第二節　動車組牽引設備布置方式

動車組列車牽引動力系統包括主變壓器、變流器、逆變器等各種動力設備，以及空調機、空壓機、各種風機、蓄電池、輔助逆變器等多種輔助設備，在考慮列車動力配置的同時，必須考慮這些設備的布置。

目前，世界上高速電動車組有兩種牽引方式：動力分散方式和動力集中方式。前者以日本為代表，后者以歐洲為代表。動力集中列車頭尾各有一臺動力車，中間為拖車，如果動力不夠，靠近動力車的中間車轉向架，亦裝有牽引電動機，這種動力布置方式實質上是傳統機車牽引方式的變型——動力集中傳動方式，歐洲300km/h以下的高速列車主要采用這種方式。隨著動車組運行速度的不斷提高，歐洲300km/h以上的動車組也轉向動力分散的形式。

動力集中型高速列車是將這些動力設備全部設置在一輛頭車中，如圖2-3（a）所示，全列車的牽引力由集中在動力頭車及相鄰的中間車的動軸提供。這時必須注意兩個問題：第一，動力軸的重量必須足夠提供所需的黏著牽引力，否則動力車輪將產生空轉，喪失牽引力，這不但使電機功率不能發揮反而會損傷車輪和鋼軌；第二，動力軸的重量又不能過大，否則在高速運行時會產生過大的輪軌力，降低鋼軌和線路使用壽命。為此，歐洲高速鐵路網在有關的技術規程中規定高速列車的最大軸重不能超17t，在作牽引力計算時輪軌黏著系數值定為：低速啟動時，0.2；100km/h時，0.17；200km/h時，0.13；300km/h時，0.09。

動力車軸重及輪軌黏著系數的限值給高速列車的動力配置造成了很多困難。如德國設計的ICE型動力集中型高速列車的動力車每軸功率1200kW，一臺動力頭車的功率4800kW，較大功率的動力設備和傳動機構，使每軸的軸重達到19.5t。盡管它有很大功率的牽引電機，并且可以產生較大的啟動牽引力（雙機啟動牽引力為400kN），但過大的軸重使歐洲高速路網拒絕接納。法國的辦法是保持動力軸軸重為17t，采用增加動力轉向架的方式來滿足列車功率和牽引力的需要。即在緊接動力頭車的拖車中將靠近動力車的一臺轉向架設為動力轉向架，如用在巴黎—倫敦的EUROSTAR型和出口韓國的TGV高速列車，就是這樣的動力設置。

動力集中設置的特點在于集中在頭車的動力設備便于檢修和集中通風冷卻，同時使拖車少負擔動力設備的重量和噪聲干擾。

另一種動力系統配制方法是將全列車分為若干個動力單元，在每一個動力單元中帶牽引電機的驅動軸（動力軸）分散布置在單元的每一個或部分車軸上，更重要的是將傳動系統的各個動力設備也分散地設置在各個車輛底下，而不占用任何一節車廂。圖2-3（b）即是該類動力配置的一個例子，圖示為2輛動力車和1輛無動力拖車（簡稱2動1拖）組成的一個列車單元。列車可以按需要由若干個單元組成，列車兩端必須設有帶駕駛室的頭車。由圖例可見動力系統的主要設備：主變壓器（MTr）、變流器/逆變器（C/I）及空壓機、空調機等輔助設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力設備，圖示為一種典型的配置方式，主變壓器承擔前后2臺動力車的功率供給，即2臺動力車共用一臺主變壓器。

動力分散布置列車的單元一般可以由2～4輛車構成。根據列車的牽引、加速、最高速度等特性決定各單元動力車（M）和拖車（T）的組合。如可能的組合有2M、2M1T、2M2T、3M1T、4M等。其特點如下：

（1）包括頭車在內的各車廂都用來布置乘客座席和旅客設施。

（2）每組單元都具有完善的牽引、制動、控制、信息和輔助電源系統。

（3）每列編組中設2架受電弓，采用高壓線連接以抑制離線和電弧的發生。

（4）動力設備分散置于車體下部，設備的工作環境和檢修條件較差。

動力分散型動車組軸重小，牽引動力大，起動加速快，驅動動軸多，黏著性能比較穩定，容易實現高速運轉，且其動力設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，起動加速牽引力可達到360kN，每噸起動加速牽引力可達到0.5kN，由起動加速到250km/h速度的時間僅需215s，走行9.6km。新干線300系每米定員為3.29人，超過TGV-A的2.04人和ICE的1.85人。基于這種特點，動力分散型動車組比較適合鐵路路基松軟、站距較短的國家，如日本等。多年來，日本始終采用動力分散電動車組，從0系到700系，一直不變，取得了輝煌成績。之所以取得這樣大的成績，主要緣由如下：

