高速铁路机车车辆关键技术分析

第21卷　第2期 郑州铁路职业技术学院学报 Vol .21　No .2　2009年6月 Journal of Zhengzhou Rail w ay Vocati onal &Technical College Jun .2009

　收稿日期:2008-12-10

　作者简介:李新东(1969-)男,河南新密人,郑州铁路职业技术学院机电工程系副教授。

卢桂云(1966-)女,河南商丘人,郑州铁路职业技术学院机车车辆系副教授。

高速铁路机车车辆关键技术分析

李新东　卢桂云

(郑州铁路职业技术学院　河南郑州　450052)

摘　要:针对高速铁路机车车辆应普遍具有的牵引传动技术、复合制动技术、高性能转向架技术、车辆轻

量化技术、外形的空气动力学设计技术、高速列车的控制、检测和诊断技术、车辆间密接式连接技术、车厢密封减噪及集便排污技术、高速列车倾摆技术、高速受电弓技术等十大关键技术进行分析,提出高速列车应进一步完善的技术问题。

关键词:高速铁路　机车车辆　关键技术 高速列车是高速铁路的技术核心,是机车车辆现代化的有效载体。如果说高速铁路是现代高新技术的综合集成,则高速列车是机械、电子、材料、计算机、数控等现代技术综合集成的集中体现。根据国务院批准执行的“中长期铁路网规划”要求,2020年前我国将修建四纵四横的客运专线及三个城际快速客运系统,共计达12000k m 以上。为此,研究高速列车关键技术,推进我国机车车辆现代化建设已成为铁路科技工作者面临的紧迫任务。

高速列车按列车动力轮对分布和驱动设备的设置来分类,可分为动力集中型和动力分散型;按列车转向架布置和车辆联结方式来分,可分为独立式转向架和铰接式转向架。随着高速列车速度进一步提高到300k m /h 以上,动力集中与动力分散两种类型正在相互靠拢,动力分散式相对集中,动力集中式将动轴扩展,粘着利用将更加充分。

各型高速列车不论其具体结构及设备如何,其关键技术基本是一致的,主要可以概括为以下十大方面:

1　牵引传动技术1.1　高速列车牵引传动装置的特殊要求

高速列车牵引传动装置的特殊要求是大额定输出功率,牵引电机重量轻,易维修,耐恶劣环境条件,速度控制方便,电机的转矩—速度特性较陡,可抑制

空转,提高高速下粘着利用,电机无换向,不会引起

电气、机械损耗。

1.2　交-直-交变流系统

交-直-交变流系统是将单相交流电通过整流转变为直流电,又通过逆变器将直流电转变为可调频调压的三相交流电,供交流牵引电机牵引所用。高速列车的交流传动系统与一般工业领域的变流装置相比,具有调速范围宽、控制特性全面,有良好的快速动态响应特性,输出电压波形质量良好,牵引与再生制动可频繁转换,效率高,可靠性好,重量轻,体积小,防振性能好。

1.3　牵引电机悬挂及机械传动方式

传统的牵引电机采用轴悬式架承在轮对车轴上(也叫抱轴式),这种方式缺点是电机全部重量支承在车轴上,增大簧下质量,引起轮轨冲击振动,恶化电机工作条件。高速列车的牵引电机可采用架悬式或万向轴车体悬挂式和轮对空心轴半体悬挂式。

2　复合制动技术

高速列车的制动系统,在技术上完全突破传统的列车制动模式。高速列车制动系统必须具备的条件是尽可能缩短制动距离以保障行车安全,保证高速制动时车轮不滑行,尽量降低制动系统的簧下重量。

2.1　列车制动系统

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采用微机控制的电气指令式动力制动和摩擦制动的复合制动方式。制动过程优先使用动力制动系统,并达到动力制动与空气制动协调配合。可由司机手动或根据列车运行自动控制系统的要求实行制动或缓解。各种方式的制动力组合或转换衔接平稳、无冲动,达到列车运行要求的舒适度。一般拖车上仅有空气制动,司机的制动指令直接传送到拖车的电空转换阀(此时拖车上安装的U I C标准空气分配阀仅作备用),并通过中继阀执行制动及缓解功能。

