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241第1章绪论随着我国国民经济的飞速开展,铁路运能与运量之间的矛盾日益突出。中国铁路是世界铁路的重要组成局部,以占世界6%的路网长度完成了近1/4的世界铁路客、货运周转量。进一步挖掘铁路运能是当今中国铁路丞待解决的重要问题,而提速,重载是进一步扩大铁路有效的手段。动车组是铁路高速客运最为有效的运输工具之一。从中国铁路的开展历程来看,我国铁路动车和动车组的开展已经经历了两个阶段,目前正在向第三个阶段过渡。从1958年到20世纪80年代末期,是我国铁路动车动车组开展的初始阶段。期间,四方机车车辆厂在大连机车车辆研究所,上海交大和集宁机务段协助下,自行设计、研制了我国首列双层液力传动内燃动车组,当时称为东风号双层摩托列车。20世纪90年代到21世纪最初几年,是我国铁路动车和动车组开展的第二阶段,即加速开展阶段。1990年9月5日,全路首列四季空调列车在北京——广州的47/48次列车上使用。自此,铁路客运出现了多品种、多样性、多档次、多元化的新局面。在此期间研制的动车和动车组,包括内燃和电力两种类型。内燃动车和动车组又可分为液力传动和电力传动,电力动车和动车组又包括直流电力传动和交流电力传动。总的来说,我国铁路动车和动车组在开展的第二阶段具备的特点为,开展速度快、技术含量高、品种全、用途广,但可靠性差。目前我国铁路动车和动车组的开展正处在“引进先进技术,联合设计生产,打造中国品〞牌的阶段。这个阶段的总体要求就是通过以市场换技术,走技贸结合、自主创新的路子。我们的最终目标是立足国产化,促进我国铁路动车和动车组的健康和持续开展。我们不是要向国外买一个机车车辆装备现代化,而是要通过引进国外成熟先进的技术,努力在我国铁路动车和动车组的开展中,逐步并尽快实现以跟踪模仿为主向以自主创新为主的深刻转变。〔动车〕和不带动力的车辆〔拖车〕组成的,在正常使用寿命周期内始终以固定编组运行、不能随意更改编组的一组列车。一般来说,由于双向运行,在列车两端均有驾驶舱。〔1〕准高速动车组——最高运行速度为160至200千米每小时;〔2〕高速动车组——最高运行速度200至400千米每小时;〔3〕超高速动车组——最高运行速度400千米每小时以上。〔1〕内燃动车组——由柴油机提供动力;〔2〕电力动车组——由供电接触网提供动力;〔3〕磁悬浮动车组——由电磁系统提供动力。,就是将整车动力集中在动车组一端或两端的车辆上,其余中间车辆不带动力〔即为拖车〕,与常规意义上的机车牵引假设干车辆的列车相似。例如ICEI、TGV-A等。动力分散型动车组就是将整车列车动力分散到动车组的假设干车辆上,车辆由带动力的动车,也有不带动力的拖车,也可以全部车辆都带动力。动车组全部车辆都可以载客。我国引进〔或合作生产〕的动车组均属于动力分散式交流传动电动车组。其中200km/h速度级的动车组能适应在中国铁路既有线上运营并在中国铁路既有线指定区域及新建的客运专线上以200km/h速度级正常运行。〔1〕CRH1型动车组CRH1型动车组是由青岛四方厂和庞巴迪铁路运输设备有限公司合作生产。列车编组由5辆动车和3辆拖车共8辆车为一个编组。如图1所见。〔2〕CRH2型动车组CRH2动车组由南车四方机车车辆股份有限公司生产,CRH2车型见图2。〔3〕CRH3型动车组CRH3动车组由唐山轨道客车有限公司生产,为时速350kn/h速度等级动车组。CRH3动车组外形图见图3。 图1CRH1型动车组图2CRH2型动车组图3CRH3型动车组图4CRH3动车组配置图动车组8辆车分为5种不同的车,即端车〔头车和尾车〕、变压器车、中间变流器车、便餐车和一等车。从车种上可分为一等车和二等车和餐车和二等车的合造车,从动力配置上可分为动力车和非动力车。CRH3编组结构如图5所示,主要部件配置如图4所示。。动车组属于动力分散型电动车组,是自带动力可以双向驾驶的旅客列车,具有技术先进、平安可靠、乘坐舒适、经济、成熟及环保等优点。动车组既可以采用短编组8辆运行,又可以方便地将两列短编组重联为16辆长编组运行。动车组的品种有一等座车、二等座车、餐车、合造车,短编组定员600人以上,长编组定员1200人以上。。流线型车头和圆滑鼓形断面车体、高速无摇枕转向架等,使它具有优良的高速运行品质;轻量化设计的铝合金或不锈钢车体,大大降低了车体的重量,节能效果显著。成熟的大功率交流传动技术和国际上最先进的元器件,使它具有了高可靠性;先进的计算机网络控制技术,能够实现对动车组各个系统的控制,同时对系统进行监视和故障诊断,并与地面进行通信,实现地面对动车组的监视;动车组设备均采用模块化的结构,大局部故障只需要更换部件或局部维修。,确保了整车的平安性。大容量的密接式车钩缓冲装置,可以有效地缓冲各种冲击能量。完善的列车网络控制系统,便于实现信息化管理,还具有自诊断功能。关系到动车组平安的重要系统和部件设置了完备的故障导向平安措施,无需人为干预,提高了动车组运用的平安性。先进的列车自动防护车载系统和设备,便于司机根据相关信号操纵动车组正常运行,当出现异常情况时,动车组还可以自动减速或停车,确保运输平安。动车组所选用的非金属材料均严格按照国际的防火标准执行,重要设施都具有防火措施。