中國高速動車組的九大關(guān)鍵技術(shù)和十項配套技術(shù)
2016-04-27
為了實現(xiàn)引進動車組技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，鐵道部根據(jù)高速列車基本組成、技術(shù)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(shù)分成九大關(guān)鍵技術(shù)和十項配套技術(shù)。
九大關(guān)鍵技術(shù)
歸納起來，高速列車的關(guān)鍵技術(shù)主要包括如下9個方面（即所謂的九大關(guān)鍵技術(shù)）：動車組總成（即系統(tǒng)集成）、車體、轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(shù)包括總體技術(shù)條件、系統(tǒng)匹配、設(shè)備布置、參數(shù)優(yōu)化、工藝性能、組裝調(diào)試和試驗驗證。在總體設(shè)計技術(shù)條件下，對動車組車體、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)和車端連接裝置等元素按有關(guān)參數(shù)進行合理選擇設(shè)計和優(yōu)化，確定各子系統(tǒng)間的接口關(guān)系。最后經(jīng)歷生產(chǎn)、組裝、測試、調(diào)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(xué)、列車空氣動力學(xué)、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(guān)系和接口關(guān)系，針對京滬高速鐵路，具體有：
①輪軌關(guān)系接口——輪軌匹配關(guān)系，包括軌距、車輪踏面和內(nèi)側(cè)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(shè)置值；線路不平順的控制值。
②弓網(wǎng)關(guān)系接口——包括京滬高速鐵路的接觸網(wǎng)類型、接觸網(wǎng)波速和張力；接觸網(wǎng)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(xué)參數(shù)，滿足氣動性能、阻力要求和噪聲要求的高速受電弓結(jié)構(gòu)，研制出低風(fēng)阻、低噪聲、低擾動、高動力學(xué)性能的400km/h高速受電弓。
③流固耦合關(guān)系接口——保證列車安全運行的環(huán)境風(fēng)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(guān)系接口——確定引發(fā)牽引供電網(wǎng)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(shù)和裝置；根據(jù)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(shù)。
⑤環(huán)境耦合關(guān)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(shù)要求。對動車組車體、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)和車端連接裝置等元素按有關(guān)參數(shù)進行合理選擇設(shè)計，經(jīng)歷生產(chǎn)、組裝、測試、調(diào)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(xué)、列車空氣動力學(xué)、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(shù)的大量應(yīng)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(dǎo)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(jīng)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(shè)計制造的新趨勢。主變流器的冷卻是另一項關(guān)鍵技術(shù)，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(fēng)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(shù)發(fā)展的目標。近代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩密度，從而有可能實現(xiàn)無傳動齒輪的直接驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制的新技術(shù)：直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)和直接自控制(DSC)。這項新技術(shù)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(shù)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(shù)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(wǎng)絡(luò)發(fā)展。車載計算機網(wǎng)絡(luò)由列車控制級、車輛控制級和功能控制級組成。
3）高速轉(zhuǎn)向架
轉(zhuǎn)向架起到對整個車輛的承載、導(dǎo)向和減振作用，同時還是牽引與制動的最終執(zhí)行機構(gòu)。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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單、可靠、少維修。為此，高速列車轉(zhuǎn)向架需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：①轉(zhuǎn)向架輕量化技術(shù)；②轉(zhuǎn)向架懸掛技術(shù)；③轉(zhuǎn)向架驅(qū)動技術(shù)；④牽引電動機懸掛技術(shù)。
4）高速制動技術(shù)
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(shù)必須解決列車動能的快速轉(zhuǎn)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停或降速。另外，由于輪軌粘著系數(shù)隨運行速度的提高而下降，因此更增加了高速制動技術(shù)的難度。目前，高速列車制動的關(guān)鍵技術(shù)有：①基礎(chǔ)制動技術(shù)；②動力制動技術(shù)；③復(fù)合制動技術(shù)；④非粘著制動技術(shù)（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(shù)。
5）高速車體技術(shù)
高速列車在車體方面的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：①車體輕量化技術(shù)：包括采用新材料、新工藝；改變車體結(jié)構(gòu)；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計；模塊化和集成化。②氣動外形技術(shù)。③車體密封技術(shù)。
6）列車控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
列車控制網(wǎng)絡(luò)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(yù)防故障。高速列車控制網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)3個方面的內(nèi)容。
十項配套技術(shù)
十項配套技術(shù)包括：空調(diào)系統(tǒng)、集便裝置、車門、車窗、風(fēng)擋、鉤緩裝置、受流裝置、輔助供電系統(tǒng)、車內(nèi)裝飾材料和座椅等。
1）空調(diào)系統(tǒng)
動車組的車內(nèi)空氣清潔度、車內(nèi)平均溫度、車內(nèi)濕度、車內(nèi)空氣流速、應(yīng)急通風(fēng)量等直接關(guān)系到旅客的乘坐舒適度。動車組的空調(diào)系統(tǒng)性能應(yīng)符合相關(guān)要求，每輛車均配有1套獨立的空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)的主要功能：①供應(yīng)新風(fēng)，排放廢氣；②采暖和制冷制熱能力；③氣流的導(dǎo)向和分配；④新風(fēng)的初步過濾；⑤混合氣體的過濾；⑥新風(fēng)和排氣系統(tǒng)的壓力保護；⑦緊急通風(fēng)。
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(jù)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(cè)的側(cè)拉門和客室內(nèi)部兩端的內(nèi)端門。這2種車門的工作性質(zhì)和要求是完全不同的，側(cè)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(guān)閉并具有良好的氣密性，因此，側(cè)拉門除堅固結(jié)實外，還必須滿足氣密性和隔聲要求；而內(nèi)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(nèi)端門往往采用自動感應(yīng)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(cè)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(yīng)速度）。
5）風(fēng)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(nèi)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(fēng)擋也必須具有很好的密閉性。所以，高速動車組的風(fēng)擋通常采用密閉式橡膠風(fēng)擋或雙層折棚風(fēng)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(shè)有彈簧緩沖器及球形橡膠軸承，以減少車輛運行中產(chǎn)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(wǎng)受流系統(tǒng)不間斷地從接觸網(wǎng)上獲取電能。受流裝置是將電能由接觸網(wǎng)順利導(dǎo)入動車組內(nèi)部變壓設(shè)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(wǎng)受流系統(tǒng)必須滿足的基本條件是：良好的受流質(zhì)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(zhì)量依賴于弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和跟隨性，保證弓網(wǎng)間良好的接觸，不離線、不產(chǎn)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(shè)備正常工作的必不可少的系統(tǒng)。現(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(shè)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(shè)備組成。用電設(shè)備包括空氣壓縮機、冷卻通風(fēng)機、油泵/水泵電機、空調(diào)系統(tǒng)、采暖設(shè)備、照明設(shè)備、旅客服務(wù)設(shè)備、應(yīng)急通風(fēng)裝置、診斷監(jiān)控設(shè)備和維修用電等。某些車車底架下設(shè)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(nèi)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(nèi)裝飾通常采用輕量化、模塊化設(shè)計，采取隔聲降噪措施，充分體現(xiàn)人性化設(shè)計理念。裝飾材料的燃燒性、發(fā)煙性和毒性應(yīng)滿足相關(guān)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(shè)施，旅客在車廂內(nèi)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(shè)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(shè)有機械的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，提高旅客乘坐的舒適性。座椅布置充分考慮人機工程學(xué)的相關(guān)參數(shù)，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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