高速列车多目标均衡综合节能技术

高速铁路基础研究与技术创新丛书

编委会

主任委员:

卢春房

委员:

翟婉明杜彦良李椿萱周黎李迎九

王滨刘为群赵鹏盛黎明丁叁叁

高亮唐涛白明洲

国家出版基金项目

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

高速铁路基础研究与技术创新丛书

安全·健康·维护系列

高速列车多目标均衡

综合节能技术

本丛书编委会总主编

张雷李明司志强等编著

杨国伟主审

中国铁道出版社有限公司

年北京

2022·

内容简介

本书为高速铁路基础研究与技术创新丛书之分册针对高速列车多目标均衡综合节能

“”,

技术分析论述了能效评估体系高速列车轻量化技术系统减阻技术动力系统优化技术节

,、、、、、

能驾驶技术能量综合利用技术及当前相关研究成果结合车辆设计需求阐释了能效提升技

、,,

术在高速列车上的工程化应用研究现状及相关关键技术

。

本书建立了从设计理论到工程设计方法再到最终工程设计之间的设计理念可供高速列

,

车领域科研人员工程设计人员高校师生等学习参考

、、。

图书在版编目CIP数据

()

高速列车多目标均衡综合节能技术张雷等编著北京中国

/—:

铁道出版社有限公司.

,

高速铁路基础研究2与02技2.术4创新丛书安全健康维护系列

(··)

十四五时期国家重点出版物出版专.项规划项目

“”

ISBN978-7-113-28976-8

高张高速列车节能

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①-Ⅳ.①U292.91

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2022)042192

书名:高速列车多目标均衡综合节能技术

作者:张雷李明司志强等

策划:王明容

责任编辑:王明容李润华编辑部电话:电子邮箱:

(010)51873138ilian@

封面设计:高博越尚明龙封面摄影:王明柱丛书标识设j计:g崔丽芳p

责任校对:焦桂荣

责任印制:高春晓

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

htt://

印刷:北京p联兴盛业印p刷股份有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202241202241

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1617338

书号:

ISBN978-7-113-28976-8

定价:元

108.00

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书如有印制质量问题请与本社读者服务部联系调换电话

,,。:(010)51873174

打击盗版举报电话

:(010)63549461

高速铁路基础研究与技术创新丛书

编辑组

组长:王滨

副组长:杨新阳

策划:(以姓氏笔画为序)

王健王风雨王明容亢嘉豪田甜朱敏洁刘霞

江新锡李小军李润华李嘉懿杨哲时博邱金帅

张婕陈小刚金锋徐艳徐清黄璐曹艳芳

崔忠文傅希刚曾露平熊安春黎琳薛丽娜

编辑:(第一期,以姓氏笔画为序)

