中國高速動車組的九大關鍵技術和十項配套技術
2016-04-27
為了實現(xiàn)引進動車組技術的消化吸收和再創(chuàng)新，鐵道部根據高速列車基本組成、技術難度和我國鐵路機車車輛的工業(yè)化水平，把高速動車組的技術分成九大關鍵技術和十項配套技術。
九大關鍵技術
歸納起來，高速列車的關鍵技術主要包括如下9個方面（即所謂的九大關鍵技術）：動車組總成（即系統(tǒng)集成）、車體、轉向架、牽引變壓器、主變流器、牽引電機、牽引傳動控制系統(tǒng)、列車控制網絡系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等。由于牽引變壓器、主變流器和牽引電機屬于牽引傳動系統(tǒng)的主要組成部分，因此，在這里將牽引變壓器、主變流器和牽引電機歸入牽引傳動控制系統(tǒng)中一并敘述。
1）動車組總成（即系統(tǒng)集成）
高速列車總成技術包括總體技術條件、系統(tǒng)匹配、設備布置、參數優(yōu)化、工藝性能、組裝調試和試驗驗證。在總體設計技術條件下，對動車組車體、轉向架、牽引傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、列車控制網絡系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)和車端連接裝置等元素按有關參數進行合理選擇設計和優(yōu)化，確定各子系統(tǒng)間的接口關系。最后經歷生產、組裝、測試、調整和試驗等過程，完成動車組整體集成。系統(tǒng)集成使動車組達到牽引、制動、車輛動力學、列車空氣動力學、舒適性和安全性等基本性能要求。
系統(tǒng)集成還要確定高速列車與運行系統(tǒng)的關系和接口關系，針對京滬高速鐵路，具體有：
①輪軌關系接口——輪軌匹配關系，包括軌距、車輪踏面和內側距，輪軌材料和表面硬度；京滬鐵路線路平縱斷面的推薦值；線路剛度和線橋過渡段剛度變化設置值；線路不平順的控制值。
②弓網關系接口——包括京滬高速鐵路的接觸網類型、接觸網波速和張力；接觸網吊弦布置和接觸線不平順的控制值；符合400km/h以上運行速度的高速受電弓動力學參數，滿足氣動性能、阻力要求和噪聲要求的高速受電弓結構，研制出低風阻、低噪聲、低擾動、高動力學性能的400km/h高速受電弓。
③流固耦合關系接口——保證列車安全運行的環(huán)境風控制范圍；隧道的斷面、洞口的形狀和尺寸；列車阻力和氣動抬升力限值；合理線間距和列車通過的安全避讓距離等。
④機電耦合關系接口——確定引發(fā)牽引供電網電壓振蕩引起的臨界條件和綜合解決方案，研究諧振抑制技術和裝置；根據線路條件和動車組狀態(tài)，給出滿足高速列車3min跟蹤間隔需求的牽引供電系統(tǒng)的總體參數。
⑤環(huán)境耦合關系接口——確定高速列車的噪聲和噪聲聲強控制值，提出高速鐵路聲屏障和隧道吸音材料的性能參數要求。對動車組車體、轉向架、牽引傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、列車控制網絡系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)和車端連接裝置等元素按有關參數進行合理選擇設計，經歷生產、組裝、測試、調整和試驗等過程，完成動車組整體集成。通過集成使動車組達到牽引、制動、車輛動力學、列車空氣動力學、舒適性和安全性等性能要求。
2）牽引傳動控制系統(tǒng)
大功率電力牽引傳動系統(tǒng)是高速列車的原動力。由于高速列車在高速區(qū)運行時的基本阻力主要是空氣阻力，可近似地認為基本阻力與速度的平方成正比，所需功率與速度的三次方成正比。高速列車運行速度在300km/h以上時，空氣阻力已占到總阻力的90％以上，所需功率是100km/h級列車的15倍以上。如此大幅度地增加功率，則意味著要有新技術的大量應用。因此，高速列車的電力牽引傳動系統(tǒng)必須向功率大、重量輕、體積孝可靠性高和低成本方向發(fā)展，這就決定了高速列車的電力牽引傳動系統(tǒng)必然采用先進的交流（交-直-交）傳動系統(tǒng)。它主要包括主變流器、牽引變壓器、牽引電動機及牽引傳動控制等：
