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前沿研究丨高速动车组的技术发展特点和趋势j2y

时间:2021-12-19     编辑:美说网    

(本文摘自中国工程院学报《工程学》2020年第3期

作者:赵洪伟,梁建英,刘长青)

编者注

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从全球范围来看,高速铁路和高速动车组的发展大致可分为三个历史时期,即初始运营时期,线路平台扩张期和快速发展期。中国高速动车组的技术发展经历了自主探索,引进,消化,吸收,再创新和全面自主创新三个阶段。目前,动车组产品覆盖时速250km,300km,350km及以上,可以适应不同的路线,不同的环境条件和不同的运输方式。要求。

最近,中国工程院《工程》杂志发表的《高速动车组的技术发展特点和趋势》指出,要实现高铁的高速,安全运行动车组,有必要克服轮轨关系和弓与网之间的关系。减阻,降噪等一系列技术问题,不断探索新的技术方案和先进的技术应用,以提高动车组的综合技术性能。本文系统地梳理了世界高速列车的发展历史,分析了高铁动车组提高综合技术性能的方式方法,总结了改善舒适性,降低生命周期成本的具体措施。加快智能高铁的科学技术研究,在高铁的各个专业领域应用物联网和大数据等新技术,打造更安全,更可靠,更具成本效益,温暖舒适的环境便捷,快速,节能,环保的智能高铁系统将成为中国高铁乃至世界高铁发展的未来趋势。

1。世界高速火车的发展历史

国际铁路联盟(UIC)将高速铁路定义为:新生产线的设计速度为250kmh-1或更高,提速生产线的速度为200kmh-1。我国对高速铁路的定义是:新设计的客运专线,其初始运行速度为250kmh–1(包括预订),且高于EMU的列车不少于200kmh–1。从全球范围来看,高速铁路和高速动车组的发展可以大致分为三个历史时期,即初始运营时期,线路平台扩张时期和快速发展时期。

(1)初始运营期(从1960年代到1970年代末)

1964年10月1日,世界上第一条高铁东海道新干线(东京都-Shin-Osaka)出生于日本。当时投入运行的高速动车组是0系列,由6个动车组组成,最大运行速度为210kmh-1。

(2)线路平台的扩展期(从1980年代初到20世纪末)

在此阶段,高速铁路的发展从日本扩展到了欧洲,法国,德国和意大利。高速铁路已经建成并通车,并已使用不同的技术路线开发了具有自己特色的新型动车组平台。动车组模型不断丰富,技术性能不断提高,最高运行速度逐渐提高到300kmh-1。

法国于1983年启用了LGV东南线(Paris-Lyon)。该线的开放和运营是世界高速铁路到达300公里的转折点h-1。高速铁路的范围从日本扩展到了欧洲初期。后来,使用阿尔斯通开发和生产的TGV(高速列车)系列的轻轨列车,逐步开通了LGV大西洋专线(Paris-LeMans/Tours)和其他线路。,最大工作速度达到300kmh-1。德国于1991年开通了曼海姆-斯图加特的汉诺威-富尔达-维尔茨堡高速铁路,最高运行速度达到250kmh-1,全部由西门子开发和生产的ICE1和ICE2提供动力。高速动车组。意大利使用1992年以前由FIAT(FabbricaItalianaAutomobilidiTorino)独立开发的ETR450ETR450(后来由阿尔斯通控制)开发的罗马-佛罗伦萨高铁分段运行,最高运行速度为250kmh-1。。ETR460等型号动力分散摆高速度训练西班牙使用从法国阿尔斯通进口的S100电力集中式动车组,开通了马德里-塞维利亚高速铁路,最大运行速度为300kmh-1。日本的新干线技术体系不断发展,高速动车组逐渐推广并应用了100系列,200系列,300系列,400系列,500系列(参数|图片),700系列和许多其他高速列车,以及E1系列,E2系列,E3系列高速列车在其他类型中,其中500系列动车组在1997年达到了最高时速300kmh-1。

可以看出,世界高速动车组的技术已经相对成熟。在这一阶段,出现了功率集中和功率分散的不同技术路线。随着型号和速度的提高,倾斜列车和非倾斜列车也相继出现。经过不断改进,西门子和阿尔斯通等几家主要制造商已经开始成型并成型。高速铁路的巨大影响也为经济和社会发展带来了新的活力和活力。

(3)快速发展阶段(自21世纪以来)

进入21世纪初,世界高铁发展迅速,美国等国家州,俄罗斯,韩国,波兰和中国已经开始发展高速铁路。铁路,特别是中国的高速铁路的迅速崛起,极大地推动了世界高速铁路的发展。仅从21世纪以来的最初十年中,全球已建成近15,000公里的高速铁路,这是过去30年中新建高速铁路总规模的三倍以上。