王风雨亢嘉豪田甜白小玉冯海燕朱荣荣朱敏洁

刘霞李小军李润华邱金帅张瑜赵昱萌赵雅敏

黄璐鹿金炜曾丽辰薛丽娜魏娟

统筹:李小军刘霞

序

我国高速铁路起步晚、发展快、后劲足,经过几代人的不懈努力,通过原始创新、

集成创新、引进消化吸收再创新,成功地走出了一条符合中国国情路情、具有中国特

色的自主创新之路。我国已系统掌握各种复杂地质和气候条件下高速铁路建造成

套技术;在工务工程、列车运行控制、牵引供电、动车组等高速铁路核心技术方面实

现自主化;形成了复杂路网条件下处理跨线运行的运营管理成套技术,构建了人防、

物防、技防三位一体的主动安全保障机制。我国已成为全球高速铁路运营里程最

长、在建规模最大、运营速度最快、技术体系最全、运营和管理经验最丰富的国家。

我国高速铁路技术已走在世界前列,成为推动世界高速铁路发展的重要力量。

为贯彻落实中共中央、国务院《交通强国建设纲要》,推进国铁集团《新时代交通

强国铁路先行规划纲要》的落地,系统总结、梳理我国高速铁路各领域前沿理论和技

术,向我国乃至世界高速铁路科研工作者和工程技术人员提供一套前沿性的参考

书,中国国家铁路集团有限公司铁道出版社公司特组织编著出版“高速铁路基础研

究与技术创新丛书”。

丛书以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,以国家自然科学基金课

题、国家基金委国铁集团高铁联合基金课题、国家“”课题、国家重点研发计划课

-973

题等科研成果为支撑,从高速铁路前沿研究、补短板技术、核心技术、技术发展趋势

等方向组织选题,涵盖动车组、供电、通信与信号、列控与检测、工程勘察与设计、智

能建造、运营与管理、现代信息技术、安全和维护等领域,规模为册,是全面系统

100

论述我国高速铁路基础研究与技术创新成就的大型系列原创性科技著作。

丛书力求突出制高点、原创性、权威性、全覆盖特色。丛书各册内容以作者团队

长期从事高速铁路科学研究的成果为依托,多数成果居于国内领先水平甚至世界先

进水平,多种成果荣获国家科学技术奖一等奖、二等奖,国家技术发明奖一等奖、二

等奖,茅以升科学技术奖,詹天佑铁道科学技术奖,铁道科技进步奖等奖项,丛书内

容体现了我国当今最新、最前沿以及展现未来发展趋势的高速铁路相关研究成果和

ⅱ高速列车多目标均衡综合节能技术

应用技术。丛书包括动车组、供电、工程施工与组织等十个系列,基本实现高速铁路

各领域全覆盖。

丛书由编委会总负责。编委会阵容强大,认真负责。编委会各成员都是长期从

事我国高速铁路科研、技术、生产和管理的一流专家学者,是所从事领域的翘楚,其

中包括高速铁路及其相关领域的四位院士。编委会多次开会商讨丛书的体系、内容

特色、作者条件及质量保障机制;分工负责,精心审订和修改各册编写提纲;多次遴

选选题,先从多个选题意向中遴选出个选题,后又剔除了内容特色不太鲜

150100

明的个选题,还对多个选题提出了较大的改进意见,补充了个关键技术和弥

8108

