德国高速铁路技术（5）

高“速“列“车德国系列高速动车组发展概况早在年原西德联邦政府研究技术部就开始组织对未来长途运输系统新技术的研究，其主要任务包括从年开始的发展磁浮列车的研究及年开始的发展高速铁路技术经济极限的研究。其中轮轨系统研究由德国铁路协会组织，磁浮列车研究由道尼尔系统组织。至年，对研究工作总投资为磁悬浮技术亿马克、轮轨技术亿马克，总计亿马克。轮轨技术研究重点是机车车辆与线路的相互作用及机车车辆线路动力学。原制订高速列车速度目标值为/，为此确定了大量研究内容。后来由于经费短缺，以及联邦铁路在制订高速铁路实施计划中将速度目标值降到了/，加上法国列车于年月日创造了/高速世界记录，使德国认为已没有必要再进行过多研究工作，因此削减了许多研究内容。在发展高速铁路问题上，德国经过了旷日持久的讨论，但在决策上却始终议而不决。由于联邦铁路在市场竞争中经济亏损越来越大，而法国高速铁路运营成功，对素以高技术著称的德国是一个很大的刺激，由此加速了原西德联邦政府发展德国高速铁路的步伐。年月日，原联邦德国铁路成立了新的董事会，确定了发展高速铁路的计划，决定加速修建汉诺威维尔茨堡，曼海姆斯图加特两条高速新线，年月新线实质上动工。年月，联邦铁路投资万马克，试制试验型城间快车。加上原西德联邦政府研究技术部投资万马克，铁路工业企业投资万马克，年联邦铁路追加投资万马克，共万马克。于年试制成功2动3拖/试验型高速电动车组。同年试验最高速度达/。年月/型列车又在汉诺威维尔茨堡新建高速线上创造了/的世界速度最高记录。/试验型列车不仅是德国未来高速列车方案的试验，而且成为新型铁路发展的标志。在/型动车组基础上，年月联邦铁路确定了设计任务书，年开始试制型高速动车组。型动车组与/试验型动车组有不少不同点，示于表。表/试验型与型的比较静挠度；垂向液压减振器当振动速度为/S时，阻尼力为。二系每侧个二系高柔螺旋弹簧，垂向刚度/横向刚度/；静挠度；二系垂向液压减振器当振动速度为/S，阻尼力为；二系横向液压减振器当振动速度为/S，阻尼力为；二系抗蛇行液压减振器当振动速度为/S，阻尼力为。驱动制动单元的耦合减振器阻尼力为。尽可能使转动质量集中于回转中心分布，使转向架绕垂直轴的转动惯量大大减少；因驱动制动合为一体，且实现与车体的横向可转换联结，其转动惯量下降约。采用重量最轻的大功率异步牵引电动机。采取一系列的结构轻型化措施。使用高效能的电子防滑装置。由于上述各项措施的采用，动力转向架的簧下质量只占动力车总质量的，一系簧上质量只占。而一般机车采用牵引电机轴悬挂的簧下质量要占，一系簧上质量占，采用牵引电机转向架构架悬挂的簧下质量占，一系簧上质量占。兼顾直线及曲线的走行性能由于德国的高速列车必须在高速新线上达到较高的运行速度而不失稳，又必须能以较高的速度通过曲线半径较小的既有线，因此，要求动力车转向架同时具有较好的直线及曲线运行性能。为此，在动力转向架上采取了如下措施通过减小走行部的质量和转动惯量，可以降低通过曲线时的导向力及提高直线上走行的稳定性，、位转向架重量分别为及；轮对的纵向及横向定位刚度保持一定的比例；根据对曲线及直线性能深入研究的结果，取动力转向架的轴距为；利用磨耗型踏面达到高速运行，确保良好的曲线耐磨耗性能；驱动制动单元的横向可转换联结，通过不同的联结方式，分别保证不同条件下的性能；采用优化的一、二系静挠度分配及阻尼配置（包括抗蛇行减振器）。