随着高铁线路的出现,高速动车组的性能不断优化,动车组平台化的趋势越来越明显。法国已经开发并运营了TGVPOS(巴黎-奥斯特弗兰克赖希-南德意志州),TGVRseau复式动车组,以及TGV复式Dasye,TGV复式RGV2N2,TGVOcane和其他双层动车组,最大运行速度为320kmh–1;此外,阿尔斯通过去还改变了集中发电的路线,并成功开发了具有分布式电源的AGV(自动驾驶汽车grandevitesse,已在意大利私营铁路公司NTV的运营中使用)。德国也变了技术路线,开发并运行具有分散动力的ICE3和新型ICE3EMU,最大运行速度为300kmh-1;研制出ICE4动车组,为动车组的灵活组建开创了先例,技术创新众多,最高时速可达250kmh-1。另外,为满足现有多条曲线线的要求,还开发了电动倾斜动车组ICET(最大速度230kmh-1)和内燃机倾斜动车组ICETD(最大速度为200kmh)。h-1)。意大利已经应用了Hongjian1000EMU,其设计速度为400kmh-1,计划运行速度为360kmh-1。这是一列无铰接,配电的8列单层火车,目前运行速度最高。速度为300kmh-1。E5和E6系列动车组已在日本东北新干线投入使用,在东北新干线投产的H5系列动车组的最大运行速度为320kmh-1,其中H5系列动车组可以适应北海道的积雪。气候寒冷的环境。在这一阶段,动车组制造商开始拓展海外市场。例如,西门子的VelaroE系列EMU技术出口到西班牙,俄罗斯和其他国家,阿尔斯通的TGV技术出口到韩国,美国和其他国家。

总体而言,经过多年的发展,世界上的动车组已经形成了模块化和序列化的产品。其中,德国ICE系列动车组包括ICE1,ICE2,ICE3,ICE3M和ICE4。法国TGV高速列车已发展到第四代。其中,第一代是TGV-PSE和后高速列车,第二代是TGV-A,AVE,TGV-R,TGV-TMST(欧洲之星),TGV-PBKA。第三代是TGV-2N和其他型号,第四代是AGV高速列车。日本的高速动车组已形成两个主要系列。一种是由数百个数字表示的高速火车。从0系列,100系列,200系列,300系列,400系列,500系列,700系列,800系列和N700系列开始;第二是E系列高速列车,有E1,E2,E3,E4,E5等型号。这种模块化和平台化的趋势使得在平台化的基础上,通过编组变更,模块化设计和其他方式来满足各种运营模式和运营环境的需求,可以轻松满足多样化的市场需求,并且有利于火车的发展。升级,缩短评估时间和访问过程。

(4)中国高速铁路的发展

中国的高速动车组技术经历了独立的探索,引进,吸收和创新以及全面自主创新的三个阶段。目前,动车组产品覆盖时速250km,300km,350km及以上,可以适应不同的路线,不同的环境条件和不同的运输需求。

独立探索的阶段始于20世纪末。1997年,中国开始了第一次大幅度提速。1999年,秦沉至沉阳客运专站的建设开工,设计时速为250km/h。在此期间,"中国(参数|图片)星标和"先锋"等动车组。

引进,消化,吸收和再创新阶段始于2003年。2004年,中国政府发布了《中长期铁路网规划》,提出了"中长期铁路网规划"的规划和建设。"四纵四横"的高铁网络。京津(京津)线,郑西西安(正西)高铁,沪宁(沪宁)线,京沪(京沪)线和哈大大连(哈尔滨)大连)线已陆续投产。在这一阶段,中国分别从庞巴迪,川崎,西门子和阿尔斯通引进了4个原型动车组,并建立了4个Harmony动车组平台CRH1,CRH2,CRH3和CRH5。其中,速度在300km以上的动车组平台包括CRH2C,CRH3C和380系列动车组。CRH2C和CRH3C是动车组,设计速度为每小时300-350km。CRH2C是6M2T(M是EMU,T是拖车),CRH3C是4M4T。两者均于2008年投入运营。380系列均为动车组,时速为350公里。CRH380A采用6M2T形式,CRH380AL采用14M2T形式;CRH380B和CRH380D均为8编组列车,采用4M4T形式;CRH380BG基于CRH380B,是专为高寒地区的应用而设计的;CRH380BL和CRH380CL是长型火车,是专门为它设计的。它设计用于长干线,例如京沪,京广(景光),并采用8M8T编组形式。上述和谐系列动车组的当前实际运行速度均为300kmh-1。

我国从2013年开始自主创新阶段,中国铁路总公司率先组织了具有自主知识产权的复兴中国标准动车组的开发。复兴系列动车组有两个平台CR400AF和CR400BF,它们是8个分组动车组(4M4T),设计速度极快速度为350kmh-1,当前实际运行速度为350kmh-1。2018年,为满足北京,上海等长大干线的运输需求,CR400AF-A,CR400BF-A和CR400AF-B,CR400BF-EMUB,A和B分别为8M8T和8M9T。

