；耐候性；技術突破；技術條件

我國西北地區環境具有大風沙、高寒、高溫、高海拔；紫外線輻射強度高、溫差大、干旱等特點。

蘭新鐵路第二雙線鐵路線路全長為1 776 km，主要技術標準Ⅰ級、電氣化雙線，速度目標值200 km/h，局部為250 km/h。線路建設預計2014年底正式開通。

蘭新線建成后需要開行250 km/h速度等級的動車組，動車組的性能必須滿足西北地區的環境條件要求。當前的首要任務是掌握高寒、多風沙運用環境的相關基礎數據及規律；在高速動車組防風沙、耐高溫、抗紫外線、耐高海拔及長交路運行等技術上取得突破和創新，研究適用于高寒、多風沙運用環境的250 km/h速度等級高速動車組。

1 動車組抗風沙技術

抗風沙技術主要包括車輛的抗側風穩定性、逆風運行能力校核、抗沙塵擊打能力、防沙密封能力等方面。

1.1 風沙環境條件

蘭新鐵路經過“百里風區”、“三十里風口”等惡劣地區，在線路上的風區，設有防風墻，風口設有明洞。根據《蘭州至烏魯木齊第二雙線初步設計總說明書》中檢測結果，線路典型風速統計表見表1。

表1 典型風速統計表

風沙主要在戈壁區，線路上最長的戈壁區有800 km左右。風沙主要由石子、粗沙、細沙和微塵組成。根據烏魯木齊鐵路局研究所與中南大學的《強風地區行車組織辦法研究報告》中檢測結果，蘭新線6個觀測地點的起沙風速均為9級，線路沙塵分布如表2。

表2 沙塵分布表

1.2 抗側風穩定性校核

抗側風穩定性主要通過對車輛模型進行風洞試驗、車輛真實模型的抗側風計算及車輛的正線運用考核3方面進行論證。

（1）風洞試驗

風洞試驗包括變風速試驗和變風向側偏角（β）試驗、流態顯示和流場測量試驗。

變風速試驗即在風側偏角β＝0°時（風向與運行方向平行，且作用在車輛縱向中心線上），進行變風速試驗，試驗風速序列為12，15，18，…，63，66，70 m/s，試驗最大風速須高于環境最大風速56.6 m/s。試驗的目的是驗證動車逆風運行的穩定性。

變側偏角試驗即在設定風速下，進行變風向試驗，即對車輛編組進行v＝56.6 m/s（定時最大風）、β從－90°～90°變化情況下的大側風測力試驗。試驗的目的是驗證動車側風運行的穩定性，得到車輛運行阻力系數cy，cx，確定在此側風狀態下，動車組的運行是否安全。

流態顯示和流場測量試驗主要是為了確定動車頭型的幾何參數、車輛斷面的幾何形狀、車頂設備安裝位置及車輛外部導流裝置形狀等，最大限度減少車輛空氣阻力，從而節約能源。

（2）車輛真實模型的抗側風計算

對車輛真實模型進行抗側風計算，根據計算結果結合風洞試驗結論，制定不同風速下的限速運行方案，保證車輛安全運行。

（3）車輛真實模型的動力學性能計算

開展實車八車編組帶受電弓與車頂附件在250，200，160 km/h 3種車速以及側風為0，8.5，15，25，30 m/s情況下的氣動特性計算，給出各狀態的阻力、升力、側力、滾轉力矩等氣動計算結果和典型狀態流場，確定車輛安全性能。

（4）正線運用考核

樣車制造完成后在將要運行的線路上進行運用考核，對車輛的耐候性做最終的驗證。

1.3 逆風運行能力校核

對于蘭新線，我們初步確定最大風速為33 m/s（12級），平均風速為20 m/s（8級）。對動車組逆風運行能力進行校核。

1.4 抗沙塵擊打能力

（1）針對蘭新線在線運行車輛表面油漆“拋丸”磨損現象，通過樣塊風沙試驗確定涂裝油漆成分，提高油漆使用壽命。選擇耐風沙及碎石磨蝕的涂料對變壓器、變流器、冷凝風機、電機、受電弓、高壓隔離開關、高壓設備箱等金屬材料表面進行保護。

（2）動車組轉向架是車輛走行的重要部件。由于它是運動部件，無法對它進行整體保護。根據沙塵分布表（見表2），轉向架所處環境主要沙粒大小為0.1～0.25 mm，因此減振器、構架側梁、扭桿連桿和軸箱體等主要零部件需采用抗擊打防護油漆進行涂裝，空氣彈簧設置防風沙保護罩，高度閥桿設置橡膠保護套。