追求在不增加维修工作量的前提下实现高速德国选用了磨耗型踏面（型即型），采用的轨底坡，轮对相应宽度为，轮对横动量为，等效锥度为，极限情况下可达到，平均值为。由于采用了磨耗型踏面，在两次旋轮间运行达到万万。采用尽可能简单的结构高速动车组的动力转向架结构相当简单，可接近性、可维修性及零部件的更换都相当方便，结构的简单体现在下述几个方面。框形无中间横梁的焊接构架；单侧轴箱拉杆的简单的轴箱定位形式；集中布置，结构紧凑的驱动制动单元，牵引及制动力的传递采用相同的路线；转向架端梁上单边布置的拉压牵引杆；较简单的一、二系悬挂方式（使用螺旋弹簧橡胶垫）。采用大功率交流异步牵引电动机大功率轴功率达到；体积小、重量轻其外径仅为，单位功率重量仅为/，总重量为。追求高的黏着利用采用交流异步电动机，利用变频调速，可以有效防止及抑制轮对空转；采用各动轴的单独控制，即使一个动轴发生空转，其他动轴仍能维持尽可能高的牵引及制动力；轮对空心轴驱动系统具有足够高的扭转刚度，以保证动轮驱动系统具有很高的黏滑振动稳定性，实现较高的黏着利用；在转向架和车体间采用低位牵引装置，牵引点高度为，可使牵引及制动时的轴重转移很小，提高黏着利用；由于簧下质量及一系簧上质量很小，在线路不平顺的条件下，轮对垂向动态力的变化很小，有利于轮轨黏着的充分发挥；轮对及构架联结的运动学关系及弹性阻尼特性，可以保证在轨道缺陷激励及运动部分偏转的联合作用下，发生的动态蠕滑较小，有助于发挥较高的切向（圆周方向）蠕滑力，从而保持稳定的牵引力特性。一系及二系悬挂一系采用螺旋弹簧，每个一系螺旋弹簧有圈，簧径，中径，包括橡胶垫的高度为，重。二系采用高挠柔性弹簧，每个二系高挠圆簧有圈，簧径，中径，重。与一系弹簧并联着垂向液压减振器，每个轴箱个，重。与二系弹簧并联着垂向液压减振器，每侧个，重，置于车体与转向架构架间。在构架中部每侧布置着1个横向减振器，重，转向架构架与车体在两侧的纵向布置着起回转阻尼作用的抗蛇行减振器，重。每个弹簧都坐于上下个橡胶垫间以发挥其横向刚度，并可隔离高频振动。轴箱采用单侧长拉杆定位，刚度很大，有利于保持驱动系统稳定性，提高黏着利用，同时可提高高速运行时的临界速度，而对轮对横向运动没有限制，轮对的横向定位刚度由一系悬挂的刚度保证，为确保走行性能，纵向与横向定位刚度间保持了一定的比例关系。三角形轴箱拉杆可以大大提高轮对的横向定位刚度，拉杆的两端采用了橡胶球关节。从维修角度出发，仍采用铸钢轴箱。为了减重，车轴采用空心轴结构，壁厚，其材质为RO，轮座处进行了喷钼处理，一端车轮上有6个孔以安装六连杆机构的联结销。每一轮对重量为，弹簧悬挂装置重，每一轴箱（带接地保护）重，一位轮对的排障器重。车轮采用轻型结构的辐板式，轮缘经调质处理，采用材质，装卸车轮采用油压法，轮对使用寿命应至少达到运行万（4万）。转向架构架及牵引杆转向架构架为由钢板焊接成的箱型梁组成的框形结构，无中间横梁，结构简单，重量仅有，侧梁为中部下凹鱼腹型结构，牵引端梁也为中部下凹鱼腹梁，端梁上有驱动制动单元摆杆的吊孔，在构架靠车体中部的内侧端梁上，摆杆吊座中间是牵引杆座。在构架的外侧端梁上有点头止挡，在侧梁靠近端梁的地方有摇头侧挡，在侧梁中部有横移侧挡，此外还有各种减振器安装座，在构架的部分结构上采用了铸焊结合的方式增强其承载能力。高速动车组的动力转向架的牵引装置是在转向架外侧端梁上布置的拉压牵引杆，在耐磨耗和可维修性方面，拉压牵引杆明显优于中心销方案，其结构简单，重量轻，牵引拉杆重。