截至2019年10月,中国拥有3480个标准高速动车组,运送了超过100亿乘客。当前,中国已成为高铁运营速度最快,规模最大,运营场景最丰富的国家。

2。提高综合技术性能

高铁是一个复杂的系统。作为移动设备的高速动车组,它与固定的基础设施(包括网络,轨道和周围的空气)联系在一起,形成耦合关系。从某种意义上说,这种关系甚至比其他运输系统(例如公路车辆,飞机和轮船)更为复杂。为了进一步提高高速动车组的综合性能,必须很好地处理这些耦合关系。此外,必须解决牵引和制动控制技术,以改善牵引和制动性能,同时进一步提高行车安全监控水平。等待。

(1)优化轮轨关系以确保良好的动态性能

在各种耦合关系中,轮轨关系是最基本和决定性的约束关系。高速动车组依靠轮轨附着力来产生牵引力和制动力,还依靠轮轨接触力来获得垂直定位(支撑)和水平定位(侧向引导)。受轮轨关系的限制,当高速动车组达到一定速度时,转向架将具有固有的蛇行不稳定性(横向稳定性)。EMU的理论最大极限速度在很大程度上受蛇行临界速度的限制。因此,高速动车组在最高工作速度下既需要足够的安全裕度,又需要足够的临界速度裕度。根据《高速动车组车辆测试规范》(铁运[2008]28号),高速列车必须通过动态性能测试,测试速度要比测试认证期间的最大运行速度高25%。验证了包括行驶稳定性,横向稳定性,行驶质量和行驶平稳性测试在内的动态性能。

有很多因素会影响EMU的稳定性。从动车组本身的角度来看,转向架的结构和悬挂是主要因素。以转向架的发展为基础,以轮-轨关系为研究基础,对改善世界列车动态性能的研究进行了指导。

CR400AF/BF复兴式动车组采用新型转向架结构,悬架连接和牵引力为了实现整体轻量化设计,减少转向架的簧下质量,优化转向架与车体之间的悬架参数,具有安全舒适性强,线路适应性强,可靠性高,易于维护的特点。设计中考虑了以下主要因素。

(1)线路适应性。由于中国高铁的线路较长,且运行间隔跨度较大,因此转向架需要充分适应自然环境条件,线路条件和运行条件的差异。

(2)操作安全。转向架技术涉及轮轨动力学,静态强度和疲劳强度设计理论。有必要考虑将轮轨关系与转向架结构和悬架匹配,以确保其安全性,横向稳定性和结构强度有足够的余量。

(3)舒适的设计。转向架的设计必须确保车辆具有出色的乘坐舒适性。为了使火车在高速下平稳行驶,在转向架结构上使用了两级悬架,以隔离未悬挂的振动并限制车辆的振动。火车车厢中的振动加速度值必须小于2.5ms-2。通过仿真计算,实验室工作台测试和在线测试相结合,完成了动态性能分析,确定了悬架系统方案,并优化了悬架参数。

(4)可靠性设计。配备高柔性空气弹簧和高阻尼防蛇减震器的无承重转向架,以复杂的结构,众多的零件,承梁甚至摇台以及摩擦式侧轴承取代了早期的乘用车转向架,大大简化了结构。改善了操作的可靠性。

(5)轻巧的设计。通过结构优化和新的高强度轻质材料的引入,降低了车架的质量,降低了簧下的质量。通过有限元分析,对转向架框架进行了静态强度和疲劳强度评估以及模态计算,并对转向架的结构进行了优化。某些零部件合理地采用轻质和高强度的材料。

(6)易于维护的设计。采用模块化设计,方便了转向架主要部件的拆卸和维护。根据轮-轨接触关系以及转向架的轮对定位方法和参数,优化车轮形状,并结合薄轮辋修复技术,以延长轮修复周期和轮使用寿命。

(7)运行安全监控。设置转向架侧向不稳定性监测,车轴锁定监测和轮对轴承温度监测装置,并预先设置安全阈值进行警告或报警,以确保行走机构安全运行。

复兴型动车组由两个平台CR400AF和CR400BF组成。每个平台转向架分为动力转向架和非动力转向架。两个平台转向架由两轴和无动力转向架组成。承梁的轻巧结构,拖车转向架主要由框架组成,轮对,轴箱定位装置,一级悬架,二级悬架,基本制动装置和转向架辅助组件。机动车辆转向架还配有齿轮箱和电动机驱动装置。CR400AF汽车转向架和拖车转向架分别如图1和图2所示。转向架承载能力的设计指标为17t轴重。实验室滚动振动试验结果证明,动车组转向架的临界速度超过550km

h-1。线路测试结果表明,复兴动车组的运行稳定性明显好于和谐动车组。当京沪线以350kmh-1的速度行驶时,车身的平均水平稳定性降低了约21%,并且车身是垂直的。平稳性的平均值降低了11%25。

图1CR400AF转向架

图2CR400AF拖车转向架

(2)解决了弓形与网络之间的关系问题,并确保了在高压下的良好流动。速度运行条件

弓对网关系是高速铁路系统中另一对非常重要的耦合关系。安装在高速移动列车单元上的受电弓需要与固定接触线紧密接触,以实现良好的电流流动。两者之间存在摩擦,必须传输巨大的电力。