（3）按35 m/s風速（12級風）及250 km/h速度相向會車的條件對車頂高壓部件承受大風機械力進行校核。按照標準TB/T 3077.1－2006及TB/T 3077.2－2006確定絕緣子的抗彎強度應不小于8 k N；按照標準GB/T 11032－2000確定避雷器的抗彎強度應不小于4 k N。

（4）由于車輛運行在大風環境下，需對車輛間的過橋線纜進行防護。

（5）根據《強風地區行車組織辦法研究報告》結果，5～6 mm直徑沙粒平均速度為43.75 m/s（相當于14級風）時可擊碎5 mm厚玻璃，8 mm厚玻璃耐打擊強度是5 mm厚玻璃的兩倍。目前動車組擋風玻璃及側窗玻璃的外層玻璃厚度均為5～6 mm，因玻璃的鋁彈沖擊試驗對于大風環境具有局限性，為提高動車組的安全性，建議將擋風玻璃外層玻璃厚度由6 mm改為8 mm。

（6）為防止沙塵對空壓機組的影響，需提高新風進氣口處過濾器精度。制動缸上增設排氣裝置，防止制動缸呼吸孔集沙堵塞引起制動缸模板損壞。在主供風單元冷卻器出口增設防沙裝置。需對制動盤、閘片積沙風險進行分析。

（7）空調機組中部冷凝風機排風方向設置為向上方向，有利于阻止沙塵從上部進入。增加冷凝器翅片剛度，防止風吹變形。設離心式沙塵去除裝置，可以阻止位于地面3 m以上的0.075 mm沙塵顆粒。設置可快速拆卸的新風過濾網，便于維護。

1.5 防沙密封能力

（1）進行車下電氣設備進風與排風流場分析，改進主變壓器出風口處過濾網結構，防止變壓器故障時，風沙卷入變壓器內部。牽引電機出風口處增加擋板，防止風沙卷入電機。提高車下電氣部件密封等級，防止沙塵損害。

（2）車下設備艙采用具有雙V型導沙槽通風格柵，過濾以0.1～0.25 mm為主的沙粒。加強設備艙端部擋板與車體底架間的密封，防止由轉向架運行卷起沙塵進入設備艙。采用密封型前端頭罩，可實現手動解鎖排出積沙。

（3）塞拉門驅動機構采用免潤滑傳動部件，避免沙塵對驅動機構的磨損。門板采用多唇密封，阻斷內外部空氣流通，防止沙塵進入。

2 抗高海拔技術

2.1 高原環境條件

按照GB/T 11804及GB/T 20626.1－2006定義海拔高于2 000 m時為高原環境。

蘭新線最高海拔為3 640 m，在祁連山區段。海拔超過1 500 m約900 km，占線路總長的50.6%；海拔超過2 000 m約300 km，占線路總長的16.8%；海拔超過2 500 m約200 km，占線路總長的11.2%；海拔超過3 000 m約100 km，占線路總長的5.6%。

2.2 電氣部件適應性改進

高海拔對電氣部件影響主要包括絕緣性能、溫升、電暈、開關容量及分斷能力、電磁防護。

（1）在高海拔環境下電氣部件的空氣介電強度、空氣冷卻效應及弧隙空氣介質恢復強度均會降低，導致電氣元件絕緣耐壓降低。而且在海拔5 000 m以內，每升高1 000 m，外絕緣強度降低可達到8%～13%。故必須對電氣部件絕緣性能進行修正。低壓部件可按照標準GB/T 16935.1取值，高壓部件可按照標準GB/T 20635取值。車輛內部電工電子產品污穢等級按PD3、車輛外部電工電子產品按PD4來設計電氣間隙和爬電距離。在高原地區，電線電纜可能在最大載流量下工作，在車輛布線時考慮適當放大裕量，可取平原地區的1.1至1.2倍。高海拔環境使變流器冷卻系統冷卻能力下降，需在高海拔環境（1 500 m以上）考慮牽引變流器降級工作，彌補部件絕緣特性的損耗。

（2）高海拔條件下，空氣壓力及密度降低會引起空氣冷卻效果降低，設備在同樣負載下，溫升升高。需進行牽引性能及輔助供電能力計算。溫升對低壓電氣產品無影響。高發熱電器需降低額定電流值使用，或選高一級額定電流的產品。變流器的電流容量修正需執行GB/T 3859.2－1993附錄B要求。電機電流容量按每升高100 m降1%修正。充電機的充電電壓范圍DC 77～137.5 V，需通過溫升試驗驗證產品性能。

（3）采用熱脫扣元件的斷路器、繼電器等產品在高原條件下，由于殘熱條件變化其脫扣特性會發生一定的偏移。按照TB/T 8439－2008《使用于高海拔地區的高壓交流電機防電暈技術要求》，經過初步計算，確定電機電暈放電電壓為平原條件的1.5倍。

