中国高速列车发展与关键技术

中国高速列车发展与关键技术

1中国铁路结构调整和铁路网络建设的基本情况随着中国高铁的快速发展，北京至上海的高速公路将投资350公里以上，并先后签署了中国-中国高速铁路建设协议。它为中国高速铁路的自身发展和世界发展开启了一个明亮的时代。其实适合高速铁路的生存环境只有2条基本原则:第一是人口稠密和城市密集,而且生活水准较高,能够承受高速铁路比较昂贵的票价和多点停靠;第二是较高的社会、经济和科技基础,能够保证高速铁路的施工、运行与维修需要。随着城市化进程的加快和人民物质文化生活水平的提高,人际间的交流将更加频繁,这些预示着客运需求的潜力很大。而随着社会节奏的加快,时间价值观念越来越强,旅客运输的高速化是我国经济及社会发展的必然结果。2004年铁道部根据国务院“引进先进技术,联合设计生产,打造中国品牌”的指导方针,通过引进国外高速铁路先进技术,立足国内、自主创新,已取得了实质性效果。2007年4月18日,采用引进动车组在既有线上实现了第6次铁路大提速,最高列车运行速度达到250km/h,这也是既有线上世界最高运营速度,这一阶段为消化吸收阶段;2008年8月1日,为了配合北京奥运会的召开,在京津城际高速线上开行350km/h的高速列车,拉开了我国300km/h以上高速列车的发展序幕,其中把250km/h的动车组提升到了350km/h,这一阶段为再创新阶段;目前,全长1300多公里的京沪高速铁路正在建设中,2012年也将投入使用,所采用的动车组是自主创新的高速列车,其设计速度380km/h,持续运行速度350km/h,试验速度400km/h以上。京沪高速铁路将成为世界上连续直达运行里程最长、运营速度最高的高速铁路。2004年1月,中国政府发布了《中长期铁路网规划》,明确了中国铁路网长期建设目标,计划到2020年,速度200km/h及以上的高速客运专线将达到1.2万km以上,2008年经国务院批准调整到1.8万km。路网包括“四纵四横”客运专线以及3个城际客运系统(见图1)。到2010年2月,已经建成并投入运行的高速客运专线有10条,共计3968km;正在建设的客运专线有8条,共计3178km;计划建设的客运专线有20条,共计11095km。届时,我国新建高速铁路的里程总长1.8万km(见表1),中国将成为名副其实的高速铁路大国。形成的3个城际区域轨道交通网为:(1)长三角:以上海、南京、杭州为中心,形成“Z”字形主骨架,形成连接沪、宁、杭周边重要城镇的城际客运铁路网络。(2)珠三角:以广深、广珠2条客运专线为主轴,形成“A”字形线网,辐射广州、深圳、珠海等9个大中城市,构建包括港澳在内的城市1h经济圈。(3)环渤海:以北京、天津为中心,北京-天津为主轴进行建设,形成对外辐射通路。2高速动车组的关键技术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。2.1牵引轨道交通系统归纳起来,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系统集成接口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高速列车主要参数新技术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、体积小、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、体积小、易于维修、不污染环境。目前的冷却方式主要是风冷、油冷、水浴、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、体积小、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、噪声小、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高速列车转向架关键技术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高速列车的运行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汽车轻量化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高速列车事故发生前的预防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。