中国高速动车组的九大关键技术和十项配套技术
2016-04-27
为了实现引进动车组技术的消化吸收和再创新，铁道部根据高速列车基本组成、技术难度和我国铁路机车车辆的工业化水平，把高速动车组的技术分成九大关键技术和十项配套技术。
九大关键技术
归纳起来，高速列车的关键技术主要包括如下9个方面（即所谓的九大关键技术）：动车组总成（即系统集成）、车体、转向架、牵引变压器、主变流器、牵引电机、牵引传动控制系统、列车控制网络系统、制动系统等。由于牵引变压器、主变流器和牵引电机属于牵引传动系统的主要组成部分，因此，在这里将牵引变压器、主变流器和牵引电机归入牵引传动控制系统中一并叙述。
1）动车组总成（即系统集成）
高速列车总成技术包括总体技术条件、系统匹配、设备布置、参数优化、工艺性能、组装调试和试验验证。在总体设计技术条件下，对动车组车体、转向架、牵引传动系统、制动系统、列车控制网络系统、辅助供电系统和车端连接装置等元素按有关参数进行合理选择设计和优化，确定各子系统间的接口关系。最后经历生产、组装、测试、调整和试验等过程，完成动车组整体集成。系统集成使动车组达到牵引、制动、车辆动力学、列车空气动力学、舒适性和安全性等基本性能要求。
系统集成还要确定高速列车与运行系统的关系和接口关系，针对京沪高速铁路，具体有：
①轮轨关系接口——轮轨匹配关系，包括轨距、车轮踏面和内侧距，轮轨材料和表面硬度；京沪铁路线路平纵断面的推荐值；线路刚度和线桥过渡段刚度变化设置值；线路不平顺的控制值。
②弓网关系接口——包括京沪高速铁路的接触网类型、接触网波速和张力；接触网吊弦布置和接触线不平顺的控制值；符合400km/h以上运行速度的高速受电弓动力学参数，满足气动性能、阻力要求和噪声要求的高速受电弓结构，研制出低风阻、低噪声、低扰动、高动力学性能的400km/h高速受电弓。
③流固耦合关系接口——保证列车安全运行的环境风控制范围；隧道的断面、洞口的形状和尺寸；列车阻力和气动抬升力限值；合理线间距和列车通过的安全避让距离等。
④机电耦合关系接口——确定引发牵引供电网电压振荡引起的临界条件和综合解决方案，研究谐振抑制技术和装置；根据线路条件和动车组状态，给出满足高速列车3min跟踪间隔需求的牵引供电系统的总体参数。
⑤环境耦合关系接口——确定高速列车的噪声和噪声声强控制值，提出高速铁路声屏障和隧道吸音材料的性能参数要求。对动车组车体、转向架、牵引传动系统、制动系统、列车控制网络系统、辅助供电系统和车端连接装置等元素按有关参数进行合理选择设计，经历生产、组装、测试、调整和试验等过程，完成动车组整体集成。通过集成使动车组达到牵引、制动、车辆动力学、列车空气动力学、舒适性和安全性等性能要求。
2）牵引传动控制系统
大功率电力牵引传动系统是高速列车的原动力。由于高速列车在高速区运行时的基本阻力主要是空气阻力，可近似地认为基本阻力与速度的平方成正比，所需功率与速度的三次方成正比。高速列车运行速度在300km/h以上时，空气阻力已占到总阻力的90％以上，所需功率是100km/h级列车的15倍以上。如此大幅度地增加功率，则意味着要有新技术的大量应用。因此，高速列车的电力牵引传动系统必须向功率大、重量轻、体积孝可靠性高和低成本方向发展，这就决定了高速列车的电力牵引传动系统必然采用先进的交流（交-直-交）传动系统。它主要包括主变流器、牵引变压器、牵引电动机及牵引传动控制等：
①主变流器：采用新型大功率半导体器件，从最早的晶闸管发展到GTO、IGBT、IPM，以至IGCT。主变流器发展的目标是小型化、轻量化、节能、环保、可靠和经济适用。随着变流器的模块化、系列化和小型化，出现了将主变流器与辅助变流器和列车供电变流器统筹考虑、集成设计制造的新趋势。主变流器的冷却是另一项关键技术，它要求冷却装置冷却效率高、体积孝易于维修、不污染环境。目前的冷却方式主要是风冷、油冷、水寓沸腾冷却和热管冷却。
