第二節(jié)　動(dòng)車組牽引設(shè)備布置方式

動(dòng)車組列車牽引動(dòng)力系統(tǒng)包括主變壓器、變流器、逆變器等各種動(dòng)力設(shè)備，以及空調(diào)機(jī)、空壓機(jī)、各種風(fēng)機(jī)、蓄電池、輔助逆變器等多種輔助設(shè)備，在考慮列車動(dòng)力配置的同時(shí)，必須考慮這些設(shè)備的布置。

目前，世界上高速電動(dòng)車組有兩種牽引方式：動(dòng)力分散方式和動(dòng)力集中方式。前者以日本為代表，后者以歐洲為代表。動(dòng)力集中列車頭尾各有一臺(tái)動(dòng)力車，中間為拖車，如果動(dòng)力不夠，靠近動(dòng)力車的中間車轉(zhuǎn)向架，亦裝有牽引電動(dòng)機(jī)，這種動(dòng)力布置方式實(shí)質(zhì)上是傳統(tǒng)機(jī)車牽引方式的變型——?jiǎng)恿袀鲃?dòng)方式，歐洲300km/h以下的高速列車主要采用這種方式。隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度的不斷提高，歐洲300km/h以上的動(dòng)車組也轉(zhuǎn)向動(dòng)力分散的形式。

動(dòng)力集中型高速列車是將這些動(dòng)力設(shè)備全部設(shè)置在一輛頭車中，如圖2-3（a）所示，全列車的牽引力由集中在動(dòng)力頭車及相鄰的中間車的動(dòng)軸提供。這時(shí)必須注意兩個(gè)問(wèn)題：第一，動(dòng)力軸的重量必須足夠提供所需的黏著牽引力，否則動(dòng)力車輪將產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，喪失牽引力，這不但使電機(jī)功率不能發(fā)揮反而會(huì)損傷車輪和鋼軌；第二，動(dòng)力軸的重量又不能過(guò)大，否則在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的輪軌力，降低鋼軌和線路使用壽命。為此，歐洲高速鐵路網(wǎng)在有關(guān)的技術(shù)規(guī)程中規(guī)定高速列車的最大軸重不能超17t，在作牽引力計(jì)算時(shí)輪軌黏著系數(shù)值定為：低速啟動(dòng)時(shí)，0.2；100km/h時(shí)，0.17；200km/h時(shí)，0.13；300km/h時(shí)，0.09。

動(dòng)力車軸重及輪軌黏著系數(shù)的限值給高速列車的動(dòng)力配置造成了很多困難。如德國(guó)設(shè)計(jì)的ICE型動(dòng)力集中型高速列車的動(dòng)力車每軸功率1200kW，一臺(tái)動(dòng)力頭車的功率4800kW，較大功率的動(dòng)力設(shè)備和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使每軸的軸重達(dá)到19.5t。盡管它有很大功率的牽引電機(jī)，并且可以產(chǎn)生較大的啟動(dòng)牽引力（雙機(jī)啟動(dòng)牽引力為400kN），但過(guò)大的軸重使歐洲高速路網(wǎng)拒絕接納。法國(guó)的辦法是保持動(dòng)力軸軸重為17t，采用增加動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的方式來(lái)滿足列車功率和牽引力的需要。即在緊接動(dòng)力頭車的拖車中將靠近動(dòng)力車的一臺(tái)轉(zhuǎn)向架設(shè)為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，如用在巴黎—倫敦的EUROSTAR型和出口韓國(guó)的TGV高速列車，就是這樣的動(dòng)力設(shè)置。

動(dòng)力集中設(shè)置的特點(diǎn)在于集中在頭車的動(dòng)力設(shè)備便于檢修和集中通風(fēng)冷卻，同時(shí)使拖車少負(fù)擔(dān)動(dòng)力設(shè)備的重量和噪聲干擾。

另一種動(dòng)力系統(tǒng)配制方法是將全列車分為若干個(gè)動(dòng)力單元，在每一個(gè)動(dòng)力單元中帶牽引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸（動(dòng)力軸）分散布置在單元的每一個(gè)或部分車軸上，更重要的是將傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)動(dòng)力設(shè)備也分散地設(shè)置在各個(gè)車輛底下，而不占用任何一節(jié)車廂。圖2-3（b）即是該類動(dòng)力配置的一個(gè)例子，圖示為2輛動(dòng)力車和1輛無(wú)動(dòng)力拖車（簡(jiǎn)稱2動(dòng)1拖）組成的一個(gè)列車單元。列車可以按需要由若干個(gè)單元組成，列車兩端必須設(shè)有帶駕駛室的頭車。由圖例可見(jiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的主要設(shè)備：主變壓器（MTr）、變流器/逆變器（C/I）及空壓機(jī)、空調(diào)機(jī)等輔助設(shè)備都以吊掛的方式置于各車體的底部。為了平衡重量分配，拖車下面也安裝一定的動(dòng)力設(shè)備，圖示為一種典型的配置方式，主變壓器承擔(dān)前后2臺(tái)動(dòng)力車的功率供給，即2臺(tái)動(dòng)力車共用一臺(tái)主變壓器。

