国内外高速动车组的关键技术分析.(2)

（三）中国高铁的发展历程：

2004年1月，国务院常务会议讨论并原则通过历史上第一个《中长期铁路网规划》，以大气魄绘就了超过1.2万公里“四纵四横”快速客运专线网。

同年，中国在广深铁路首次开行时速达160公里的国产快速旅客列车。广深铁路被誉为中国高速铁路成长、成熟的“试验田”。

2004年至2005年，中国南车青岛四方、中国北车长客股份和唐车公司先后从加拿大庞巴迪、日本川崎重工、法国阿尔斯通和德国西门子引进技术，联合设计生产高速动车组。

2007年4月18日，全国铁路实施第六次大提速和新的列车运行图。繁忙干线提速区段达到时速200至250公里。这是世界铁路既有线提速最高值。同时，“和谐号”动车组从此驶入了百姓的生活中。

2008年2月26日，铁道部和科技部签署计划，共同研发运营时速380公里的新一代高速列车。

2008年8月1日，中国第一条具有完全自主知识产权、世界一流水平的高速铁路京津城际铁路通车运营。

2009年12月26日，世界上一次建成里程最长、工程类型最复杂的武广高速铁路开通运营。

2010年2月6日，世界首条修建在湿陷性黄土地区，时速350公里的郑西高速铁路开通运营。

2010年7月1日，沪宁城际高速铁路的开通运营。

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（四）高铁动车组的关键技术：

高速动车组总共有9大技术，包括总成、转向架、车体、牵引传动系统（通常再细分为牵引电机、牵引变压器、牵引变流器、牵引控制）、网络控制系统、制动系统。

中国南车作为中国最大的轨道交通制造商，也是全球最大的轨道交通装备企业之一，在高、中速动车组和城市轨道交通车辆的设计、制造、测试、维修与维护方面具有丰富的经验和先进技术。

“中国南车在技术上的突破是全面的，比如车体包括头型方面，CRH380A型动车组头型是以长征火箭为原型进行设计的，创下了时速486.1公里的世界铁路运营试验最高速度。其他技术方面，新一代高速动车组在系统总结轮轨关系、流固耦合关系、弓网关系的基础上，在气密强度、振动模态、转向架、减振降噪、牵引系统、弓网受流、制动系统、旅客界面、智能化列车等10大方面进行了系统创新。”中国南车的有关负责人说。

据介绍，在振动模态方面，如何在轻量化设计目标下，避免车辆产生共振，是高速车体设计面临的主要挑战之一。中国南车通过运用动力学与车体模态分析方法，依据京津、武广高铁典型无砟轨道实测轨道谱和车辆振动响应特征，通过对车体的刚度质量分布进行优化，以及车体局部振动参数进行匹配，并采用新型的隔声材料结构，使车体、转向架及部件与轨道振动匹配良好，同时降低了振动噪声。在系统分析京津、武广高铁跟踪试验结果的基础上，中国南车提出了多种车体设计方案。通过多次分析论证，实车线路试验表明达到了世界先进水平。

在高速转向架方面，转向架也被称为走行部，承担着导向、承载、减振、牵引和制动等功能，是决定高速列车运行安全和运行品质的核心。速度越高，来自轨道的激扰越大，如何保证在高速运行条件下转向架具有足够的临界速度和结构安全性，优良的减振性能和低轮轨磨耗，是高速列车研发面临的艰巨挑战。

同样，中国南车通过系统分析京津、武广高铁高速运行条件下动车组的轮轨作用关系、动力学性能、结构载荷谱和轨道谱等因素，依据高速列车系统动力学理论，围绕提高临界失稳速度、降低脱轨系数、改善平稳性指标，通过仿真分析进行循环迭代优化，采用样机台架试验和整车线路试验相结合的方法，经过多方案的比选，确定转向架结构参数和悬挂参数，实现了转向架性能的系统提升。

另外，中国南车还通过采用精确的高速列车系统动力学模型，分析了高速运行条件下轨道不平顺、气动激扰和轮轨型面匹配特性以及车辆间的耦合关系对列车动力学性能影响规律，对影响综合性能的关键参数进行多方案优选，临界速度显著提高，乘坐舒适性明显改善。而且在保持低轮轨作用力优势的同时，采用降低簧下重量和控制轮轨黏着的措施，有效降低了轮轨磨耗速度。

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1）动车组总成（即系统集成）

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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400 km/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400 km/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3 min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。

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2）牵引传动控制系统

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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

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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）高速转向架

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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

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4）高速制动技术

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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）高速车体技术

中国高速列车自全方位引进国外高速动车组技术至今,取得了很大的成绩。在全国范围内的主要城市及经济发展区建立了城际高速动车网络,如京津高铁、武广高铁以及新进试运营的京沪高铁。根据适用地区及使用要求等原因我国引进消化吸收并国产化了CRH1、CRH2、CRH5、CRH3共四种型号的动车组。其中CRH3型动车组是唐山客车厂引进德国西门子公司的高速列车技术打造未来中国特高速列车的项目,其中唐山客车厂负责进行TC07车车体的国产化。 唐山客车厂委托青岛四方机车厂在2008年对CRH3型动车组国产化TC02车车体进行静强度试验。本文研究的是国产化的TC07车车体,其与TC02车车体具有相似的结构构造。因此本文便参照TC02车车体静强度试验报告,利用有限元仿真技术及基于有限元软件ANSYS的车体强度计算方法对车体进行多工况下的静强度计算。并依据材料的许用应力,分析计算结果的有效性及与试验结果的吻合度,作为车体性能评估的计算依据。为TC07车车体国产化打下良好的基础。 本文在进行静强度评估的基础上,对车体的动态性能进行了研究。利用有限元软件ANSYS进行了车体空车及整备状态一阶垂向弯曲模态的计算,其频率分别为18.193Hz和10.244Hz均满足国际通用标准。证明了车体具有较好的动力学性能。 本文针对TC07车车体进行轻量化研究,主要利用灵敏度分析理论,着重分析车体的18个主要部件对质量、约束等的灵敏程度。找到在满足车体刚度、强度性能下对车体质量减轻最敏

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