2.210种服装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旅客的集乐式使用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系统的主要处理方式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侧拉门的运动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限制不断加速的工况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隧道内会车时,动车组当动车组以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密接式车钩的车钩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弓网受流系统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辅助管理信息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内装饰设计要点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客室座椅的安排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。3主型车种:速度等级+长两组t我国高速列车在发展初期分别引进了Siemens、Alstom、Bombardier和川崎重工这4个国际著名企业的动车组。通过消化吸收再创新和自主创新,逐渐形成了适合我国线路条件和运输要求的高速列车基本模式:①采用动力分散方式;②2个速度等级:最高速度250km/h和350km/h;③2种编组方式:8辆短编组、16辆长编组,短编组可重联为长编组;④设一等、二等、餐车、VIP车、卧铺车等车种;⑤轴重在17t以下,一般轴重为15t左右;⑥2种车型:主型车——用于华南华北温带,特殊车种——用于沿海、东北高寒、西北部风沙地区。京沪高速列车是京沪高速铁路的核心技术装备。为全面支撑中国高速列车技术自主创新的国家重大战略需求,科技部与铁道部于2008年2月26日共同签署了《中国高速列车自主创新联合行动计划》。一场围绕高速列车的基础研究、关键技术、样机研制和产业化生产,由国内著名高校、科研院所和铁路工厂参加的京沪高速列车自主创新联合行动已经启动。京沪高速铁路运营的新一代中国高速列车具备如下特性和先进性:1设计速度表观试验结果京沪高速列车的平均速度达到320km/h,持续运营时速达到350km/h,设计时速达到380km/h,最高试验速度达到400km/h以上。这一速度指标远远超过当今世界高速列车运营速度的平均速度240km/h左右、最高运行速度320km/h的国外最高水平。2中国铁路ctcs-3列车间隔追踪观察在京津城际铁路成功实现空地结合的CTCS-3D的基础上,京沪高速铁路将采用更加先进的、中国高速铁路独有的CTCS-3高速列车运行控制和网络化运营组织技术,实现高速列车以最小3min的间隔追踪连发。3最大运输能力宽车体、长编组、多定员、良好的启动和制动性能,在高速度、高密度和网络化运营组织条件下客运周转量达到世界第一。4车内外噪声控制每小时人均牵引功率消耗不大于18kW,运营过程实现污染物零排放,车内外噪声控制水平不低于国际先进标准;在风、雪、雨、雾、雷等恶劣气候条件下,仍能保证安全运行。5旅客的乘客舒适性更高,旅客乘车舒适性好低噪声、低振动、低冲动,适宜的车内空气质量,宽敞的车内乘坐空间,完备的车内服务设施,数字化的旅客服务系统,保证了良好的旅客乘坐舒适性。6高可靠性和安全性安全相关设备具有足够的冗余度;对影响行车安全的关键部件,以及所有电气系统实施动态监控;高速列车防灾能力不低于国际先进水平。4高速列车性能要求随着列车运行速度的提高,不仅要求高速列车具有更高的性能要求,同时高速列车与固定设施及运行环境的相对速度加大,这将给发展高速列车带来制约。1轮轨压缩时系统稳定性低对于铁路车辆来说,它不再是一般的机械系统,它的特殊性来自于轮轨接触。轮轨关系尽管在理论上是确定约束,但轮轨接触的几何特征和力学特征均具有较强的非线性特征,而轮轨蠕滑力所扮演角色是对轮对运动进行导向,实现轮轨的对中,然而蠕滑力在铁路车辆的运行过程中也同时起着系统阻尼的作用,随着车辆运行速度的提高,有可能导致系统阻尼无法遏制车辆的系统振动,车辆系统从稳定系统变成不稳定系统。一旦铁路车辆出现系统失稳,轮对就将出现蛇行运动,轮对在两根钢轨间横向大幅度地往复摆动,这不仅使得车辆系统的振动加剧,更可怕的是极容易导致脱轨事故,这对高速列车来说,问题就更加严重。因此,保证系统稳定是高速列车动力学性能的首要任务。2各主要构件振动的自振性能指标下的系统抗混车辆沿轨道运行时,由于线路等扰动,使车辆系统各部件产生振动。车体的振动影响乘坐舒适性,而构架、轮对等的振动主要影响各部件的结构可靠性。车辆系统是典型的弹簧-质量系统,在有激扰的情况下,振动就无法避免,特别是激扰的频率和车辆系统的悬挂共振频率或车体等结构自振频率一致时。因此,如何通过一系和二系进行隔振是转向架悬挂参数设计的重点。3不同类型脱轨的分类众所周知,脱轨是高速列车最严重的事故之一,列车脱轨事故的发生将给人们的生命和财产安全带来重大损失。脱轨可以分4类:人为事故类脱轨、灾害类脱轨、结构失效类脱轨和固有特性类脱轨。固有特性类脱轨是由高速列车动力学性能不好所导致的,如列车的运动失稳、车轮爬轨等等,这类脱轨和列车的动力学性能有关,当然也和列车的运行速度有直接关系,列车运行速度越高,脱轨的可能性就越高,直接制约着列车运行速度的提高。4高速列车安全伺服的失效机理高速列车各部件长期暴露在随机载荷的环境中,其结构可靠性是高速列车安全运行的重要保障。结构和材料的失效问题是一个普遍存在的问题,在其他机械领域的研究中也倍受关注。但是,高速列车安全服役的失效有着