適用于干線鐵路的時(shí)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(yùn)發(fā)展趨勢的宏觀背景下，結(jié)合我國鐵路客運(yùn)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(yùn)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(jì)、集成能力基礎(chǔ)上，研制了一款適用于干線鐵路的時(shí)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(diǎn)，采用了全新的單點(diǎn)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(jì)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(yùn)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(yùn)行速度為160 km/h，試驗(yàn)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(yùn)載能力需求，車輛設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)，盡量避免擴(kuò)編時(shí)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(jì)。如網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，當(dāng)車輛靈活編組時(shí)，通過WTB和ETB可以實(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，空壓機(jī)啟停依據(jù)日期單雙號進(jìn)行控制；6輛編組時(shí)，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(qiáng)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(jì)的單點(diǎn)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(diǎn)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(jì)，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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)。

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(qiáng)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(jì)，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(shí)，利用牽引輔助變流器的再生工況可以實(shí)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(shí)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(qiáng)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(dú)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(yùn)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(diǎn)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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(jì)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(jì)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(dú)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(shí)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(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以抵抗外界的壓力波，實(shí)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(gè)單開塞拉門和2個(gè)雙開塞拉門，中間車每側(cè)配置3個(gè)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(shí)、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(shí)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(shí)，實(shí)現(xiàn)端部全自動車鉤與救援機(jī)車連掛。

3 試制及試驗(yàn)

2019年9月，適用于干線鐵路的時(shí)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(yàn)規(guī)范》(鐵運(yùn)[2008]28號文)進(jìn)行整車型式試驗(yàn)，目前車輛已完成車體靜強(qiáng)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均合格。圖5為適用于干線鐵路的時(shí)速160 km城際車。

圖5 適用于干線鐵路的時(shí)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(shí)速160 km城際車兼顧了地鐵車輛快速乘降、快速啟停的特點(diǎn)，該車在車體、轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)和靈活編組設(shè)計(jì)方面采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，整車技術(shù)先進(jìn)，性能安全可靠。