（4）由于空氣壓力及空氣密度降低使空氣介質滅弧的開關類的電氣元件滅弧性能降低，分斷能力下降，電氣壽命縮短，故根據空氣開關及接觸器電氣特性曲線，需對所有動作元件進行容量及分斷能力修正。

（5）電氣部件采用接地點冗余，車體通過炭刷經輪對到鋼軌接地，與鋼軌間最大電阻＜0.05Ω。各設備保護地及屏蔽地至車體接地點間電阻≤0.1Ω。針對高原地區直擊雷和感應雷產生過電壓影響，增加對外部電氣部件及網絡部件的電涌保護措施。高原干燥氣候會加劇靜電荷、靜電積累和放電效應，在電氣線路設計和材料選擇上應采取抗靜電措施。

2.3 空調系統適應性改進

高海拔地區的低氣壓是影響乘客舒適度的主要因素，體現在體內氧氣供應減少和人體與外部壓力的差異兩方面。根據生理實驗，人體肺部允許的最小氧分壓相當于海拔4 500 m處的氧分壓力，這是不補償氧做長時間停留的極限高度。針對在海拔3 640 m運行時間較短的情況，可不設置高壓增氧設備。

試驗表明：新風量越大，CO2濃度越低，人體的舒適性越好；但新風量增大，氧濃度則要降低，這是一對矛盾的問題。解決矛盾的方法是無論制冷還是采暖，空調通風機應始終處于強風狀態，客室內溫度控制在20°左右，保持氧濃度達到23%，控制CO2濃度不超過0.3%，可滿足舒適度要求。

2.4 制動系統適應性改進

受高海拔影響空壓機排量將有所降低，故需重新計算和合理匹配各種設備的耗風量，必要時需提高主供風單元的排量。

2.5 其他

在高原地區，真空集便器操作真空度時間長，壓縮空氣消耗量增大，在設計及選型中要重點考慮。

3 耐高溫、抗紫外線技術

（1）高溫環境條件

最高極限溫度為47.7℃，主要在吐魯番站段，地表溫度能夠達到60℃高于攝氏40℃的酷熱日年均35～40天。夏季從6月4日到9月21日長達90天。最熱天氣在每年的七、八月份。年平均降水量為194 mm。

（2）高紫外線環境條件

蘭新線高原地區紫外線最大輻射強度約為40 w/m2。

（3）通常動車組空調系統使用高溫為＋40℃，考慮到瞬時溫度變化，空調的工作溫度為＋45℃。針對蘭新線最高溫度為＋47.7℃，故需將空調的工作溫度調整為＋48℃。采用雙制冷回路且每路設有旁通閥卸載；調節冷凝風機風量適應不同工況；提高高溫適應性。

（4）按照標準EN 50125－1－1999《鐵路應用設備的環境條件—第一部分：鐵路車輛車載設備》中TX級要求對電氣部件進行高溫性能校核。

（5）選擇耐高溫的非金屬材料，車外用橡膠密封條、油漆、電纜、空氣彈簧、制動軟管、車端連接器、減振墊等非金屬件按照標準GB/T 3512－2001進行熱空氣加速老化和耐熱試驗驗證。

（6）根據對青藏鐵路客車運行情況的調研，認識到高原地區的紫外線對車外非金屬件性能影響嚴重。主要表現在車輛油漆大面積脫落、車窗玻璃變形、乘客受紫外線照射嚴重。故對車外用橡膠密封條、油漆、電纜、空氣彈簧、制動軟管、車端連接器、減振墊等非金屬件按照標準GB/T 16585進行紫外線老化試驗。

客室側窗可采用PVB膠膜結構，紫外線阻擋率可達到90%以上。

4 耐高寒技術

（1）高寒環境條件

最低極限溫度為－41.5℃，在烏魯木齊站段。最冷天氣在每年的一月份。烏魯木齊城區的冬天，從頭年11月3日到次年4月8日長達150天。風雪天氣主要集中在烏魯木齊—天山段大約100 km范圍內。烏魯木齊西部最大積雪厚度為56 cm，最大凍土深度為162 cm。

（2）動車組應具有低溫起動性能，即在－25℃時可正常起動和在－40℃時可正常運行。

（3）采用耐低溫材料抵抗低溫環境。車體結構材料采用牌號為6082等鋁合金材料；排障器采用Q345E；車下懸吊采用耐－40℃低溫的橡膠減振元件。轉向架構架及枕梁鋼板采用S355J2G3，車輪材質采用ER8C。車軸材質采用30NiCr Mo V12，轉向架軸承、聯軸器、減振器、齒輪箱、萬向軸、輪緣等油脂采用低溫油脂。