对于300kmh-1以上的高速铁路,受电弓网的电流接收性能直接影响列车的运行速度和安全性,受电弓网的接触力,电弧和垂直方向。受电弓滑板等的加速。指示器尤为重要。随着动车组速度的提高,弓弓弓头和接触线的振幅增大,弓和网的接触力急剧波动,电流质量降低。如果受电弓和受电弓的剧烈振动将受电弓和受电弓之间的接触力减小到零,则受电弓和受电弓会折断并产生电弧,烧毁接触线和受电弓,并可能导致电力传输中断。影响火车运行的安全性。如果接触力太大,接触线的升力将超过允许值,从而导致弓和网的磨损和损失,甚至引起弓和网事故。

(1)合理匹配弓形网络的参数。计算并仿真了接触网和受电弓系统在高速运行过程中的动态电流接收性能,并选择了受电弓网络的合理匹配参数,以实现良好的电流接收性能。

(2)主动控制受电弓。积极控制受电弓以提高受电弓跟随线的性能,将受电弓与网的接触力保持在合理范围内,减少接触线和受电弓滑板的磨损,延长使用寿命,增强动车组线操作适应性强。高速动车组的受电弓的几何形状必须与接触网兼容,以使受电弓和接触线具有良好的接触性能。受电弓与网之间的摩擦和磨损是不可避免的,但应避免接触线和受电弓的滑块过度磨损。

(3)优化动态性能。改善受电弓的动态性能,空气动力学性能和受电弓的动态性能,以改善受电弓与网络之间的关系,并提高电流质量。稳定的电流接收技术减少了电弧的数量,降低了接触电流的损失率,从而减少了接触线上的过大压力,并减小了弓网接触面积的磨损。

(4)强度分析。计算受电弓的总强度,并检查受电弓的某些部分的强度,以使整个受电弓和每个组件的静态强度具有较大的安全裕度。

(5)快速下降船首保护装置的功能。采用了不需电力控制的紧急弓架下降系统,以确保在突然发生弓形网络事故的情况下,弓头在1秒内下降200mm以上,从而确保了火车和供电系统的安全。

高速缩放仪与网络之间的关系是各国高速铁路研究的主要技术方向之一。欧洲铁路公司正在研究使用多电压兼容受电弓技术以减少受电弓的数量。减少受电弓的数量可以减少火车重量,空气阻力和接触噪音,还可以减少生产和维护成本。理想的做法是每列火车只使用一个受电弓。在这种情况下,在缩放仪的设计和备用缩放仪的安装中必须考虑电流容量,并且多电流制动车辆组必须使用单个多电压兼容缩放仪。

(3)改善牵引动力性能,优化电动机控制和附着力控制策略

交流驱动技术的发展一方面是由于功率半导体和转换器技术的进步,并依赖于其他更完善的控制方法和控制装置。后者可使整个变流器-电动机系统具有出色的控制性能,以满足不同应用的需求。具体性能要求包括:平稳起步,约束汽车车轮空转和滑行,再生制动,宽速范围等。

为了满足EMU的总体技术要求,CR400AF/BF复兴EMU,即EMU的固定负载处于直线状态公路,牵引能力满足:

(1)0?200kmh-1的平均加速度不小于0.4ms-2;

(2)350kmh-1行驶时的残余加速度不小于0.05ms-2。

CR400AF和CR400BF动车组的牵引/再生制动特性曲线如图3和图4所示。

图3CR400AFEMU牵引/再生制动特性曲线

图4CR400BF动车组牵引/再生制动特性曲线

从系统效率,电压和电流,电气方面进行CR400AF/BF复兴型动车组牵引系统的设计和设备开发,从参数,机械接口和重量方面进行优化。匹配参数,并通过仿真分析和测试,最终获得出色的牵引系统性能。

(1)就牵引系统的轻型设计而言,车辆的功率重量比约为20.7kWt–1,牵引系统的效率高于0.85。牵引系统主要部件的功率密度明显高于相同速度等级的"和谐"动车组的功率密度。其中,牵引/辅助变流器的功率密度高达0.82kVAkg-1,CRH380A的功率密度为0.43kVAkg-1,CRH380B的功率密度为0.63kVAkg-1;②牵引变压器的功率密度为0.99kVAkg-1,高于CRH3C的0.91kVAkg-1。③牵引电机功率密度为0.909kVAkg-1,功率密度高于CRH380B的0.78kVAkg-1。

(2)在动车组牵引式散热系统的冷却能力设计中,充分考虑了中国高速铁路的应用环境,在该条件下的裕度为15%。满负荷运行,即使在中国独树一帜在春季柳絮在空中飞舞时,牵引系统仍然可以可靠地工作。因此,缩短了牵引变流器箱的滤网的清洁周期,并且还减少了变流器的过热故障,并且提高了动车组的可用性。