在由试验型/发展为系列型时，除因动力车功率加大使变压器加长，因而牵引杆必须相应缩短外，还将牵引杆设计成可分的，即能与转向架一起与车体分离。牵引杆关节处有大体积的橡胶元件，以适应转向架相对于车体的转动及横动，并缓和纵向冲击，在两端的安装座上有珐琅盘限制橡胶的轴向位移，牵引杆上有天线和装卸托座。转向架走行试验情况根据走行试验结果表明，速度达到/，动负荷变化不大，而且低于车轮动负荷最高限值。轮对横向力测得结果也低于规定的横向力最大值。型动车组制动系统（）复合制动系统根据/型试验列车所获得的经验，发展和改进了型动车组的制动系统，形成了包括下列主要部件的复合制动系统。能将电能反馈到电网的三相异步电机再生制动；不论动力轴和拖车轴均带有盘型制动，每根动力轴有两组不通风的轴盘式盘型制动，每根拖车轴有组通风的轴盘式盘型制动；拖车上采用磁轨制动，并有可能将来用涡流轨道制动替换磁轨制动而不用改动转向架结构；用微处理器进行制动控制；根据的规定，采用带有列车管的电空控制空气制动；采用旋转螺杆式空气压缩机，空气干燥器；制动部件采用模块式结构,板式集中安装。复合制动系统适应的最高速度是/。制动系统的作用准则是尽可能达到无磨耗的制动作用，优先使用动力车的再生制动，盘型制动作为制动力不足时的补充及停车之用，磁轨制动只用于紧急制动。使用列车运行自动控制装置（）的常用制动时减速度一般在坡度上时为/S，坡度上为/S。列车最大常用制动减速度为/S（速度监督曲线），紧急制动时减速度为/S。型动车组在初速度/时紧急制动距离小于，初速度/时紧急制动距离小于。图所示为型动车组在常用制动工况下各种制动方式的制动力分配关系。因仅在紧急制动时应用,无明显轨温上升制动时簧下质量不增加直接支撑在钢轨上，不需附加长的横梁；不需调整空隙。缺点是有磨耗；常用制动时不能应用；冬天有结冰的危险；高速时制动力下降较快。磁轨制动机的制动力随速度变化的实测值见图所示。（）中央检测与监控系统（）。同时，控制和监督系统的操作部分由继电器接触电路改为中央检测监控系统的软件程序控制。由于设备和子系统减少，改善了信息可读量，缩短数据传输周期。每一条多功能母线（）联结辆车。网络间接口保证了和之间的联系。在个动车组重联运行时，全列车由统一的进行监督。从型和型动车组经验及的新要求，研制了一套新的诊断系统，见图，这是一种分级结构不间断作用的诊断系统，主要部件是（）列车预诊断子系统，并具有高层次（整列车）预检系统；（）信息传输（其中包括可视显示）和信息记录；（）数据交换。包含了发生的全部信息，并能随机选取实时信息。信息数据传输的分级程序是子系统车辆连接的4辆车母线的半列车辆编组整列车合并2列车，每个用户如司机、列车乘务，。，图诊断系统的数据流传输员、技术检修所和检修人员都能有最合适的选择方式。有些诊断系统无法发现的故障（如折断的座椅），由列车乘务组人员通过装设在公务包间内的终端设备进行通知。还可以使用手提式输入设备，输入到同一网的中央诊断系统。这样，可以保证及时采取检修措施。司“机“室由于强化了头车流线型,司机室正面是整块玻璃窗，司机室中的布局有很大变化。司机驾驶室的一个特点是减少了控制和监督设备数量，使其达到可能的最少限度。如有些操作可以自动地由台计算机显示屏之一来完成。司机室分为个功能区，主要功能区设有带显示器及必需的控制监督设备（包括速度、牵引制动调节器）的操纵台，与通常的构造配置相同。