补技术空白的选题;最后邀请专人对各册内容进行审定,从而保证了各册内容的正

确性和先进性。

年年底,国家新闻出版署经过严格评审,“高速铁路基础研究与技术创新

2021

丛书”(册)成功入选“‘十四五’时期国家重点出版物出版专项规划———重大出

100

版工程”。这是对本丛书项目的认可,也是对编委会、作者和编辑等人员前期工作的

认可,更是一种鞭策。我们相信,本丛书的出版,将助力于《交通强国建设纲要》的贯

彻落实,推动我国乃至世界高速铁路事业的发展,也将为铁路领域的科研工作者、工

程技术人员、管理人员,以及高校相关专业师生提供一套高水平、原创性、权威性、全

覆盖的大型高铁科技精品著作。

中国工程院院士

“高速铁路基础研究与技术创新丛书”编委会主任

年月

20222

前言

本书为“高速铁路基础研究与技术创新丛书”之分册,按丛书要求,力图体现高

速列车多目标均衡综合节能技术的制高点、前沿性、原创性特色。

随着全球资源日益匮乏和环境污染日趋严重,能源问题越来越受到重视。铁路

运输相较于其他运输方式,具有单位货运和客运周转量能耗低、二氧化碳排放少等

优点,例如铁路运输每人公里的能源消耗量约是小汽车的/、飞机的/。但由于

1614

运量大,铁路运输行业消耗能源总量很大。近年来,虽然我国高速铁路取得的成果

举世瞩目,但随着列车运行速度的提高、运量的增加、运行距离的延长,对节能和环

保提出了新的挑战。我国将发展安全、高效、绿色、智能的高速铁路作为未来的主导

方向,发展模式由传统模式向可持续、互联互通和多运输模式转变,其中,高速列车

运行能效与运行品质提升是目前的重要研究方向之一。

本书内容主要依托项目:基于“重量—阻力—动力”多目标均衡的综合节能技术

研究(“十三五”先进轨道交通专项);高速列车综合节能关键技术与集成应用示范

(“十二五”科技支撑项目);高速列车新头型多学科优化设计与验证(中国中车科技

立项项目)。本书主要内容:绪论论述高速列车综合能效方面的基础理论;第章论

1

述高速列车系统总体能效评估体系,包括能耗评估要素、分析模型及权重分析情况;

第章论述轻量化设计技术及实例,包括车体、转向架、电气设备、车内装饰和设施

2

轻量化等;第章论述系统减阻设计技术措施及实验验证情况;第章论述动力系

34

统优化及实例;第章论述能量高效利用技术,包括自动驾驶、牵引供电系统节能、

5

制动能量回收、空调节能和余热利用等;第章结合时速高速列车设计情

6400km

况,基于以上各项技术研究能效评估方法与评估结果;第章针对高速列车节能技

7

术进行展望。

本书结合车辆设计需求,针对能效评估体系以及轻量化技术、系统减阻技术、动

力系统优化技术、节能驾驶技术、能量综合利用技术展开基础理论及关键技术分析,

建立了从设计理论到工程设计方法再到最终工程设计之间的设计理念。

本书由中车唐山机车车辆有限公司张雷、李明、司志强、王艳琴、邵蓉、辛利平、

解雪林、李腊、何玉平、余婷、杨素君、魏红苹、伊召锋、杨永彩、周丹等编著;