①主變流器：采用新型大功率半導體器件，從最早的晶閘管發(fā)展到GTO、IGBT、IPM，以至IGCT。主變流器發(fā)展的目標是小型化、輕量化、節(jié)能、環(huán)保、可靠和經濟適用。隨著變流器的模塊化、系列化和小型化，出現(xiàn)了將主變流器與輔助變流器和列車供電變流器統(tǒng)籌考慮、集成設計制造的新趨勢。主變流器的冷卻是另一項關鍵技術，它要求冷卻裝置冷卻效率高、體積孝易于維修、不污染環(huán)境。目前的冷卻方式主要是風冷、油冷、水寓沸騰冷卻和熱管冷卻。
②牽引變壓器：是牽引傳動系統(tǒng)中重量、體積最大且能量耗損最多的部件，尤其在動力分散式高速列車中，由于要求啟動加速功率和再生制動功率大，而安裝空間又有限，所以牽引變壓器損耗占到總損耗的30％。因此減輕重量、減小體積、降低損耗，一直是牽引變壓器技術發(fā)展的目標。近代，隨著電子技術的發(fā)展和高溫超導線材性能的提高，出現(xiàn)了2種新型變壓器，即電子變壓器和高溫超導變壓器，它們與傳統(tǒng)的工頻變壓器完全不同，具有重量輕、體積孝效率高的特點。
③牽引電動機：近代高速列車大多采用三相交流異步牽引電動機，與直流電機相比，它具有重量輕、功率大、結構簡單、運用可靠、壽命長、維修簡便的特點，同時交流異步牽引電動機還具有較好的自我抑制空轉的性能。近代開發(fā)的永磁多極同步牽引電機，由于可實現(xiàn)很高的轉矩密度，從而有可能實現(xiàn)無傳動齒輪的直接驅動，與帶齒輪裝置的異步牽引電機相比，具有損耗低、重量輕、噪聲孝無油泄漏等優(yōu)點，很有發(fā)展前途。
④牽引傳動控制：牽引傳動控制的水平取決于牽引傳動控制的策略和手段。牽引傳動控制策略由最初的轉差特性控制發(fā)展到矢量變換控制，近年又實現(xiàn)了電機轉矩控制的新技術：直接轉矩控制(DTC)和直接自控制(DSC)。這項新技術具有控制簡單、性能優(yōu)良和魯棒性較強的特點。近代牽引傳動控制手段普遍采用數字電路和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路以及微處理器、微控制器和數字信號處理器等組成的微機控制系統(tǒng)，由單機個別控制向車載計算機網絡發(fā)展。車載計算機網絡由列車控制級、車輛控制級和功能控制級組成。
3）高速轉向架
轉向架起到對整個車輛的承載、導向和減振作用，同時還是牽引與制動的最終執(zhí)行機構。隨著列車速度的提高，列車所需的牽引功率急劇增長，輪軌動作用力也隨之加大，輪軌粘著快速降低，制動功率需要增加，從而對高速列車轉向架提出了更高的要求。為了滿足列車高速運行的需要，高速列車轉向架必須保證具有足夠的強度和剛度，高的運動穩(wěn)定性和運行平穩(wěn)性，良好的曲線通過能力，低的輪軌動作用力，最大限度地發(fā)揮輪軌間的粘著潛力，要結構簡單、可靠、少維修。為此，高速列車轉向架需要解決的關鍵技術有：①轉向架輕量化技術；②轉向架懸掛技術；③轉向架驅動技術；④牽引電動機懸掛技術。
4）高速制動技術
高速列車的制動系統(tǒng)是實現(xiàn)列車高速、安全運行的保障。列車高速運行時具有相當大的運動能量，而高速列車的制動技術必須解決列車動能的快速轉換和能量消耗問題，并在輪軌粘著允許的條件下，做到高速列車的可靠制?；蚪邓佟Ａ硗?，由于輪軌粘著系數隨運行速度的提高而下降，因此更增加了高速制動技術的難度。目前，高速列車制動的關鍵技術有：①基礎制動技術；②動力制動技術；③復合制動技術；④非粘著制動技術（非粘著制動主要是指電磁軌道制動和渦流軌道制動）；⑤防滑控制技術。
5）高速車體技術
高速列車在車體方面的關鍵技術主要包括：①車體輕量化技術：包括采用新材料、新工藝；改變車體結構；優(yōu)化結構設計；模塊化和集成化。②氣動外形技術。③車體密封技術。
6）列車控制網絡系統(tǒng)
列車控制網絡系統(tǒng)對于高速列車安全運行起著重要的作用，因為高速列車的故障會帶來嚴重的后果，因此必須在事故發(fā)生以前，利用先進的裝備發(fā)現(xiàn)和預防故障。高速列車控制網絡系統(tǒng)大致可以分為運行監(jiān)控、故障檢測與診斷以及通信網絡3個方面的內容。
十項配套技術
十項配套技術包括：空調系統(tǒng)、集便裝置、車門、車窗、風擋、鉤緩裝置、受流裝置、輔助供電系統(tǒng)、車內裝飾材料和座椅等。
1）空調系統(tǒng)