(3)在牵引系统控制方面,对高速动车组的牵引驱动系统控制策略进行了优化,以实现对牵引变压器,牵引变流器,牵引电动机和牵引电动机的高性能控制和完美的故障诊断。其他设备,以满足高速动车组启动和连续高速运行的要求。

牵引力控制系统具有高效,节能,安全,可靠的技术特点,如下:

a。采用两相二四象限整流器控制策略,提高系统稳定性和动态响应速度;使用相移技术有效地控制谐波,以确保再生能量回收的质量;采用基于电流谐波优化的牵引逆变器混合脉宽调制策略,有效改善电网侧谐波分布,减少对供电网络的污染;

b。采用高性能牵引电机控制策略,有效抑制牵引电机的转矩脉动,使大功率牵引逆变器在全速范围内可以获得良好的输出波形和控制性能。图5示出了在每个载频比切换时的脉冲宽度调制(PWM)波形。

图5每个载频比切换时间的PWM波形。(A)从11脉冲切换到9脉冲;(b)从9脉冲切换到7脉冲;(c)从7脉冲切换到5脉冲;(d)从5脉冲切换到3脉冲

(4)开发和采用新的半导体开关元件,并使用具有高关断电压的6500V/750A级绝缘栅双极晶体管(绝缘栅双极晶体管),首次在复兴型动车组上实现了大传导电流和高开关频率。双极晶体管(IGBT),可有效降低开关损耗并提高牵引变流器系统的稳定性。定性地,它确保了EMU的连续高速运行能力。

(5)设计了紧急牵引功能。即使在动车组网络控制系统瘫痪的情况下,仍然可以根据强行指令施加牵引力,从而使火车可以避开危险区域。

(6)实现过相不间断电源控制和无火自救自救功能。在过相和无火回程过程中,诸如空调之类的辅助系统的舒适负荷仍然可以正常工作,从而提高了EMU的可用性和服务质量。

牵引系统及其控制技术一直是动车组产品升级的重要决定因素之一。交流异步电动机的控制(调速)技术比直流串联电动机更复杂。诸如日本的300系列之类的较早的交流驱动器高速动车组使用打滑特性控制方法。自1980年代以来,国外的三相交流传动机车和动车组一般都采用矢量转换控制方法。一个典型的代表是德国西门子公司的ICE系列高速动车组(包括ICE1?ICE3)。到1980年代中期(1985年),德国和日本的某人分别提出了一种先进的控制技术,即直接转矩控制(DTC)方法,该技术实现了与矢量控制相当的传动性能。结构也比较简单。目前,国内外的高速动车组一般都采用上述两种控制技术来控制牵引电机。我国复兴型动车组的CR400AF动车组采用直接转矩控制,而CR400BF动车组采用矢量控制。

(4)采用多种制动组合来优化制动控制和防滑策略

CR400AF/BF复兴电动车在制动系统控制中采用了以下关键技术。

(1)该系统增强了微机直接电-气制动系统的性能和可靠性,充分利用了再生制动,并且可以轻松调节制动力。采用复合制动方式。在正常制动条件下,通常优先采用电制动,以减少制动衬块和制动盘之间的磨损,并确保节能环保。紧急制动通过空调实现。电动组合紧急制动。纯空气紧急制动仍然是最终的安全保证。

(2)制动系统统一实现列车制动力的管理,计算和分配,并采用统一的减速曲线控制,以达到良好的制动控制性能。

(3)随着速度的增加,轮轨附着系数越来越低,列车制动时打滑的可能性越来越大。优化了高速制动阶段的制动力分配和制动力。主动控制防滑策略。

(4)火车的制动动能与速度的平方成正比。当高速列车制动时,将产生巨大的热负荷。已经开发出能够吸收热负荷并且对热破裂和热衰减具有良好抵抗性的制动盘和制动衬块。

(5)改进系统诊断和面向故障的安全控制。动车组制动的安全性主要涉及制动能力,可靠性以及制动系统的故障导向安全设计。

(6)考虑到可靠性和可维护性,该系统具有模块化和标准化的技术特征。

CR400AF/BF复兴动车组的制动系统主要由制动控制系统,供气系统,基本制动装置等组成。系统组成如图6所示。

图6CR400AF/BF复兴动车组制动系统组成。BP:制动管

CR400AF/BF制动控制系统负责接收来自驾驶员或火车的自动速度控制系统的制动命令,并管理和分配空气制动器和再生式电动制动器。动压驱动基本制动装置对转向架的作用以产生制动力,或发出再生制动力指令以使牵引系统施加电制动力。空气源系统主要由主空气压缩机单元,干燥装置,辅助空气压缩机,气缸和贯穿整行的主空气导管组成。基本制动装置由制动盘,制动钳和制动衬块组成。它安装在转向架上。机动车和拖车都采用气动盘式基本制动装置。拖车采用轮轴安装的制动盘,而汽车采用轮毂安装的制动器。制动盘。