2.2　基础制动系统———大功率盘形制动装置

盘形制动机是高速列车诸多基础制动方式中应用最为广泛的一种。制动盘与闸片在高速制动时承受极为苛刻的热负荷。为此必须重点解决三个问题:一是增加制动盘和闸片的强度和减少热裂纹;二是减轻制动盘的重量,降低高速转向架的簧下重量;三是在结构上又能满足热量消散程度好,气流功率损失较少。

3　高性能转向架技术

高速转向架必须具备高速运行稳定性、舒适性、走行安全性和曲线通过性能等动力学特性,保证列车高速运行中的安全。

3.1　一系悬挂系统

一系悬挂系统的轴箱定位刚度和簧下质量对直线运动稳定性有较大影响。

3.2　二系悬挂系统

空气弹簧作为二系悬挂系统的关键部件,成功地解决了车体振动问题,特别是垂向振动及乘坐舒适性问题。空气弹簧的设计经历了从约束膜式发展到自由膜式过程,空气弹簧内部节流孔也从初期固定式发展为可变式。在无摇枕转向架中,空气弹簧的横向刚度也大大降低,水平变位可大于±100mm,各种形式的空气弹簧设计都有不同的技巧。

3.3　减轻横向振动的主动/半主动有源控制系统

高速列车的稳定性、平稳性、曲线通过性能是相互制约的,在参数选取方面是难以获得兼顾的最优匹配系统,比如在直线运行稳定性与曲线通过性能在轴箱定位刚度的选取上是相互矛盾的,空气弹簧参数在平稳性和相对位移间也是矛盾的,采用主动或半主动有源控制技术,目的是适应复杂条件下,使转向架动力学性能具有随机应变的能力,更好地解决横向振动问题,提高高速下的舒适性。

4　轻量化技术

4.1　车体轻量化技术

车体轻量化的主要途径是采用新材料和优化结构设计。

传统的车体材料是碳素钢,由于预留了较大的腐蚀余量,因此自重大、寿命短。所以各国高速列车在车体设计制造中已基本采用铝合金挤压型材或不锈钢材质,使车体结构具有无涂装,免维修或少维修特点。尤其是铝合金挤压型材,包括异型或大截面空腹断面型材,是目前高速列车车体结构的主导材料。

大量采用高分子非金属材料作为车厢内部设备材料也有较好的减重效果。如水箱、集便器、整体厕所、座椅等。

4.2　转向架轻量化技术

转向架重量约占车辆自重的20～30%,因此高速列车转向架轻量化具有重要意义。各国高速列车的转向架轻量化技术主要包括采用无摇枕结构,构架采用H型钢板焊接结构,取消端梁,采用空心车轴,车轮小型化,采用铝合金齿轮箱和轴箱,采用交流牵引电机,制动盘轻量化,二系悬挂中采用了空气弹簧等技术。

5　外型的空气动力学设计技术

高速列车相关的空气动力学特性包括在开阔地区运行时列车的表面压力、两列高速列车会车时表面压力、隧道内列车表面压力、隧道微气压波、列车风对站台退避距离影响、列车空气阻力等。

5.1　列车头型设计

各种头型的流线化主要目的是降低空气阻力,减少压力波,改善尾部涡流,减少列车交会时压力波动值。头型设计一般长细比越大,减少阻力越有效,但制造难度及制造成本相对增加。

5.2　车体外形设计

车体外形设计关键是要求车体表面光滑平整,车厢间连接平滑过渡,最大程度减少空气阻力,交会压力波和气动侧向力。高速列车车体外形设计主要是横截面形状设计,当前以腰鼓形设计为多,有利于减少各种空气阻力。车底部应设计有封闭外罩,可以有效减少紊流。

6　高速列车的控制、检测和诊断技术

高速列车控制、检测和诊断系统的技术功能包括正确控制和检测列车安全运行,保证每辆车内受控设备完全按司机操纵和行车指挥命令协调工作。使司机及时发现各种故障,以便及时采取应急处理措施或通知地面维修部门,具有传输信息的网络通信功能。

6.1　控制技术

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