動(dòng)力分散布置列車的單元一般可以由2～4輛車構(gòu)成。根據(jù)列車的牽引、加速、最高速度等特性決定各單元?jiǎng)恿嚕∕）和拖車（T）的組合。如可能的組合有2M、2M1T、2M2T、3M1T、4M等。其特點(diǎn)如下：

（1）包括頭車在內(nèi)的各車廂都用來(lái)布置乘客座席和旅客設(shè)施。

（2）每組單元都具有完善的牽引、制動(dòng)、控制、信息和輔助電源系統(tǒng)。

（3）每列編組中設(shè)2架受電弓，采用高壓線連接以抑制離線和電弧的發(fā)生。

（4）動(dòng)力設(shè)備分散置于車體下部，設(shè)備的工作環(huán)境和檢修條件較差。

動(dòng)力分散型動(dòng)車組軸重小，牽引動(dòng)力大，起動(dòng)加速快，驅(qū)動(dòng)動(dòng)軸多，黏著性能比較穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，且其動(dòng)力設(shè)備均可安裝于地板底下，所有車輛（包括頭車和中間車）均可成為客車使用，這樣可提高列車定員。以新干線300系為例，其額定功率為12000kW，起動(dòng)加速牽引力可達(dá)到360kN，每噸起動(dòng)加速牽引力可達(dá)到0.5kN，由起動(dòng)加速到250km/h速度的時(shí)間僅需215s，走行9.6km。新干線300系每米定員為3.29人，超過(guò)TGV-A的2.04人和ICE的1.85人。基于這種特點(diǎn)，動(dòng)力分散型動(dòng)車組比較適合鐵路路基松軟、站距較短的國(guó)家，如日本等。多年來(lái)，日本始終采用動(dòng)力分散電動(dòng)車組，從0系到700系，一直不變，取得了輝煌成績(jī)。之所以取得這樣大的成績(jī)，主要緣由如下：

（1）輪軌作用力小，牽引、制動(dòng)性能良好。

（2）采用交流傳動(dòng)（300系開(kāi)始）。

（3）部件輕量化。

（4）采取了減小運(yùn)行阻力和噪聲的措施。

動(dòng)力集中型動(dòng)車組為世界許多國(guó)家廣泛采用，其運(yùn)行速度也可達(dá)到330km/h。動(dòng)力集中型動(dòng)車組技術(shù)成熟，編組較動(dòng)力分散型動(dòng)車組更為靈活。另外，在成本方面，動(dòng)力集中型兩端為動(dòng)力車，設(shè)備集中，動(dòng)力設(shè)備數(shù)量少，在車內(nèi)環(huán)境方面，動(dòng)力集中型驅(qū)動(dòng)裝置集中在兩端，遠(yuǎn)離旅客座位，噪聲小。動(dòng)力分散型驅(qū)動(dòng)設(shè)備分布在車下，有一定的振動(dòng)影響。

可以從如下的幾個(gè)方面來(lái)分析動(dòng)力集中與動(dòng)力分散之間的特點(diǎn)。

（1）牽引總功率和軸功率

從輪軌關(guān)系來(lái)看，理論上每根動(dòng)軸能傳遞的牽引功率為軸重、黏著系數(shù)和速度的乘積，而實(shí)際上能實(shí)現(xiàn)的功率受輪徑、傳動(dòng)裝置的布置方式和電傳動(dòng)技術(shù)水平等的限制。由于動(dòng)力分散方式動(dòng)車組的輪徑和車體底下空間位置比動(dòng)力集中方式的小，所以就單軸功率而言，動(dòng)力分散方式的小，目前最大為550kW，動(dòng)力集中方式的大，目前最大可達(dá)1200kW。就車組總功率而言，由于動(dòng)力分散方式動(dòng)軸多，可以超過(guò)10000kW，動(dòng)力集中方式目前尚未超過(guò)10000kW。當(dāng)然也可以通過(guò)在動(dòng)力車相鄰的中間車轉(zhuǎn)向架上加牽引電動(dòng)機(jī)的辦法來(lái)增加總功率。但總的來(lái)說(shuō)，只要站線長(zhǎng)度允許，動(dòng)力分散方式可以增加動(dòng)力單元，其總功率比動(dòng)力集中方式大，從而可牽引更多的旅客。

