1.1.3　动车组牵引方式

列车牵引动力系统除包括如图1.2所示的主变压器、变流器、逆变器等各种动力设备外，还有空调机，空压机，各种风机，蓄电池，辅助逆变器等多种辅助设备，在考虑列车动力配置的同时，必须考虑这些设备的布置。

目前世界上高速电动车组有两种牵引方式：动力集中方式和动力分散方式。列车头尾各有一台动力车，中间为拖车，如果动力不够，靠近动力车的中间车转向架，亦装有牵引电动机，这种动力布置方式实质上是传统机车牵引方式的变形，称为动力集中式动车组，欧洲早期的动车组主要采用这种方式。随着动车组运行速度的不断提高，欧洲300km/h以上的动车组逐渐转向动力分散的形式，我国的高速动车组也采用的是动力分散式。

动力集中型高速列车是将动力设备全部设置在一辆头车中，如图1.4（a）所示，全列车的牵引力由集中在动力头车的动力轮对上的电动机提供。这时必须注意两个问题：第一，动力轴的质量必须足够提供牵引力所需的黏着力，否则动力车轮将产生空转，丧失牵引力，不但使电机功率不能发挥反而会损伤车轮和钢轨。第二，动力轴的质量不能过大，否则在高速运行时会产生过大的轮轨力，损坏钢轨和线路。为此，欧洲高速铁路网在有关的技术规程中规定高速列车的最大轴重不能超17t，在作牵引力计算时轮轨黏着系数值定为：低速起动时，0.2；100km/h时，0.17；200km/h时，0.13；300km/h时，0.09。

动力车轴重及轮轨黏着系数的限值给高速列车的动力配置造成了很多困难。如德国设计的ICE1型动力集中型高速列车的动力车每轴功率1200kW，一台动力头车的功率4800kW，较大功率的动力设备和传动机构，使每轴的轴重达到19.5t。尽管它有很大功率的牵引电机，并且可以产生较大的起动牵引力（双机起动牵引力为400kN），但过大的轴重使欧洲高速路网拒绝接纳。法国的办法是保持动力轴轴重为17t，采用增加动力转向架的方式来满足列车功率和牵引力的需要。即在紧接动力头车的拖车中将靠近动力车的一台转向架设为动力转向架，如用在巴黎—伦敦的EUROSTAR型和出口韩国的TGV高速列车都是这样的动力设置。

动力集中设置的特点在于集中在头车的动力设备便于检修和集中通风冷却，同时使拖车少负担动力设备的质量和噪声干扰。

另一种动力系统配置方法，却将全列车分为若干个动力单元，在每一个动力单元中带牵引电机的驱动轴（动力轴）分散布置在单元的每一个或部分车轴上，更重要的是将传动系统的各个动力设备也分散地设置在各个车辆底下，而不占用任何一辆车厢。图1.4（b）即是该类动力配置的一个例子，图示为2辆动力车和1辆无动力拖车（简称2动1拖）组成的一个列车单元。列车可以按需要由若干个单元组成，列车两端必须设有带驾驶室的头车。由图例可见动力系统的主要设备：主变压器（MTr）、变流器/逆变器（C/I）以及空压机、空调机等辅助设备都以吊挂的方式置于各车体的底部。为了平衡质量分配，拖车下面也安装一定的动力设备，图示为一种典型的配置方式，主变压器承担前后2台动力车的功率供给，即2台动力车共用一台主变压器。

动力分散布置列车的单元一般可由2～4辆车构成。根据列车的牵引、加速、最高速度等特性决定各单元动力车（M）和拖车（T）的组合。如可能的组合有2M，2M1T，2M2T，3M1T，4M等。它的特点是：①包括头车在内的各车厢都用来布置乘客座席和旅客设施；②每组单元都具有完善的牵引、制动、控制、信息和辅助电源系统；③每列编组中设2架受电弓，采用高压线连接以抑制离线和电弧的发生；④动力设备分散置于车底下部，设备的工作环境和检修条件较差。

动力分散型动车组轴重小，牵引动力大，起动加速快，驱动动轴多，黏着性能比较稳定，容易实现高速运转；其动力设备均可安装于地板底下，所有车辆（包括头车和中间车）均可作为客车使用，这样可提高列车定员。以新干线300系为例，其额定功率为12000kW，起动加速牵引力可达到360kN，每吨起动加速牵引力可达到0.5kN，由起动加速到250km/h速度的时间仅需215s、走行9.6km。新干线300系每米定员为3.29人，超过TGV-A的2.04人和ICE的1.85人。基于这种特点，动力分散型动车组比较适合铁路路基松软、站距较短的日本等国家。多年来，日本始终坚持动力分散电动车组，从0系到H5系，一直不变，取得辉煌成绩。之所以取得这样大的成绩，主要缘于：①轮轨作用力小，牵引、制动性能良好；②采用交流传动（300系开始）；③部件轻量化；④采取了减小运行阻力和噪声的措施。