显示器模块是最新研制的，操纵台左边是无线电话，右边是辅助显示屏，主要用于在其他国家铁路上采用的信号和通信系统运营参数的显示。第二个功能区位于右侧窗下，配置有故障发生时使用的按钮、转换开关及有关显示器。第三个功能区设置1个有盖的组合柜，只是在辅助按钮及转换开关失控，发生有严重故障时才打开。座椅设备按人机工程学设计，进入隧道，照明突变时，司机也能安全方便地操纵列车。每辆头车的客车车厢与司机室仅用透明的玻璃墙隔开，对旅客来说，前方是敞开的，能见到前方线路的情况。型（型）高速动车组型（型）高速动车组是西班牙国营铁路2001年2月向德国西门子公司订购的新型高速列车，共16列，主要用于西班牙新建的马德里至巴塞罗那高速铁路运营。这条高速铁路第一段线路将于2002年开通运营。另外，据西班牙铁路预测，2007年西班牙高速铁路的客运量将增加到4800万人/年，则在高速铁路线上将需要146列长距离的高速列车，运营速度/，其中包括ICE350E型高速动车组。除54列ICE3用于德国及荷兰高速铁路外，ICE350E型高速动车组是德国第一次向国外出口的高速列车。ICE350E与ICE3基本编组相同，但最高速度按西班牙国铁要求提高了10，达350/。不同之处是牵引功率提高到，启动牵引力达到，在时还有牵引力，足以克服列车阻力。加速时间为。空车全列重，定员人（俱乐部车人，头等车人，二等车人）。制动系统ICE350E型动车组的的动力车采用再生制动和电阻制动，并在每个轴上有2套轮盘式盘型制动，而在拖车上采用每轴3套轴盘式盘型制动，不用电磁涡流轨道制动。速度下紧急制动距离为。由于西门子公司在德国及奥地利工厂能力紧张，要求法国阿尔斯通公司及CAF工厂帮助ICE350E型高速动车组的装配工作。ICE350E的主要技术参数见西班牙篇表442所示。型高速动车组型动车组的多流制高速动车组称为型高速动车组，型动车组从外形、编组到结构基本上与型单流制动车组相同，仅有下列几处不同点。（）型动车组具有适应4种电流制的变压器、断路器及牵引传动主回路结构。型与型动车组相比较只有装变压器的中间非动力车有所不同。（）型动车组在中间拖车上安装了直流受电弓，当在直流供电区段运行时，必须升起2个直流受电弓同时工作以适应大电流受流的要求，而型单流制动车组在运行时，1列动车组仅升1个受电弓。（）型动车组的非动力转向架上，每根轴上需安装套轴盘式制动盘，而型动车组非动力转向架每轴仅安装套轴盘式制动盘。原因在于当直流供电时，再生制动功率大大减少，必须增加机械制动予以补偿。（）型动车组在直流供电区段运行时，牵引功率要降低，最高运行速度是/，在区间额定牵引功率仅，在区间额定牵引功率为。（）在头车驾驶室，型动车组装备了多国的机车自动信号系统，除了德国的和外，有荷兰和比利时的（与系统兼容）；法国的、和ROOIL；瑞士的和。在车下装设了若干个接收设备（天线、感应式传感器）。将来计划装设欧洲运行管理系统（）设备，将可靠地保证行车安全。表列出了、及3种高速动车组技术特性的比较。表3、及型高速动车组技术特性比较，。，项目牵引供电系统、（德、奥、瑞士）/（法）（荷兰）（比、意）限界德国铁路限界（德法协议）（德法协议）最高运行速度交流/直流/列车长度车辆长度头车动车带驾驶室头车中间车辆车辆定距转向架轴距动车拖车车辆高度（带驾驶室头车）续上表，。