②牵引变压器：是牵引传动系统中重量、体积最大且能量耗损最多的部件，尤其在动力分散式高速列车中，由于要求启动加速功率和再生制动功率大，而安装空间又有限，所以牵引变压器损耗占到总损耗的30％。因此减轻重量、减小体积、降低损耗，一直是牵引变压器技术发展的目标。近代，随着电子技术的发展和高温超导线材性能的提高，出现了2种新型变压器，即电子变压器和高温超导变压器，它们与传统的工频变压器完全不同，具有重量轻、体积孝效率高的特点。
③牵引电动机：近代高速列车大多采用三相交流异步牵引电动机，与直流电机相比，它具有重量轻、功率大、结构简单、运用可靠、寿命长、维修简便的特点，同时交流异步牵引电动机还具有较好的自我抑制空转的性能。近代开发的永磁多极同步牵引电机，由于可实现很高的转矩密度，从而有可能实现无传动齿轮的直接驱动，与带齿轮装置的异步牵引电机相比，具有损耗低、重量轻、噪声孝无油泄漏等优点，很有发展前途。
④牵引传动控制：牵引传动控制的水平取决于牵引传动控制的策略和手段。牵引传动控制策略由最初的转差特性控制发展到矢量变换控制，近年又实现了电机转矩控制的新技术：直接转矩控制(DTC)和直接自控制(DSC)。这项新技术具有控制简单、性能优良和鲁棒性较强的特点。近代牵引传动控制手段普遍采用数字电路和大规模、超大规模集成电路以及微处理器、微控制器和数字信号处理器等组成的微机控制系统，由单机个别控制向车载计算机网络发展。车载计算机网络由列车控制级、车辆控制级和功能控制级组成。
3）高速转向架
转向架起到对整个车辆的承载、导向和减振作用，同时还是牵引与制动的最终执行机构。随着列车速度的提高，列车所需的牵引功率急剧增长，轮轨动作用力也随之加大，轮轨粘着快速降低，制动功率需要增加，从而对高速列车转向架提出了更高的要求。为了满足列车高速运行的需要，高速列车转向架必须保证具有足够的强度和刚度，高的运动稳定性和运行平稳性，良好的曲线通过能力，低的轮轨动作用力，最大限度地发挥轮轨间的粘着潜力，要结构简单、可靠、少维修。为此，高速列车转向架需要解决的关键技术有：①转向架轻量化技术；②转向架悬挂技术；③转向架驱动技术；④牵引电动机悬挂技术。
4）高速制动技术
高速列车的制动系统是实现列车高速、安全运行的保障。列车高速运行时具有相当大的运动能量，而高速列车的制动技术必须解决列车动能的快速转换和能量消耗问题，并在轮轨粘着允许的条件下，做到高速列车的可靠制停或降速。另外，由于轮轨粘着系数随运行速度的提高而下降，因此更增加了高速制动技术的难度。目前，高速列车制动的关键技术有：①基础制动技术；②动力制动技术；③复合制动技术；④非粘着制动技术（非粘着制动主要是指电磁轨道制动和涡流轨道制动）；⑤防滑控制技术。
5）高速车体技术
高速列车在车体方面的关键技术主要包括：①车体轻量化技术：包括采用新材料、新工艺；改变车体结构；优化结构设计；模块化和集成化。②气动外形技术。③车体密封技术。
6）列车控制网络系统
列车控制网络系统对于高速列车安全运行起着重要的作用，因为高速列车的故障会带来严重的后果，因此必须在事故发生以前，利用先进的装备发现和预防故障。高速列车控制网络系统大致可以分为运行监控、故障检测与诊断以及通信网络3个方面的内容。
十项配套技术
十项配套技术包括：空调系统、集便装置、车门、车窗、风挡、钩缓装置、受流装置、辅助供电系统、车内装饰材料和座椅等。
1）空调系统
动车组的车内空气清洁度、车内平均温度、车内湿度、车内空气流速、应急通风量等直接关系到旅客的乘坐舒适度。动车组的空调系统性能应符合相关要求，每辆车均配有1套独立的空调系统。空调系统的主要功能：①供应新风，排放废气；②采暖和制冷制热能力；③气流的导向和分配；④新风的初步过滤；⑤混合气体的过滤；⑥新风和排气系统的压力保护；⑦紧急通风。