各个国家的高速动车组通常使用气电复合制动,但是空气制动仍然是高速动车组最基本的制动方法。以法国为例。除了法国采用自动电空制动的第一代TGV以外,其余所有车辆均使用最新的微机控制电指令进行直接电空制动。在基本制动方面,大多数第三代和第四代TGV动车组都使用盘式制动器。各个国家的高速动车组主易汇外汇要包括电阻制动和再生制动。其中,电阻制动的优点是,一旦电网断开,动车组仍可以使用电阻制动产生制动力,比较安全,但缺点是无法实现节能。再生制动的优缺点正好与电阻制动相反,可以提高接触网供电系统的功率因数,从而节省能源。日本,早期的高速动车组除外除阻力制动外,其余均使用再生制动。德国ICE系列动车组从一开始就采用了再生制动。

(5)解决减少气动阻力和减轻车身重量的问题

气动阻力是车辆行驶阻力的重要组成部分。减少空气阻力已经成为减少高速列车阻力的关键因素。CR400AF/BF复兴动车组对影响列车行驶阻力和能耗的主要因素进行了许多研究和实验,例如头部形状设计,车身轮廓,车身重量,转向架面积和受电弓面积。降低EMU运行阻力的措施如图7所示。

图7EMU降低了运行阻力

(1)头部形状优化。使用流固耦合技术和阻力,升力,运行安全性和稳定性,空气动力噪声等多种性能指标的耦合关系分析技术,设计流线型车头,并通过增加长度和细长来改善整体空气动力性能比率。

(2)光滑的表面。平滑屋顶空调设备,优化车间内挡风玻璃的连接,并优化和改善转向架区域的空气动力学形状。

(3)流量控制。通过湍流和沟槽等流动控制技术,对动车组的表面流场进行了修改和优化,以减小空气动力阻力,并减小受电弓流场对受电弓动力性能和空气阻力的影响。

(4)轻巧的车身。为了防止车身的轻量化影响车身的强度,刚度和气密性等车辆性能,基于均等强度的设计理念和各负载率对车身结构进行了优化。通过仿真计算来平衡组件。

(5)在建立典型的高速动车组模型和环境模型(例如轨道和隧道)的基础上,对不同运行条件下的动车组进行仿真分析,例如开放线操作,开放线交叉口和不同速度水平下的隧道通道空气流场分布规律。运用仿真分析,风洞试验和动力模型试验相结合的分析和验证方法,对不同形状的动车组的空气动力和空气动力噪声性能进行了系统研究。

(6)轻量化车身主要采用材料创新和结构优化相结合的方式。复兴动车组在保证车身强度和刚度的基础上,优化和改进了生产工艺。整个车身由超薄的长而大的空心铝合金挤压型材制成。通过焊接形成的薄壁圆筒作为承重结构,有效降低了残余应力和焊接变形,提高了焊接效率。正面和车身结构如图8和图9所示。

图9:带有受电弓的中间车身结构

通过减少车身的空气阻力和轻量化设计,CR400动车组具有显着的降低行驶阻力的特性。CR400AF在350kmh-1时的总电阻比CRH380A低12.3%,CR400BF比CRH380B低7.5%。

国内外的高速铁路都致力于加强火车的空气动力学设计和研发。在日本高速动车组的头部形状设计中,降低了空气阻力。图7.EMU降低了运行阻力。从0系列到500系列,人们对空气动力噪声,隧道微压力波等进行了深入研究,高速动车组的头部逐渐变长。为了减少低压波动,700系列和E4系列还开发了独特的头车形状。自N700系列以来,日本已将仿生形状设计作为高速列车空气动力学形状设计的概念。其中,N700A和N700S采用经过三维模拟优化的"双翼背鳍流线型扬程",可降低进入隧道时的空气动力噪声。,车身的平滑和形状优化可以降低行驶阻力。经过N700系列,E5系列,E6系列和E7系列机型的设计经验,设计经验已经成熟。

为了提高火车的运行速度,各国的高速火车都非常重视轻量化设计。在轻量化车身方面,采用双层壳体结构和模块化,一体化的结构设计,并采用了新型的结构材料。目前,车身的主要结构是大型的双壳中空挤压铝结构。该结构已被日本700系列,N700系列,E6系列等主要机型广泛使用;在德国结构公司的新型ICE列车上也使用了双层外壳。意大利ETR1000型高高速火车的车身外壳和室内装饰使用大量的轻合金材料,一方面可以减轻车身重量,另一方面可以将其回收再利用。

(6)通过全面的监测和诊断,确保动车组的安全运行

随着动车组运行速度的提高,动车组的设备状态和动车组的安全性更加突出。,一旦动车组出现轴承温度超温,轴锁滑动,侧向运行稳定性指标超过极限等故障,将存在较大的安全隐患。