動車組的車內空氣清潔度、車內平均溫度、車內濕度、車內空氣流速、應急通風量等直接關系到旅客的乘坐舒適度。動車組的空調系統(tǒng)性能應符合相關要求，每輛車均配有1套獨立的空調系統(tǒng)。空調系統(tǒng)的主要功能：①供應新風，排放廢氣；②采暖和制冷制熱能力；③氣流的導向和分配；④新風的初步過濾；⑤混合氣體的過濾；⑥新風和排氣系統(tǒng)的壓力保護；⑦緊急通風。
2）集便裝置
高速動車組通常采用全封閉式集便系統(tǒng)。即控制水箱的水進入集便器沖洗，然后排入污物箱。在列車停車后，定時對污物箱的污物進行處理。根據控制原理的不同，高速列車的廁所又分為真空式、循環(huán)式、噴射式和生物處理式。其中較為成熟的是真空式和循環(huán)式，尤其真空式廁所已成為當前高速列車采用的首選，它具有清潔衛(wèi)生、無環(huán)境污染、造價低廉、使用可靠和維修方便等優(yōu)點。
3）車門
高速動車組的車門包括車廂外側的側拉門和客室內部兩端的內端門。這2種車門的工作性質和要求是完全不同的，側拉門是將車廂與外界隔離的最后一道“防線”，它只能在整車停穩(wěn)后才能打開，而在列車運行時必須保持關閉并具有良好的氣密性，因此，側拉門除堅固結實外，還必須滿足氣密性和隔聲要求；而內端門主要功用是保持客室的相對獨立性和起一定的隔熱隔聲效果，因此，內端門往往采用自動感應電動式滑動門。
4）車窗
動車組車窗包括司機室前窗和客室側面車窗2種。它們除了必須具有足夠的強度要求外，還必須具有良好的隔熱隔聲性能和減速功能（即減緩高速運行時司機和旅客對窗外景物的視覺反應速度）。
5）風擋
當動車組以200km/h以上的速度高速運行時（尤其是2列動車組會車或通過隧道時，甚或2列動車組在隧道內會車時），為了保護旅客的耳膜不受車外空氣壓力波動的影響，動車組的車體必須具有良好的密閉性，當然與之配套的車廂與車廂間的連接風擋也必須具有很好的密閉性。所以，高速動車組的風擋通常采用密閉式橡膠風擋或雙層折棚風擋。
6）鉤緩裝置
為了減少高速運行時的縱向沖擊，高速動車組的車鉤一般采用自由間隙很小的密接式車鉤。通常車端采用了密接式自動車鉤，并設有彈簧緩沖器及球形橡膠軸承，以減少車輛運行中產生的縱向沖擊力。中間車既可以采用與端部同樣的密接式車鉤，也可以采用半永久車鉤連接。
7）受流裝置
采用電力牽引的高速列車必須通過弓網受流系統(tǒng)不間斷地從接觸網上獲取電能。受流裝置是將電能由接觸網順利導入動車組內部變壓設備的重要裝置。受流裝置按其受流方式有多種形式，但高速動車組通常采用受電弓受流器。弓網受流系統(tǒng)必須滿足的基本條件是：良好的受流質量，安全的運行性能，足夠的使用壽命，減少對周圍環(huán)境噪聲的影響。良好的受流質量依賴于弓網系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和跟隨性，保證弓網間良好的接觸，不離線、不產生火花。
8）輔助供電系統(tǒng)
輔助供電系統(tǒng)是保證動車組除主傳動系統(tǒng)以外的所有用電設備正常工作的必不可少的系統(tǒng)?，F(xiàn)代高速動車組的輔助供電系統(tǒng)通常采用列車線供電方式，由分散布置在若干輛車底架的各電源設備向干線并聯(lián)供電。輔助供電系統(tǒng)從主變流器中間直流環(huán)節(jié)取電，由輔助變流器以及蓄電池等設備組成。用電設備包括空氣壓縮機、冷卻通風機、油泵/水泵電機、空調系統(tǒng)、采暖設備、照明設備、旅客服務設備、應急通風裝置、診斷監(jiān)控設備和維修用電等。某些車車底架下設置有容量充足的充電機和蓄電池組，充電機向蓄電池充電并向低壓負載供電。緊急時由蓄電池供電。
9）車內裝飾材料
為了保證車輛的輕量化及旅客乘坐的舒適性，車內裝飾通常采用輕量化、模塊化設計，采取隔聲降噪措施，充分體現(xiàn)人性化設計理念。裝飾材料的燃燒性、發(fā)煙性和毒性應滿足相關標準的規(guī)定。
10）座椅
動車組客室座椅是提供旅客乘坐舒適性的重要設施，旅客在車廂內旅行的大部分時間實際上都是在座椅上度過的。因此，座椅的重要性是不容忽視的。動車組客室一般設置一、二等車座椅和觀光區(qū)座椅。為保證旅客始終面朝列車行駛方向，除餐車外其他各車座椅設有機械的轉向機構，提高旅客乘坐的舒適性。座椅布置充分考慮人機工程學的相關參數，保證旅客乘坐的舒適度。
參考文獻：
西南交大牽引動力國家重點實驗室張衛(wèi)華，王伯銘《中國高速列車的創(chuàng)新發(fā)展》
黎哥知乎問答等
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