（4）轉向架空氣彈簧、高度調整閥、一系鋼彈簧增加防冰雪保護套。在充電機處端部擋板等易積雪和沙的部位用福樂斯密封條封堵，避免出現積雪結冰。

（5）制動系統增加空壓機油加熱裝置，并在軟件中增加低溫預熱控制及診斷功能，設置雪天運行模式。選用適用低溫環境的高精度壓力傳感器和電磁閥。總風缸底部設置排水塞門，定期排放冷凝水，管路、管接件、管卡、閥類密封圈材質及油脂按－40℃選型。

（6）所有供排水管路設置有伴熱線，大部分管路設置有備用伴熱線。衛生間防護箱內設置電熱毯對整個箱體進行伴熱，防止凍堵。凈水箱和污物箱底部設置電熱毯。車外凈水箱、污物箱伴熱系統在溫度低于3℃具有自動加熱功能。設置儲水箱自動排水按鈕，停運后進行排水，以免存放凍堵。設回水暫存裝置，收集洗手水及電茶爐排水，運行中“零”排放，防止凍害。

（7）牽引電機潤滑脂選用覆蓋－40℃低溫要求的美孚100進行潤滑。蓄電池容量要按沖擊負荷來選用，使用中要考慮加熱、保溫措施。

（8）在設計結構上，設置隔斷熱橋，減少冷凝水的產生。車內配電盤頂部增加蓋板，高壓開關部件增加隔熱罩，防止溫差大引起冷凝水導致導電器件燒損。車外電力連接器加保護防止冷凝水流入。車端高壓電纜加裝防水膠帶和熱縮套后噴涂增水型絕緣漆，防止產生冷凝水（形成水滴）造成牽引高壓電纜對地絕緣失效。優化風擋排水結構，增加排水孔。門板內側增加集水槽防止冷凝水流入下導軌。

5 長交路運行技術

蘭新線總里程1 776 km，動車組以200 km/h速度運行約需10～11 h，故蘭新線動車組的供水及排污能力需按12 h考慮。

6 結束語

動車組的抗風沙及耐高海拔技術對我們來說是全新的課題，目前國內還沒有制定抗風沙、耐高海拔動車組的技術條件，尚未研制出適應高寒、多風沙地區運行的動車組。因此需要在高速動車組防風沙、耐高溫、抗紫外線、耐高海拔及長交路運行等技術上取得突破和創新，研究適用于高寒、多風沙等運用環境的高速動車組技術方案，盡快研制適合蘭新線等西北地區運行的高速動車組，滿足蘭新線的運用環境，從而促進我國西北地區的經濟快速發展。

［1］ 張曙光.青藏鐵路高原客車［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［2］ 烏魯木齊鐵路局和中南大學.強風地區行車組織辦法研究報告［R］.鐵道部科技研究開發計劃合同.

［3］ 中國空氣動力研究與發展中心低速空氣動力研究所.EJ－1－2013023 CRH3A型動車組風洞試驗報告［R］.2013.

［4］ 中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所.CARDC－2012 CRH3A動車組空氣動力學仿真計算分析［R］.

［5］ 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州至烏魯木齊第二雙線初步設計［R］.2009.

［6］ GB/T 14522－2008.機械工業產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法［S］.

［7］ GB/T 11032－2000.交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.

［8］ TB/T 3077.1－2006.電力機車車頂絕緣子第1部分：瓷絕緣子［S］.

［9］ TB/T 3077.2－2006.電力機車車頂絕緣子第2部分：復合絕緣子［S］.

［10］ GB/T 20626.1－2006.特殊環境條件高原電工電子產品第1部分：通用技術要求［S］.

［11］ GB/T 3859.2－1993.半導體變流器基本要求的規定［S］.

［12］ TB/T 8439－2008.使用于高海拔地區的高壓交流電機防電暈技術要求［S］.

［13］ GB/T 16585－1996.硫化橡膠人工氣候老化（熒光紫外燈）試驗方法［S］.

Technology Research on Weather-resistance for Lan-Xin Line EMU

XIAO Yanrong，ZHANG Guoqin
（Railway Vehicles Development Department，Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

Through the research of northwest China environment and Lan-Xin Line construction，the database and rules of low temperature and high wind sandy environment are mastered.This paper makes breakthrough and innovation about anti-sandstorm，anti-high temperature，anti-ultraviolet radiation，anti-high altitude and long-routing running in the EMU.Through the research of EMU technical scheme applied to the low temperature and high wind sandy environment，this paper determines the technical specifications of 250 km/h EMU for anti-cold temperature and anti-sandstorm environment.

EMU；weather-resistance；technical breakthrough；technical specification

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.21

1008－7842（2014）04－0090－04

4—）女，教授級高級工程師（

2014－01－09）