先进的防火报警系统,确保发生火灾时,动车组能够驶离不宜停车的地段。车厢两端的防火设计,确保在15分钟内火灾不会蔓延到邻车。。动车组采用了先进成熟的高速转向架,具有平稳的高速运行性能。采用了全自动恒温空调系统,确保了车厢的温度和湿度被调节在一个恒定的范围内。采用了气密性车体结构,并设有一系列的隔音降噪措施,有效地降低了车内噪音。风挡密封性好,极大地提高了车辆隔音隔热性能。自动的压力保护装置,防止动车组高速会车或进入隧道时产生的空气压力波动影响旅客的乘坐舒适度。紧急通风功能,使动车组高压系统断电时,仍可保证两个小时的应急通风。车厢比普通列车更为宽敞。车内均为电动门,开启、关闭时噪音低,旅客可以很方便地通过车厢。车厢的座椅全部为软座,可以随意调节宽度和斜度,只要轻踩椅子下面的踏板,座椅就能旋转掉头,使旅客面对的方向始终与列车运行方向保持一致,防止列车在快速运行时,旅客出现头晕现象。座椅扶手内配备了可折叠的茶几,便于书写或放置东西。特殊材质的车窗玻璃,即便遭遇飞鸟、碎石等近地面物体的“袭击〞后被打碎,也不会划伤手脚。动车组配备有可以提供快餐食品和各种饮料的酒吧休闲区。局部动车组的车顶配备有液晶电视和旅客信息系统,可向旅客提供车内外的信息显示及实现各车之间通话等功能。动车组的卫生间内有感应式水龙头、冷热水供应,厕所坐便器垫板能感应控温。动车组照顾到旅客的特殊要求,动车组的地板与站台无缝对接,残疾人可以使用轮椅等辅助设备无障碍上下车。车上方便残疾人乘坐的车厢,车门扩大了一倍。残疾人专座取消了脚踏板,添装了固定带和平安带。车上设有残疾人专用的卫生间和专门供携带婴儿者使用的卫生间。一等车厢旁还设有多功能室,为患病的旅客、哺乳的妇女提供了一个相对宽松、封闭的环境。;卫生间便器污物均集中收集和排放,不对沿线造成任何污染;车外噪声低,减少了对环境的噪音污染。,高速列车的关键技术主要包括如下9个方面: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局部,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表达。、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。系统集成使动车组到达牵引、制动、车辆动力学、列车空气动力学、舒适性和平安性等根本性能要求。。由于高速列车在高速区运行时的根本阻力主要是空气阻力,可近似地认为根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,那么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、可靠性高和低本钱方向开展,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,从最早的晶闸管开展到GTO、IGBT、IPM,以至IGCT。主变流器开展的目标是小型化、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。618〔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开展的目标。近代,随着电子技术的开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时牵引电机,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,很有开展前途。〔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开展到矢量变换控制,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。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。、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;7183、转向架驱动技术;4、牵引电动机悬挂技术。、平安运行的保障。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根底制动技术;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。,列车运行每牵引一吨重量大约要消耗12个千瓦,到300公里的时候,每牵引一吨大约要消耗16—17千瓦,因此,世界各国都在轻量化技术上进行了竞争。我们生产的动车组,车体重量比传统客车减轻一半,轻量化技术到达。专项化技术也就是走行部技术。走行部技术简单的讲,要求动车组在200公里、250公里运行的时候,要有比较好的稳定技术,这是平安性指标。还要有很好的平稳性,这是舒适性指标。还要有比较好的曲线通过能力,我们在转向架方面也已经到达了世界先进水平,我们现在的转向架技术最高时速可以到达350公里。,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。818