复兴号高原双源动力集中动车组关键技术

注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。

作者：

钱铭，中国国家铁路集团有限公司

张大勇， 中国国家铁路集团有限公司科技和信息化部

廖洪涛，中车株洲电力机车有限公司

1 概述

拉日铁路于2015年开通运营，线路允许最高速度为120km/h，为非电气化铁路；拉林铁路于2021年开通运营，线路允许最高速度为160km/h，是西藏地区首条电气化铁路。为满足西藏人民日益增长的美好生活需要和富民西藏的迫切需要，实现复兴号动车组中国内陆省份的全覆盖和拉林、拉日铁路的贯通运行，中国国家铁路集团有限公司于2020年10月开始组织研制一款适用于高原环境需求的内燃、电力双源动力集中动车组，能够实现在电气化和非电气化线路上贯通运行。

双源制式动力集中动车组在国际上已有应用案例。美国运用的ALP-45DP列车内燃电力集成式动力车，配置2台1567kW柴油机组，采用柴油机组和弓网牵引设备集成在1辆动力车上的设计方式，电力模式下的轮周功率为4000kW，内燃模式下的轮周功率为2700kW；西班牙运用的RENFE730动力集中型动车组动力车是在Talgo250的头车（电力动力车）后部加1辆内燃发电车，内燃发电车配置1台1800kW柴油机组，采用电力动力车+内燃发电车AB节动力车组的方式，电力模式下的轮周功率为2400kW，内燃模式下的轮周功率为1200kW，最大起动牵引力为220kN。但上述动车组总功率偏小、载客量偏低，且无法满足高原环境的运用需求。

拉林拉日线全长686km，属于高原铁路，具有高海拔、多隧道、坡度大、缺氧、低温低压、强紫外线、雨雪和雷击频繁等线路及环境特点，当前世界上适用于高原铁路的机车车辆主要在我国境内，主要有NJ2型机车、高原HXN3型内燃机车、高原HXD1D型机车、高原HXD1C型机车、青藏高原客车、KD25T青藏铁路发电车等产品，适用于高原环境的双源动力集中动车组还属世界空白，研制该型动车组需解决内燃动力和电力动力的操控一体化关键技术，研究动车组在高海拔、多隧道、跨电气化和非电气化运营环境下的复杂组合工况适用性、安全性和可靠性。

2 复兴号高原双源动力集中动车组方案

2.1 顶层研制目标及主要技术参数

满足在拉林、拉日铁路安全、经济、高效贯通运行的需要，复兴号高原双源动力集中动车组必须通过技术创新实现以下顶层研制目标：

（1）适应复杂高原环境需求。

（2）满足当地载客量需求。

（3）满足内电贯通运行需求。

（4）具有优良控制特性。

复兴号高原双源动力集中动车组主要技术参数见表1。

2.2 编组及车型布局

复兴号高原双源动力集中动车组日常运用编组形式为1Mec+9T+1Md+1Mdc，具体编组车型总体布局见图1，各车辆配置见表2。

2.3 主要技术特点

在高原电力、内燃机车和客车技术积累基础上，整列车根据工况需求进行了创新设计，具有如下技术特点：

（1）内燃、电力双源动力集成设计。

（2）内燃、电力动力车双动力源一体化操控设计。

（3）高原型大功率柴油机。

（4）控制及监测双网。

（5）优越的乘坐舒适性设计。

（6）装备的高原、多隧道环境适应性设计。

3 关键系统方案

3.1 司机室及客室界面

复兴号高原双源动力集中动车组司机室和客室界面秉承良好的舒适性和美观性设计理念。司机室（见图2）分别设在电力动力车和内燃动力车的前端，具有同样操作方式，人机界面保持完全一致，具备电力和内燃2种操控模式。内燃动力车司机室通过减振元件与车体连接，提升了司乘人员的舒适性。

客室区域在防紫外线、耐低气压、环保等方面进行特别设计，采用防紫外线卷帘帘布，满足紫外线防护系数（UPF）>40，且平均紫外线透射比（UVA）<5%，车门密封胶条、粘接密封胶采用耐紫外线材质；为应对高原低气压，客室车窗玻璃采用内外压力自平衡式中空玻璃，并带有电加热装置；为满足高原地区运用零排放的需要，卫生系统增设卫生间、洗面间、茶炉室、餐吧区污水收集装置。内装墙板集成隐藏式衣帽钩、卷帘设计，防腐地板和隔音材料复合设计；一等座椅和二等座椅集成插座和供氧口（残疾人座椅及商务座椅供氧口设于侧墙）；商务座区（见图3）配置半包围设计的鱼骨式智能商务座椅，坐姿到躺姿可无级调节，设有侧柜台面、插座、阅读灯、储物格、无线充电等；客室电控塞拉车门适应1 250 mm高站台，设置内外端门。

3.2 电气系统

复兴号高原双源动力集中动车组电气系统拓扑架构见图4。电力动力车电气系统高压侧采用双弓、双主断、双高压电压互感器的结构配置，大大提升了高压系统可靠性，主电路采用“交-直-交”电传动形式，主辅共用中间直流回路，电制动时可通过主辅共用的中间直流回路实现辅助电源在过分相时的不间断供电。

