高速列车的结构

高速列车的结构

高速列车是材料、机械、电子、计算机和控制等现代技术的一个集中体现。它一般由车体、转向架、车辆连接装置、制动装置、车辆内部设备、牵引传动系统、辅助供电系统和自动控制系统组成。高速列车的设计与开发实际上就是这些组成部分及组成部分之间接口的设计与开发。

1、车体

高速列车的车体分为带司机室的头车车体和中间车体两种。它既是容纳旅客和司机驾驶的地方，又是安装与连接其他设备和部件的基础。列车运行速度的提高，使得空气的动力作用对列车和列车运行性能产生影响；列车高速运行引起的气动现象也会对周围环境产生影响。对于高速列车来说，列车头型设计非常重要，好的头型设计可以有效地减小列车表面压力、列车空气阻力、会车压力波和隧道内列车表面压力和列车风等。

为了降低列车运行能耗，节约材料，减小高速运行时轮轨间的相互作用力所引起的对线路和车辆结构的振动、噪声，以及磨耗或损伤，在满足高速列车安全性、稳定性和舒适性等各项运行性能的前提下，应最大限度地降低列车的质量。对车体进行轻量化设计，降低轴重，一方面，可以降低对车辆和线路的维护量；另一方面，能够降低运行能耗。目前，国内外高速列车的车体材料主要为不锈钢和铝合金，从轻量化设计来看，随着铝合金制造工艺的成熟，铝合金相对不锈钢材料具有更大的优势。

为了进一步提高列车通过曲线时的速度，国内外发展了各种形式的摆式列车，即通过各种措施使列车车体在通过曲线时可以向曲线内侧倾摆，即车体相对于轨道平面转动一个角度。增加重力横向分量，可以抵消列车未被平衡的离心加速度，从而使旅客感受到的未被平衡的离心加速度基本保持在容许范围之内。

2、转向架

转向架设置于车体和轨道之间，用来牵引和引导车辆沿轨道行驶，承受和传递来自车体及线路的各种载荷，并缓和其动作用力。转向架是保证列车运行品质和安全的关键部件。转向架一般由轮对轴箱装置、构架、弹簧悬挂装置、车体支

承装置和制动装置组成。高速列车转向架分动力转向架和非动力转向架，动力转向架包括牵引电动机和传动装置。

转向架是高速列车走行装置，是高速列车的核心部件，具有承载、导向、缓冲减振、牵引和制动等功能。为了抑制蛇形运动，转向架必须具有良好的稳定性（安全性）和运行平稳性等动力学性能，必须满足转向架运行的结构强度和服役可靠性要求；另外，转向架还必须具有良好的曲线通过能力。

3、车辆连接装置

车辆编组成列车运行必须借助于连接装置，其机械连接包括车钩、缓冲装置和风挡等，同时还有车辆之间的电气和空气管路的连接、高压电器连接、辅助系统和列车供电连接及控制系统连接等。车辆间的牵引缓冲装置是关系到缓和列车冲击，提高旅客舒适性和列车安全的重要部件，高速列车对牵引缓冲装置提出了更高的要求。目前，世界各国高速列车普遍采用密接式车钩连接装置，该装置两车钩连接面的纵向间隙一般都小于2 mm，上下、左右偏移也很小，为提高列车的运行平稳性和电气线路、风管的自动对接提供了保证。

4、制动装置

制止列车运动，使其减速或致其停车，称为制动。对已实施制动的列车解除或减弱其制动作用，称为缓解。为使列车能实施制动和缓解而安装在列车上的一整套设备，称为制动装置。制动装置是保证列车安全运行所必需的装置。高速列车常采用动力制动与摩擦制动的复合制动方式。制动控制系统包括动力制动控制系统（再生制动）和空气制动控制系统，此外，还有电子防滑器、基础制动装置等。由于列车的动能与速度的平方成正比，而且在一定的制动距离条件下，列车的制动功率是速度的三次函数，因此，高速列车对制动技术提出了更为严峻的挑战。此时，传统的空气制动能力已远远不能满足需要，因此高速列车上采用了各种复合制动方式，目前最常用的有“盘形制动+电气动力制动（再生制动）”、按速度控制制动力的大小（以充分利用黏着）、高性能的防滑装置及微机控制等。

5、车辆内部设备

车辆内部设备是指服务于旅客的车内固定附属装置，如车内装饰电气、供水、通风、取暖、空调、座席、车窗、车门、行李架、旅客信息服务系统等。

6、牵引传动系统

高速列车牵引传动系统的功能是将电能转换成机械能牵引列车运行，同时在列车制动时将机械能转变成电能回馈电网。牵引传动系统主要包括受电弓、主断路器、主变压器、牵引变流器、牵引电动机及电传动系统的保护等。早期的电力牵引传动系统均采用直流电动机驱动。高速列车要求减轻车辆轴重，尤其是簧下质量，而直流电动机的单位功率质量较大，无法满足高速铁路的要求。在交流传动系统中，交流牵引电动机较传统的直流牵引电动机具有额定输出功率大、结构简单、体积小、质量轻、易维修、速度控制方便、效率高等一系列优点。除此之外，高速受流技术也是牵引传动系统必须要重点考虑的。

7、辅助供电系统

列车辅助供电系统主要由辅助变流器、辅助整流器及相关的组件构成。辅助变流器用来提供三相AC 400 V的电源。辅助整流器用来提供直流电源（由整流装置来实现）。为了保证列车正常运行，列车上设有三相交流辅助电路和辅助机械装置。主变压器、牵引变流装置、牵引电动机等在运行中都会散发大量的热量，这些热量需要利用通风机进行强迫风冷或通过冷却油泵驱动冷却油进行循环冷却。这些辅助机械装置一般都需要用三相鼠笼异步电动机来驱动，为此，需要在列车上设置三相交流电源。列车的控制系统和照明系统所需要的直流电源由辅助整流装置提供；在升弓前或高压设备、主变压器出现故障时，相关系统还需要蓄电池供电。因此，列车辅助供电系统的直流部分包括辅助整流装置和蓄电池。另外，辅助供电系统还具备应急供电功能。应急用电包括客室应急通风、应急照明、应急显示、维修用电、通信及其控制等。

8、自动控制系统

目前，在世界高速铁路上使用的自动控制方式主要分为以下两类：

（1）设备为主、人控为辅的控制方式。这种方式以日本为代表，列车自动控制（automatic train control,ATC）系统的限制速度为220 km/h时的闭塞分区的长度为3 000 m（两个闭塞分区的长度），减速到170 km/h时的闭塞分区的长度也为3 000 m，最后减速至30 km/h，直至在前方一定距离处停车。

（2）人机共用、人控为主的方式。以法国为代表，法国北部线的列车速度和运