为了监视EMU的设备状态和运行安全,在EMU上安装了各种传感器,并将这些传感器连接到每个系统的控制设备。状态由控制设备收集,火车网络系统完成每个系统的信息共享。,实现对整个动车组列车的控制,监测和诊断。连接到火车网络的设备包括:牵引设备,制动和防滑设备,火车辅助设备(例如空调,供暖,通风,照明等),通信和信号设备,转向架不稳定性检测设备以及车轴箱温度检测设备,烟火报警设备,乘客信息系统,诊断系统等。

CR400AF/BF复兴动车组已为整车设置了2500多个监控点,收集了1500多个监测点。车辆状态信息,动车组运行故障的实时诊断,以及发生异常时的自动预警或警报。例如,动车组配备轮对,变速箱轴承温度监控和转向架侧向稳定性监控设备。当发生预警或警报时,及时提供紧急处理和维护建议,并根据安全策略自动控制限速或停车,以确保EMU操作的安全性。

各个国家的高速动车组在火车的关键部位都安装了各种传感器,以实时监控各种参数,以防止发生事故。例如,法国的AGV火车配备了速度监测装置,火车的三爪万向轴失衡和断裂监测器以及车轴温度监测装置。庞巴迪公司为意大利铁路公司提供的ETR1000高速火车在火车网络系统的基础上配备了远程诊断系统。

3。提高舒适度并降低生命周期成本

为了提高舒适度,国内外许多国家都采取了减少噪音和振动,增加倾斜装置,增加倾斜度等措施。乘客舱空间,调节座椅间距,引入无障碍设施以及对车内温度进行微调控制。

(1)优化乘客室空间

CR400AF/BF复兴动车组的乘客界面设计坚持以人为本,并采用人机工程学原理合理设计乘客空间,占用空间,以及运输空间。乘车和降落的空间。动车组充电器根据车辆边界,车身的横截面统一为3360mm宽和4050mm高。CR400AF的截面积比CRH380A大7%25;CR400BF的截面积比CRH380B大10.5%。复兴动车组的车身横截面如图10所示。="11" title="单击进入图片评论" >

图10复兴EMU的车身横截面

CR400AF/BF复兴EMU配备有无线WiFi系统,实现访问内部和外部网络资源的功能。EMU中的乘客可以通过个人终端访问Internet或访问火车的局域网,以进行视听娱乐,游戏交互,应用程序下载,社交网络/聊天,电子阅读和其他服务。动车组还配备有座位信息显示系统,可通过互联网访问12306售票平台,获取动车组的票务信息,并可进行电子座位号指示和座位票状态信息的实时显示。

法国的AGV采用低地板设计,地板为直通型,提高了乘客上下车的便利性。此外,许多新的高速列车还采用了优化的列车内部结构设计,配备了完整的厕所和饮用水设施,为残疾人建立了设施,优化了旅客服务信息系统,并采取了诸如接入无线网络和无线网络等措施。增强了车载空调的性能。

(2)减振降噪

动车组中的噪声控制是一项系统工程,涉及车身的轻量化设计,气密性设计,以及汽车下方设备的布局。减振结构的优化与吸声,隔音材料的选择有关。CR400复兴动车组增加了车身部分,以提高乘坐舒适性,但同时也增加了空气动力噪音;为了降低行驶阻力,空调和受电弓安装在水槽中,这也严重影响了该区域的隔音效果。因此,为了降低车厢内的噪声水平,从声源,振动源和传播路径方面进行了车辆减振降噪系统分析,例如进行了以下综合处理。三个方面。

(1)分析噪声的传播路径,综合运用隔声和吸声方法,设计并应用多层复合隔声和吸声结构。

(2)采用流线型设计以减少车辆表面的空气动力噪声。

(3)传统的隔音,吸声和降噪措施难以减小由振动引起的低频结构。因此,有必要使用声音振动解耦措施来减少结构噪声。优化车体的局部结构,车体的局部刚度和阻尼,从而解决车体的局部颤振和噪声问题。

经过一系列减震降噪措施,CR400AF/BF复兴动车组的车内噪声指标优于"和谐"动车组。在操作过程中,驾驶室和乘客室的噪音降低了1?3dB,受电弓乘客室末端的噪音降低了6?7dB。

国内外铁路集成了多种新技术来减少火车噪声。具体措施包括:开发具有新的低噪音结构的受电弓和隔音板,以及在车身的侧壁裙板和地板上使用新型吸风板。隔音材料和隔室采用堆叠式金属屏蔽罩等。例如,日本E5,E6和E7系列动车组采用新的单臂多段式低噪声受电弓,并结合其他降噪措施来实现火车时速为320kmh-1,环境噪声可保持在275kmh-1s的水平。E5还使用低噪音的受电弓和高性能的隔音材料来增加车窗玻璃的厚度。车身侧面采用性能优良的隔音材料;转向架覆盖在轿厢周围,以防止来自轿厢下方旋转区域的噪音;车体高度小,周围光滑,轿厢之间无间隙。车身的吸声材料可以有效吸收轨道与车身之间的反射噪声。