（1）輪軌作用力小，牽引、制動性能良好。

（2）采用交流傳動（300系開始）。

（3）部件輕量化。

（4）采取了減小運行阻力和噪聲的措施。

動力集中型動車組為世界許多國家廣泛采用，其運行速度也可達到330km/h。動力集中型動車組技術成熟，編組較動力分散型動車組更為靈活。另外，在成本方面，動力集中型兩端為動力車，設備集中，動力設備數量少，在車內環境方面，動力集中型驅動裝置集中在兩端，遠離旅客座位，噪聲小。動力分散型驅動設備分布在車下，有一定的振動影響。

可以從如下的幾個方面來分析動力集中與動力分散之間的特點。

（1）牽引總功率和軸功率

從輪軌關系來看，理論上每根動軸能傳遞的牽引功率為軸重、黏著系數和速度的乘積，而實際上能實現的功率受輪徑、傳動裝置的布置方式和電傳動技術水平等的限制。由于動力分散方式動車組的輪徑和車體底下空間位置比動力集中方式的小，所以就單軸功率而言，動力分散方式的小，目前最大為550kW，動力集中方式的大，目前最大可達1200kW。就車組總功率而言，由于動力分散方式動軸多，可以超過10000kW，動力集中方式目前尚未超過10000kW。當然也可以通過在動力車相鄰的中間車轉向架上加牽引電動機的辦法來增加總功率。但總的來說，只要站線長度允許，動力分散方式可以增加動力單元，其總功率比動力集中方式大，從而可牽引更多的旅客。

（2）最大軸重和簧下質量

根據日本新干線的運行經驗，在速度和簧下質量一定時，軌道下沉量隨著軸重增加而增加。所以采用動力分散方式的理由之一是為了減少線路建設費用，采取低軸重。一般軸重在16t以下，300系車降到14t。動力集中方式電動車組一般軸重大，規定不超過17t，但ICE車高達19.5t，所以就最大軸重而言，動力集中方式比動力分散方式對線路不利。但對軌道的破壞不只是軸重，簧下質量也起著同樣重要的作用。日本曾就軸重14t、10t計算了簧下質量與運行速度的關系。結果表明，如果簧下質量不變，即使減輕軸重，對軌道的破壞不會有太大的好轉，簧下質量必須與軸重一起減少。

（3）黏著利用

動力分散方式一般軸重較輕，單軸黏著力也較小，但由于動軸多，可以發揮的黏著牽引力大，而動力集中方式雖然軸重大，單軸黏著力大，但由于動軸少，單軸黏著利用接近極限，可以發揮的總的黏著牽引力小。就起動加速度而言，經計算表明，在低速區段，動力分散方式可以充分利用黏著重量大的特點，動力集中方式黏著重量小，低速時采用恒流控制。

（4）制動

動力分散方式的一個主要優點是動軸多，對每個動軸都可以施加電制動和盤形制動，制動功率大，甚至可以超過牽引功率，使列車迅速停車。動力集中方式動軸少，制動功率沒有動力分散那么大。

（5）制造成本

采用動力分散方式電動車組，電氣設備分散、總重大、造價高。日本曾用傳統機車牽引客車和動力分散方式動車組做過比較，BD75型機車牽引12輛客車，一列車造價為34240萬日元，而583動車組6輛動力車和6輛拖車的造價為47740萬日元。為了降低列車制造成本，日本已由16個全動車減少到12M+4T、10M+6T。意大利ETR450型10M+1T一列車造價2200萬美元，法國M-P型1M+8T+1M一列車造價1300萬美元來比較，也說明動力集中方式動車組造價比動力分散方式動車組低得多。

（6）維修費用

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

德國ICE1列車和ICE2長編組列車采用推挽式動車組，兩端為動力車，中間為拖車，即采用傳統的機車牽引模式，而到了ICE3轉為動力分散型動車組。歐洲鐵路聯盟（EMUs）擬建統一的高速鐵路網。要進入這個網，德國鐵路必須與國際接軌，在技術上、性能上滿足歐洲高速運輸對高速列車的要求。考慮市場競爭的需要，因此ICE3采用動力集中已不適合，原因是軸重限制17t（ICE1是19.4t），最高速度300km/h，線路坡度40‰，并且要增加座位數等。采用動力分散型動車組可增加乘員，并使整列車質量分布更均勻，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量。此外，還提高了再生制動的利用率，制動功率8.2MW，最大電制動力為300kN，相當于ICE2短編組的兩倍，減少了盤形制動的磨耗量及維修費用。