，项目车辆宽度座席数（）（）头等车（）（）二等车（）（）餐车（）（）列车整备重量启动牵引力牵引额定功率交流直流直流个牵引单元故障剩余的牵引功率剩余的启动牵引力无故障状态下在坡道上能否启动能能能1个牵引单元故障在坡道上能否启动不能能能注和ICEM在2000年将二等车定员增加，头等车定员减少，并改变头、二等车的比例，使总定员增加到括号内数字。型高速摆式车体动车组利用既有线实现高速运输的最佳方案是采用可倾摆车体的高速列车。它们主要用于既有线的提速。德国铁路和西门子等铁路工业企业共同开发了新型的摆式车体动车组，在家族中又增加了个新成员。这些电动车组最高速度/，型城间摆式动车组可以根据时间和运营线路的需要自由编组，因此具有较高的灵活性。图为型动车组的几种编组方式。当需要时，两列由辆车组成的半列车可以方便快速地连挂成列整车。因为采用了动力分散的方式，所以列车总功率随列车长度成比例变化，从而有效地节省了能量。，。，图型动车组的几种编组方式模块式车组设计方案动车组中将技术装备的重量平均分配布置在地板下，因此这种设计方案使动车组有较大的空间位置，符合所要求的最大轴重为的要求，每个座位占有列车的重量约，比的还少，且有较低的有效黏着利用力和较高的驱动轴制动力。从图可见，每辆车组成个单元，每个单元有辆变压器车，辆变流器车，辆蓄电池车，每个单元有根动轴及个受电弓。在个单元中间可以加辆无动力带有车顶高压线的中间拖车，以组成各种编组的动车组。图中尾车带牵引变压器、受电弓和司机室。中间牵引变流器车装个牵引电机，具有根动轴，每个转向架内侧有根动轴。带蓄电池及充电器的中间车同样装个牵引电机，也具有2根动轴，每个转向架内侧有根动轴。变流器车和中间蓄电池车通过条三相交流母线联结，用以向台牵引电机同时供电。所有这些车辆的车顶均通高压线，与两端变压器车联结，在运行时每个单元用个受电弓。在连挂各单元时，列车的尾车受电弓升起与接触导线接触，这样受电弓的最小间距在节车辆编组时为，在节车辆编组时为。节车编组的型动车组平面布置图示于图。其他的编组方案如表所示。，。，图节编组的型电动车组的控制车及各型车平面布置图单位表各种型动车组编组表，。方案列车编组驱动功率/座席（/等）节（）/节/节/节/节/注基本模块（），头等、二等车的分配可变更，无餐车。牵引设备列车的牵引装置部分与相似，分散在动车组中并主要设置在地板下，下面介绍供电系统、单流制方案主电路图，见图。，。，图牵引系统主电路图带变压器的控制车；变流器车；动力车。由于平均分配重量的原因，与不同，这辆变压器车的每辆均按带司机室的尾车设计，带有个联结高压车顶导线的真空断路器和具有关断开关的受电弓。个分离的次级线圈在相邻的变流器车中向四象限电路的个进路变流器供电，四象限电路是通过脉冲调制向共同的中间电路提供直流电压，通过逆变器向三相异步牵引电机供电。因此，对于节至节车编组的动车组有2个独立的驱动组。对于节车编组的动车组有3个独立的驱动组。带水冷却的有利环保的变流器采用技术模式并悬挂在车底插入式机组内。装在转向架构架上的牵引电机功率为，与的牵引电机相同，使用强迫通风，在每个驱动转向架的轮对上用万向轴和伞齿轮传动进行功率传输。动力转向架和非动力转向架原则上是相同的结构形式；它们与意大利最新研制的型和型的摆式车体相匹配，也就是说，它们所有的部件，包括横向复原装置均适应于摆式车体技术。型动车组的牵引供电方式原则上是多流制式。用、的供电制时在高压侧的压差要加大并用变压器匹配。采用或直流供电时除了需附加受电弓和断路器外，四象限调节器还必须重新分组；脉冲调制三相交流逆变器（）保持不变。