3.3 柴油机及辅助系统

采用成熟可靠的12V265B型柴油机，在不同海拔工况下的功率及油耗情况见表3。

针对高原环境减小柴油机高原降功比率，在提升柴油机高原运用经济性、安全性和监控保护能力等方面进行优化：

（1）采用高原型增压器，增加高原运用时的增压压比，优化空燃比，采用适应高原环境使用的VTG控制程序。

（2）优化中冷器，降低高压比后的进气温度。

（3）优化柴油机控制软件，增加供油提前角自动调整功能、系统和部件预警功能，以及柴油机关键系统和部件的健康状态监测功能。

（4）针对高原海拔高度和环境温度，优化柴油机牵引曲线和功率修正曲线（见图5、图6），使得柴油机满足高原运用时排温、增压器转速等限度要求。

3.4 网络控制系统

通过分析32类典型运用场景、23类故障场景，复兴号高原双源动力集中动车组控制系统融入电力动力车与内燃动力车的联控互控功能，在原有电力司机操作控制部件基础上增设“内电模式选择”转换开关、“主发励磁”转换开关、“机控”扳键开关、“柴油机起机”按钮和“柴油机停机”按钮，以实现两端司机室任何一端主控时对内燃柴油机起停、励磁和电力升降弓、分合主断、牵引、制动等指令的控制功能，并新增内电模式转换、柴油机起机及保温、速度/转矩模式转换、内电自动换端、同步/异步过分相、内电列供互锁等控制功能，以实现内燃和电力分置式配置、双控及交叉匹配。

复兴号高原双源动力集中动车组网络系统由列车控制网和列车安全监控网组成，其网络拓扑架构见图7。

3.5 车体

复兴号高原双源动力集中动车组整列车车体采用一体化鼓形设计，车体司机室区域和客室区域通过钢结构及各安装部件的气密性控制以及客室区域冷凝水集中收集排放，实现大断面宽体高气密性设计，同时动力车头部设开闭机构，具备手动开闭功能，并预留增加自动开闭功能接口，各车辆间采用统型的内外风挡，内风挡采用双层折棚气密风挡。端部车钩采用105A型车钩缓冲装置，中间车钩采用密接式车钩缓冲装置，可实现机械自动连挂。为应对高原强紫外线，对车体外部油漆、内外风挡、开闭机构密封件等外部非金属件进行防紫外线、抗老化性能提升，密接式车钩在钩头位置增加防风沙、耐紫外线密封圈。复兴号高原双源动力集中动车组车体主要参数见表4。

3.6 转向架

复兴号高原双源动力集中动车组电力动力车采用C0转向架，内燃动力车采用A1A转向架，拖车采用2轴无动力转向架，其主要参数见表5。

3.7 制动系统

复兴号高原双源动力集中动车组采用自动式空气制动系统，即列车管减压产生制动作用方式，采用五线制电空制动，双管供风，设有列车管和总风管贯通全列车，其制动系统拓扑架构见图8。

3.8 压力波保护及制氧

为应对拉林拉日线多隧道的特点，整列车空调配备被动及主动结合的压力波保护装置，进入隧道时，可通过安装在头车的压力波传感器或通过LKJ获取线路信息快速关闭新风和废排阀门，实现对车内压力波动的控制。

为应对高原缺氧环境，复兴号高原双源动力集中动车组配置一体化制氧系统，制氧压缩空气全列车贯通，其制氧系统拓扑架构见图9。供氧方式分为弥散式供氧和分布式供氧。弥散式供氧是制氧机将富氧空气输送至空调机组送风口，富氧空气与空调风一起送入司机室或客室；分布式供氧是制氧机将富氧空气通过专门管路及终端设备送入司机室或客室。动车组内弥散供氧氧气浓度设计为≥23.6%，且具备过分相制氧空压机不停机功能。

3.9 防火安全设计

为提升复兴号高原双源动力集中动车组高原、多隧道复杂线路环境的防火安全性，整车对标EN45545：2013《铁路应用铁路机车车辆防火》要求进行防火设计。

（1）材料防火方面：部分金属材料选用熔点更高的碳钢材质替代原有铝合金材质，提升电气屏柜或门的防火性能；部分非金属材料和部件替换为满足EN45545-2标准要求的新材料或新增EN45545-2防火标准试验要求。

（2）电气线路和设备防火设计方面：优化大功率部件短路、接地等电气保护逻辑，变流柜及供电柜采用干式电容，新增火灾报警与制氧系统联动控制。

（3）柴油机系统防火设计方面：增加曲轴箱防爆阀、燃油防火罩、增压器防护罩、中冷器隔热层等防护设计。

（4）火灾探测及灭火设备方面：设置火灾报警安全环路，变流柜、制氧机室、内燃动力间等关键区域设置火灾探测器，针对电力动力车列供柜试装固定式灭火装置。动车组火灾探测报警系统拓扑架构见图10。

（5）防火隔断设计方面：司机室入口门采用防火门设计，客室外端门采用防火拉门，与动力车连挂外端门采用防火门，耐火隔热性不低于15min。

4 结束语

复兴号高原双源动力集中动车组通过105项型式试验，2021年6月25日3列动车组正式在拉林拉日线上线运营，填补了我国双源制式动车组领域的空白，丰富了复兴号动车组谱系，内电双源融合控制、控制及监测智能化双网并行、不间断自动供氧、压力波主被动结合控制、柴油机高海拔低降功比等技术首次得到应用和验证，为高原动车组技术研发、工程设计、运用、维护提供了宝贵经验。复兴号高原双源动力集中动车组实现了复兴号动车组中国内陆省份全覆盖，结束了藏东南地区不通铁路的历史，实现了西藏首条高原电气化铁路动车组的开通运营，进一步完善了区域综合交通运输体系。

来源：《中国铁路》编辑部