动力集中型动车组为世界许多国家广泛采用，其运行速度也可达到330km/h。动力集中型动车组技术成熟，编组较动力分散型动车组更为灵活。另外，在成本方面，动力集中型两端为动力车，设备集中，动力设备数量少；在车内环境方面，动力集中型驱动装置集中在两端，远离旅客座位，噪声小。动力分散型驱动设备分布在车下，有一定的振动影响。

可从如下几个方面来分析动力集中与动力分散之间的特点：

1.牵引总功率和轴功率

从轮轨关系来看，理论上每根动轴能传递的牵引功率为轴重、黏着系数和速度的乘积，而实际上能实现的功率受轮径、传动装置布置方式和电传动技术水平等的限制。由于动力分散方式电动车组的轮径和车体底下空间位置比动力集中方式的小（实际上也不需要大），所以就单轴功率而言，动力分散方式的小，动力集中方式的大。就车组总功率而言，动力分散方式动轴多，总功率大。当然也可以在动力车相邻的中间车转向架上加牵引电动机的办法来增加总功率。但总的来说，只要站线长度允许，动力分散方式可以增加动力单元，其总功率比动力集中方式大，从而可牵引更多的旅客，起动加速度也快。

2.最大轴重和簧下质量

在速度和簧下质量一定时，轨道下沉量随着轴重增加而增加。所以采用动力分散方式的理由之一是可以减少线路建设费用，降低轴重，一般轴重在16t以下。动力集中方式电动车组一般轴重大，规定不超过17t，但ICE车高达19.5t，所以就最大轴重而言，动力集中方式比动力分散方式大，对线路不利。但对轨道的破坏不只是轴重，簧下质量也起着同样重要的作用。日本曾就轴重14t、10t计算了簧下质量与运行速度的关系。结果表明，如果簧下质量不变，即使减轻轴重，对轨道的破坏不会有太大的好转，簧下质量必须与轴重一起减少。

3.黏着利用

动力分散方式一般轴重较轻，单轴黏着力也较小，但由于动轴多，可以发挥的黏着牵引力大，而动力集中方式虽然轴重大，单轴黏着力大，但由于动轴少，单轴黏着利用接近极限，可以发挥的总的黏着牵引力小。就起动加速度而言，经计算表明，在低速区段，动力分散方式可以充分利用黏着质量大的特点，动力集中方式黏着质量小，低速时采用恒流控制。

4.制动

动力分散方式的一个主要优点是动轴多，对每个动轴都可以施加电力制动和盘形制动，制动功率大，甚至可以超过牵引功率，使列车迅速停车。动力集中方式动轴少，电制动功率没有动力分散那么大。

5.制造成本

采用动力分散方式电动车组，电气设备分散、总重大、造价高。日本曾用传统机车牵引客车和动力分散方式电动车组作过比较，BD75型机车牵引12辆客车，一列车造价为34240万日元，而583电动车组6辆动力车和6辆拖车的造价为47740万日元。为了降低列车制造成本，日本已由16个全动车减少到12M+4T、10M+6T。意大利ETR450型10M+1T一列车造价2200万美元，法国M-P型1M+8T+1M一列车造价1300万美元来比较，也说明动力集中方式电动车组造价比动力分散方式电动车组低得多。

6.维修费用

由于动力分散方式电动车组的每辆动力车均装有一套电气设备，维修工作量大。原西德曾把动力分散方式电动车组与一台BR41型电力机车牵引三辆客车的穿梭列车作过比较，结果表明，如果只分析每公里折旧维修费，则BR430型电动车组约贵50％，BR420/421电动车组约贵20％。日本也承认动力分散方式维修费用比动力集中方式电动车组高得多。就拿TGV-A与TGV-P来比较，由于电动机由12台减少到8台，中间车由8辆增加到10辆，每座位公里的检修费用TGV-A比TGV-P低20％。

德国ICE1列车和ICE2长编组列车采用推挽式电动车组，两端为动力车，中间为拖车，即采用传统的机车牵引模式，而到了ICE3转为动力分散动车组（EMUs）。欧洲铁路联盟拟建统一的高速铁路网，新“全欧通用”技术规范于1997年生效。要进入这个网，德国铁路必须与国际接轨，在技术上、性能上满足欧洲高速运输对高速列车的要求。考虑市场竞争的需要，因此ICE3采用动力集中已不适合，原因是轴重限制17t（ICE1是19.4t），最高速度300km/h，线路坡度40‰，并且要增加座位数等。采用动力分散可增加乘员，并使整列车质量分布更均匀，随之降低了最大轴重，得到更好的牵引特性和降低单位座席的质量。此外还提高了再生制动的利用率，制动功率8.2MW，最大电制动力为300kN，相当于ICE2“短编组”的2倍，减少了盘形制动的磨耗量及维修费用。