制动系统除了在动轴上用再生制动外，在所有的动力和非动力转向架上均装有空气盘型制动装置。动力转向架装用轮盘式盘型制动，每轴套。非动力转向架用轴盘式盘型制动，每轴套。电子制动控制装置是按照标准与电空制动联合起作用，这样在电子控制的制动装置发生故障时，不需要限制运行速度。制动控制顺序是再生制动优先动作，然后机械制动。为了在既有线上以/的最高速度运行，保证必须的制动距离，该动车组与和一样，在拖车上附加了非黏着型磁轨制动装置。每个转向架有2组。所有气动和电动制动控制系统的设备和总线联结均布置在车地板下的制动柜和配电盘中，以便于快速组装和维修保养。辅助电路如图所示，型动车组装有条直流供电母线，它通过个变压器车中的辅助电路变频器供电。用技术带有额定功率的冗余技术安装的变频器是通过个牵引变压器线圈分别供电。车辆每个用电装置自带具有固定或可变频率输出的逆变器，从母线供电；主采暖设备和辅助采暖设备直接用供电。三相交流电用户的逆变器统一为功率，因此在出现故障时有足够的冗余度；在正常情况下这种运营方式可安装备用空调设置和为限制启动电流用的轴流式空气压缩机。车辆照明、车门和制动控制、旅客信息系统以及驱动和列车控制装置均由个的蓄电池母线供电，它可通过动车组连挂联结。蓄电池母线通过个、蓄电池充电装置稳压供电，它可同时为蓄电池充电。蓄电池和蓄电池充电器均集中安装在带驱动轴的中间车辆上。操纵系统和诊断系统操纵和诊断系统的基本结构与相同，见图所示。因此这种车辆可以相互连挂。，。，图辅助电路供电系统（列车母线），。，图型动车组的操纵控制系统框图列车母线；选择器；司机控制器；添乘人员用的显示器；空调/厕所；压缩空气装置；辅助设备；门；列车控制装置；驱动控制装置；制动控制装置；联结式列车自动控制装置；旅客信息系统；模块化司机操纵台显示装置。变流器车有台牵引电机的变流器车在弯道上运行时应考虑到偏转角。因为除了牵引电动机和牵引电机通风机之外，另一侧还装有横向弹簧组和副风缸。在车辆中间装有水冷却器的牵引变流器，水冷却器一侧是1个的污水箱和中间回路变流器，在另一侧是车辆电器设备用的输出变流器和摆式车体的动力控制装置。如所有车辆一样，空调装置均设在车顶部分。无动力的中间车辆动车组编组中使用的无动力中间车辆，除了车辆电器设备用的输出变流器外，还有摆式车体组件（液压和横向弹簧控制装置）、副风缸、制动装置，配电箱和接触器。另外还有个清洁水箱（另一个在无动力的中间车上），装有循环泵的污水箱。无动力的中间车（）在车底架布置上还留有余量，这样将来还可作为多电流制车组时安装设备部件，而且在重量限制上，该车也留有余量。转“向“架在经过运营考验的型和型转向架的基础上，西门子公司开发了采用主动倾摆技术的用型转向架。该转向架在设计上具有许多特点（）模块化设计；（）转向架与车体有明确的分界面；（）/的最高时速；（）良好的运行舒适性；（）低噪声；（）所有的倾摆控制机构都集成在转向架上；（）最新的诊断及控制系统（）；（）低廉的全寿命周期成本。该转向架与常规转向架的区别，主要在于采用了个与舒适性密切相关的新型部件电机驱动的倾摆系统，它比液压控制系统要简单得多；横向主动悬挂系统，它可以在通过曲线时，保持车体与转向架对中，从而改善了平稳性；半主动控制减振器，它可以根据线路状况，调整阻尼大小。使用的型转向架的基本结构如图所示，该转向架参考了型转向架（用）和型转向架（用）的成熟部件。其一系悬挂为钢弹簧，二系悬挂为