（2）最大軸重和簧下質(zhì)量

根據(jù)日本新干線的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在速度和簧下質(zhì)量一定時(shí)，軌道下沉量隨著軸重增加而增加。所以采用動(dòng)力分散方式的理由之一是為了減少線路建設(shè)費(fèi)用，采取低軸重。一般軸重在16t以下，300系車降到14t。動(dòng)力集中方式電動(dòng)車組一般軸重大，規(guī)定不超過(guò)17t，但I(xiàn)CE車高達(dá)19.5t，所以就最大軸重而言，動(dòng)力集中方式比動(dòng)力分散方式對(duì)線路不利。但對(duì)軌道的破壞不只是軸重，簧下質(zhì)量也起著同樣重要的作用。日本曾就軸重14t、10t計(jì)算了簧下質(zhì)量與運(yùn)行速度的關(guān)系。結(jié)果表明，如果簧下質(zhì)量不變，即使減輕軸重，對(duì)軌道的破壞不會(huì)有太大的好轉(zhuǎn)，簧下質(zhì)量必須與軸重一起減少。

（3）黏著利用

動(dòng)力分散方式一般軸重較輕，單軸黏著力也較小，但由于動(dòng)軸多，可以發(fā)揮的黏著牽引力大，而動(dòng)力集中方式雖然軸重大，單軸黏著力大，但由于動(dòng)軸少，單軸黏著利用接近極限，可以發(fā)揮的總的黏著牽引力小。就起動(dòng)加速度而言，經(jīng)計(jì)算表明，在低速區(qū)段，動(dòng)力分散方式可以充分利用黏著重量大的特點(diǎn)，動(dòng)力集中方式黏著重量小，低速時(shí)采用恒流控制。

（4）制動(dòng)

動(dòng)力分散方式的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)軸多，對(duì)每個(gè)動(dòng)軸都可以施加電制動(dòng)和盤(pán)形制動(dòng)，制動(dòng)功率大，甚至可以超過(guò)牽引功率，使列車迅速停車。動(dòng)力集中方式動(dòng)軸少，制動(dòng)功率沒(méi)有動(dòng)力分散那么大。

（5）制造成本

采用動(dòng)力分散方式電動(dòng)車組，電氣設(shè)備分散、總重大、造價(jià)高。日本曾用傳統(tǒng)機(jī)車牽引客車和動(dòng)力分散方式動(dòng)車組做過(guò)比較，BD75型機(jī)車牽引12輛客車，一列車造價(jià)為34240萬(wàn)日元，而583動(dòng)車組6輛動(dòng)力車和6輛拖車的造價(jià)為47740萬(wàn)日元。為了降低列車制造成本，日本已由16個(gè)全動(dòng)車減少到12M+4T、10M+6T。意大利ETR450型10M+1T一列車造價(jià)2200萬(wàn)美元，法國(guó)M-P型1M+8T+1M一列車造價(jià)1300萬(wàn)美元來(lái)比較，也說(shuō)明動(dòng)力集中方式動(dòng)車組造價(jià)比動(dòng)力分散方式動(dòng)車組低得多。

（6）維修費(fèi)用

由于動(dòng)力分散方式動(dòng)車組的每輛動(dòng)力車均裝有一套電氣設(shè)備，維修工作量大。原西德曾把一輛動(dòng)力分散方式動(dòng)車組與一輛牽引3輛客車的BR410型電力穿梭列車做過(guò)比較，結(jié)果表明，如果只分析每千米折舊維修費(fèi)，則BR430型動(dòng)車組約貴50％，BR420/421動(dòng)車組約貴20％。日本也認(rèn)為動(dòng)力分散方式維修費(fèi)用比動(dòng)力集中方式動(dòng)車組高得多。以TGV-A與TGV-P來(lái)比較，由于電動(dòng)機(jī)由12臺(tái)減少到8臺(tái)，中間車由8輛增加到10輛，每座位千米的檢修費(fèi)用TGV-A比TGV-P低20％。

德國(guó)ICE1列車和ICE2長(zhǎng)編組列車采用推挽式動(dòng)車組，兩端為動(dòng)力車，中間為拖車，即采用傳統(tǒng)的機(jī)車牽引模式，而到了ICE3轉(zhuǎn)為動(dòng)力分散型動(dòng)車組。歐洲鐵路聯(lián)盟（EMUs）擬建統(tǒng)一的高速鐵路網(wǎng)。要進(jìn)入這個(gè)網(wǎng)，德國(guó)鐵路必須與國(guó)際接軌，在技術(shù)上、性能上滿足歐洲高速運(yùn)輸對(duì)高速列車的要求?？紤]市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，因此ICE3采用動(dòng)力集中已不適合，原因是軸重限制17t（ICE1是19.4t），最高速度300km/h，線路坡度40‰，并且要增加座位數(shù)等。采用動(dòng)力分散型動(dòng)車組可增加乘員，并使整列車質(zhì)量分布更均勻，隨之降低了最大軸重，得到更好的牽引特性和降低單位坐席的質(zhì)量。此外，還提高了再生制動(dòng)的利用率，制動(dòng)功率8.2MW，最大電制動(dòng)力為300kN，相當(dāng)于ICE2短編組的兩倍，減少了盤(pán)形制動(dòng)的磨耗量及維修費(fèi)用。