(3)节能环保

从国内外情况来看,节能环保是高速动车组的重要发展方向之一,并且原因来自全球环境可持续发展的要求。CR400AF/BF复兴动车组已采取许多具体措施,例如国内外机车车辆制造商。

(1)提高牵引系统的效率,包括使用新的动力转换装置和牵引电动机,以及使用最佳控制策略。

(2)减少火车等的重量,首先要优化各个组件的设计,以实现整体减轻重量的目标。

(3)降低行驶阻力,提高高速火车的空气动力学性能,提高高速火车流线型结构的设计水平,实现减阻节能。

(4)使用自动/辅助驱动技术来实现最佳操作控制,提高能源利用效率并减少能耗。

(5)使用低能耗的设备技术,例如发光二极管(LED)照明技术,并使用高效的智能空调来实现余热利用。

(6)使用可生物降解,无污染,高阻燃性的合成酯油作为变压器冷却油。

低能耗不仅可以降低火车运营成本,而且可以进一步增强高速铁路作为一种环保运输方式的能耗优势。ICE3和ICE4都将进一步降低能耗,这是火车设计的主要重点。在700系列的基础上,N700和N700A高速列车改善了车厢照明,并增强了节能和环保性能。例如,火车厕所使用LED照明技术,座椅由新设计的100%可回收聚酯材料制成,转向架侧面板从纤维板更改为不锈钢,并且逆变器通过行进的风冷系统实现了无风扇化。

(4)降低生命周期成本

为节省成本,需要考虑的因素包括:设计成本,制造成本,运营成本,维护成本等。模块化设计是用于减少制造周期和成本;同时,一些公司使用双层EMU火车来降低成本和增加收入。主要有法国TGV双工。日本的E4系列动车组也采用双层动车组设计。另外,基于定期维护的传统维护模式存在一定的维护过度和维护不足。车载状态和故障信息通过车地无线通信传输到车辆维修站,状态维护代替了传统的计划维修。提高维护效率和降低维护成本的主要手段是各国普遍使用的。

复兴型动车组的使用寿命为30年。考虑运维成本,采用对接统一设计。实现动车组的相互重新连接,抢救和热备份,提高利用率,降低运营成本。动车组采用标准化,序列化和模块化的设计,减少了备件的种类和数量,并降低了操作,维护和维修的成本。EMU控制网络采用列车级别的有线列车总线(wiredtrainbus,WTB),车辆级别的多功能车辆总线(MVB),用于维护网络的以太网以及用于车对地通信的4G移动通信技术,如图所示图11中的EMU配备了无线传输设备,可以实现故障数据的存储和远程数据无线传输的功能。地面专家系统接收无线传输数据并将其导入数据库。该应用平台可以实现动车组运行状态监控,故障预警,安全评估,辅助维护,运维决策支持等功能。通过建立故障预测与健康管理(PHM)模型,实现维修系统和智能化。复兴动车组的零部件管理得到进一步优化。

图11网络控制通信系统使用TCN%2B以太网%2B4G移动通信的技术架构:GPRS:通用分组无线业务(基于GSM);WLAN:无线局域网;ECNN:以太网编组网络节点;EGWM:带有以太网接口的网关模块;EVCM:带有以太网的车辆控制模块接口;EDRM:以太网数据记录模块;WTD:无线传输设备;AP:接入点;GSM-R:铁路集成数字移动通信系统;CARS:中国铁道科学研究院有限公司;EOAS:EMU驾驶员操纵信息分析系统;PTU:便携式单元(笔记本计算机)

将来,基于智能技术,专家系统的故障诊断模型,大数据分析,数据挖掘等功能,将进一步实现EMU故障的预测,健康评估,以及提前实施"前瞻性"维护,以确保动车组的安全可靠运行,并进一步降低动车组的生命周期成本。

四。结论

总的来说,要实现高铁动车组的高速安全运行,有必要克服轮轨关系,弓形等一系列技术问题。网络关系,减阻和降噪,有必要不断探索新的技术解决方案和先进的技术应用,以提高动车组的综合技术性能。为了吸引旅客,提高火车的舒适度也是许多国家考虑的重要因素。为了满足全球环境可持续性的要求,动车组更加注重节能环保。作为铁路运营公司和动车组制造商,在购买,开发和生产动车组时要更加注意生命周期成本,并综合考虑动车组火车的经济利益。综上所述,技术平台化,综合技术性能提高,节能环保,舒适性和经济性是当前动车组趋势的主要技术特征和发展。

新一轮技术革命,云计算,大数据,物联网,人工智能,宽带通信等技术将迅速发展。随着新材料和新工艺的应用和改造,高铁行业正在孕育重大的技术创新需求和发展机遇。加快对智能高铁技术的研究,并将物联网和大数据等新技术应用于高铁的各个专业领域,以打造更安全,更可靠的智能高铁经济高效,温暖舒适,方便快捷,节能环保的系统将成为中国的高铁乃至世界高铁发展的未来趋势。

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