ⅱ高速列车多目标均衡综合节能技术

由杨国伟主审。感谢毕海权、王青元、孙鹏飞、阳光武、郭迪龙、刘建强、张继业、

李田、王振等在本书编著过程中给予的帮助。

由于编著者水平有限,书中难免有不妥、疏漏之处,欢迎广大读者对本书批评指

正,以便进一步修改和完善。

编著者

年月

20221

目录

绪论…………………………

1

综合节能技术概述…………………

0.11

典型高速列车与能耗组成…………

0.21

国内外既有高速列车概况…………………

0.2.12

高速列车能量传递及能耗构成……………

0.2.212

高速列车运行能耗组成分析………………

0.2.315

运行能耗计算公式…………

0.2.416

牵引传动系统能耗影响分析………

0.317

高速列车运行动力…………

0.3.117

牵引传动系统能耗影响因素………………

0.3.226

运行阻力能耗影响分析……………

0.431

高速列车运行阻力…………

0.4.131

运行阻力能耗影响因素……………………

0.4.236

第1章列车系统总体能效评估体系………

37

能耗评估要素………………………

1.137

全寿命周期能耗构成………

1.1.137

运行能耗影响因素指标……………………

1.1.238

牵引能耗相关指标…………

1.1.341

制动与传动能耗相关指标…………………

1.1.443

能效分析模型………………………

1.245

运行阻力预测模型…………

1.2.145

机电耦合动力学模型………

1.2.247

空调系统能耗模型…………

1.2.350

典型高速列车运行能耗情况………

1.357

能效评估指标及权重分析…………

1.461

高速列车综合节能评价指标体系构建……

1.4.161

高速列车综合节能评价指标权重…………

1.4.274

第2章轻量化设计技术及实例……………

78

高速列车重量构成及其影响因素…………………

2.178

ⅱ高速列车多目标均衡综合节能技术

高速列车的重量构成………

2.1.178

列车重量分析………………

2.1.280

车体轻量化…………

2.282

新材料和新工艺……………

2.2.183

结构强度优化与工艺结构改进……………

2.2.293

转向架轻量化………………………

2.395

转向架质量构成……………

2.3.195

转向架轻量化措施…………

2.3.296

电气设备轻量化……………………

2.497

牵引变压器的轻量化………

2.4.197

牵引变流器轻量化…………

2.4.298

牵引电机轻量化……………

2.4.398

电气设备轻量化实例………

2.4.498

车内装饰和设施轻量化……………

2.599

内装结构优化……………

2.5.1100

内装新材料………………

2.5.2101

基于轻量化节能的碳纤维采暖方案…………………

2.5.3—102

基于降噪隔热等多目标优化的车体轻量化设计………

2.5.4、104

第3章系统减阻设计技术及实例…………

106

机械阻力减阻措施………………

3.1106

传动系统复杂度…………

3.1.1106

列车轻量化………………

3.1.2106

机械结构和轮轨摩擦损耗的降低………

3.1.3107

气动减阻措施……………………

3.2107

常见气动减阻措施………

3.2.1107

某型高速列车气动减阻方案……………

3.2.2110

仿真分析对比……………

3.2.3113

风洞试验验证……………

3.2.4129

第4章动力系统优化及实例………………

132

高速列车动力系统优化配置……………………

4.1132

高速列车牵引容量设计…………………

4.1.1132

高速列车动力特性曲线…………………

4.1.2143

不同因素对运行能耗的影响分析………………

4.2151

质量变化条件下的运行时间及能耗……

4.2.1151

目录ⅲ

阻力特性变化条件下的运行时间及能耗………………

4.2.2152

速度变化条件下的运行时间及能耗……

4.2.3153

效率特性变化条件下的能耗情况………

4.2.4154

能耗因子对高速列车运行能耗的敏感性分析…………

4.2.5155

轻量化计算与分析………………

4.3156

轻量化计算………………

4.3.1156

动力特性对比……………

4.3.2157

轻量化质量下的节能性分析……………

4.3.3158

动力系统效率提升措施…………

4.4159

第5章能量高效利用及实例………………

164

列车自动驾驶技术………………

5.1164

列车自动驾驶系统的定义………………

5.1.1164

列车自动驾驶系统的原理………………

5.1.2166

列车自动驾驶控制策略…………………

5.1.3167

能量综合利用技术及实例………

5.2177

提高列车空间利用率的节能措施………

5.2.1177

牵引供电系统节能措施…………………

5.2.2179

列车牵引系统效率提升节能措施………

5.2.3179

制动能量回收再利用节能措施…………

5.2.4182

空调节能措施……………

5.2.5184

余热利用…………………

5.2.6185

第6章基于多目标均衡综合节能优化的能效评估设计…………………

191

基于多目标优化的能效评估方法………………