2）集便装置
高速动车组通常采用全封闭式集便系统。即控制水箱的水进入集便器冲洗，然后排入污物箱。在列车停车后，定时对污物箱的污物进行处理。根据控制原理的不同，高速列车的厕所又分为真空式、循环式、喷射式和生物处理式。其中较为成熟的是真空式和循环式，尤其真空式厕所已成为当前高速列车采用的首选，它具有清洁卫生、无环境污染、造价低廉、使用可靠和维修方便等优点。
3）车门
高速动车组的车门包括车厢外侧的侧拉门和客室内部两端的内端门。这2种车门的工作性质和要求是完全不同的，侧拉门是将车厢与外界隔离的最后一道“防线”，它只能在整车停稳后才能打开，而在列车运行时必须保持关闭并具有良好的气密性，因此，侧拉门除坚固结实外，还必须满足气密性和隔声要求；而内端门主要功用是保持客室的相对独立性和起一定的隔热隔声效果，因此，内端门往往采用自动感应电动式滑动门。
4）车窗
动车组车窗包括司机室前窗和客室侧面车窗2种。它们除了必须具有足够的强度要求外，还必须具有良好的隔热隔声性能和减速功能（即减缓高速运行时司机和旅客对窗外景物的视觉反应速度）。
5）风挡
当动车组以200km/h以上的速度高速运行时（尤其是2列动车组会车或通过隧道时，甚或2列动车组在隧道内会车时），为了保护旅客的耳膜不受车外空气压力波动的影响，动车组的车体必须具有良好的密闭性，当然与之配套的车厢与车厢间的连接风挡也必须具有很好的密闭性。所以，高速动车组的风挡通常采用密闭式橡胶风挡或双层折棚风挡。
6）钩缓装置
为了减少高速运行时的纵向冲击，高速动车组的车钩一般采用自由间隙很小的密接式车钩。通常车端采用了密接式自动车钩，并设有弹簧缓冲器及球形橡胶轴承，以减少车辆运行中产生的纵向冲击力。中间车既可以采用与端部同样的密接式车钩，也可以采用半永久车钩连接。
7）受流装置
采用电力牵引的高速列车必须通过弓网受流系统不间断地从接触网上获取电能。受流装置是将电能由接触网顺利导入动车组内部变压设备的重要装置。受流装置按其受流方式有多种形式，但高速动车组通常采用受电弓受流器。弓网受流系统必须满足的基本条件是：良好的受流质量，安全的运行性能，足够的使用寿命，减少对周围环境噪声的影响。良好的受流质量依赖于弓网系统的动态稳定和跟随性，保证弓网间良好的接触，不离线、不产生火花。
8）辅助供电系统
辅助供电系统是保证动车组除主传动系统以外的所有用电设备正常工作的必不可少的系统。现代高速动车组的辅助供电系统通常采用列车线供电方式，由分散布置在若干辆车底架的各电源设备向干线并联供电。辅助供电系统从主变流器中间直流环节取电，由辅助变流器以及蓄电池等设备组成。用电设备包括空气压缩机、冷却通风机、油泵/水泵电机、空调系统、采暖设备、照明设备、旅客服务设备、应急通风装置、诊断监控设备和维修用电等。某些车车底架下设置有容量充足的充电机和蓄电池组，充电机向蓄电池充电并向低压负载供电。紧急时由蓄电池供电。
9）车内装饰材料
为了保证车辆的轻量化及旅客乘坐的舒适性，车内装饰通常采用轻量化、模块化设计，采取隔声降噪措施，充分体现人性化设计理念。装饰材料的燃烧性、发烟性和毒性应满足相关标准的规定。
10）座椅
动车组客室座椅是提供旅客乘坐舒适性的重要设施，旅客在车厢内旅行的大部分时间实际上都是在座椅上度过的。因此，座椅的重要性是不容忽视的。动车组客室一般设置一、二等车座椅和观光区座椅。为保证旅客始终面朝列车行驶方向，除餐车外其他各车座椅设有机械的转向机构，提高旅客乘坐的舒适性。座椅布置充分考虑人机工程学的相关参数，保证旅客乘坐的舒适度。
参考文献：
西南交大牵引动力国家重点实验室张卫华，王伯铭《中国高速列车的创新发展》
黎哥知乎问答等
工业新媒体系列/IndustryMedia
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