6.1191

遗传算法…………………

6.1.1191

基于重量阻力动力的多目标优化算法…………

6.1.2“——”197

能效评估软件开发………………

6.2207

系统组织方式……………

6.2.1207

项目参数模块……………

6.2.2208

能效评估分析……………………

6.3217

计算参数…………………

6.3.1217

列车牵引计算……………

6.3.2218

原型车运行仿真计算……………………

6.3.3227

基于重量阻力动力的多目标优化…………………

6.3.4——231

ⅳ高速列车多目标均衡综合节能技术

第7章展望……………

243

国内轨道交通节能减排计划……………………

7.1243

国内前沿车型……………………

7.2244

欧洲轨道交通节能减排研究计划………………

7.3246

目前国际上的前沿车型…………

7.4248

参考文献………………………

252

绪论

0.1综合节能技术概述

随着全球资源的日益匮乏和环境污染日趋严重能源问题越来越受到重视相较于其

,。

他运输方式铁路运输具有能耗低污染小和运量大的特点但随着列车运行速度的提高运

,、,、

量的增加运行距离的延长对节能和环保提出了更高要求铁路运输具有单位货运和客运

、,。

周转量能耗低排放少等优点譬如铁路运输每人公里的能源消耗量约是小汽车的飞

、,1/6、

机的但由于运量大铁路运输行业消耗能源的总量很大近年来我国高速铁路取得

1/4。,。,

的成果举世瞩目在节能方面也开始着力研究并取得了一定的成果

,。

根据十四五国家科技创新发展规划我们要以国家重大战略需求为牵引坚持强基达

“”,,

标提质增效着力节支降耗改革创新全面深入推进关键领域应用型技术创新全面提升

、,、,,

铁路科技实力和创新能力为铁路实现更富效率更有效益更可持续更高质量的发展提供

,、、、

强有力的支撑轨道车辆运行能效与运行品质提升是目前的重要研究方向之一高速列车

。。

系统不仅包括自身的机电耦合与周围环境也存在着复杂的关系如流固耦合关系弓网关

,,、

系轮轨关系各种关系间相互耦合互相作用影响着列车的运行能耗列车速度越高上

、。、,。,

述耦合关系越紧密作用越强烈

,。

本书基于列车重量阻力动力之间的相互关系重点研究高速列车的能耗情况及其影

、、,

响因素首先分析国内外高速列车概况及其基本构成通过能效评估体系的搭建轻量化技

。,,

术系统减阻技术动力系统优化技术节能驾驶技术能量综合利用技术等关键技术的分析

、、、、

研究以及在时速高速列车上的应用案例展开描述相关研究成果

400km,。

0.2典型高速列车与能耗组成

本节分析国内外高速列车的发展历程和概况梳理典型高速列车系统结构为高速列车

,,

能量传递及能耗分析提供依据

。

2高速列车多目标均衡综合节能技术

0.2.1国内外既有高速列车概况

目前德国的法国的日本的新干线高速列车以及中国的和谐号系列复兴

,ICE、TGV、、

号系列高速列车已成为高速列车技术发展的代名词高速列车主要采用两种牵引方

,。

式动力集中和动力分散我国以和谐号系列和时速以上复兴号系列为代表的

———。200km

高速列车均为动力分散型具有牵引功率大轴重小启动加速性能好可靠性高车辆空间

,、、、、

利用率高等特点

。

国外高速列车

日本

(1)

日本的新干线高速列车体系自年发展至今运营速度由提升至

,1964,210km/h

发展了系系系系系系系系系以

320km/h,0、100、200、300、400、500、700、800、E1~E5

及最新投入运营的系等不同系列产品能适应不同线路不同速度不同运能等要

N700S,、、

求受日本山地条件等影响日本的高速列车始终应用动力分散式驱动技术同时在保证

。,。,

车体年使用寿命和承受各种载荷的工况下实现了结构的轻量化减小了列车运行阻力

15,,,

降低了列车的牵引功率日本部分高速列车的主要参数见表

。0-1。

表0-1日本高速列车主要参数

车型系系系系系系系系

0300500700E1E2E4N700S

动力配置

16M10M6T16M12M4T6M6T6M2T4M4T14M2T

车长

/m400.3402.1404404.7302.1201.4201.4404.7

车重

/t896630620628692.5365.9424695

定员人

/139813231324132312356298171323

最高速度-1

/(km·h)220270300270240275240300

总功率列-1

/(kW·)1184012000182401320098407200672015700

法国

(2)

法国高速铁路的研发计划于世纪年代展开其高速列车动力驱动方式多样以

2060。,

动力集中为主由第一代发展到第四代前三代都是动力集中型第四代是动力分散

。TGV,,

型其铰接式转向架技术优良大部分列车均能以的速度营业运行法国高速列

,,300km/h。

车的主要参数见表

0-2。

表0-2法国高速列车主要参数

车型韩国美国

TGV-PSETGV-ATGV-TMSTAVETGV-K()TGV-2NAvelialiberty()

动力配置

2M8T2M10T1M9T2M8T2M18T2M8T2M9T

车长

/m200.12237.59393.72200387.43200.19200

车重

/t418