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高速動車組技術發展特點及趨勢

2020-09-15 16:17:33 來源:中國工程院院刊 趙紅衛,梁建英,劉長青

實現高鐵動車組的高速安全運行,需克服輪軌關系、弓網關系、減阻降噪等一系列技術難題,不斷探索新技術解決方案和先進技術應用,提升動車組綜合技術性能。文章系統梳理了世界高速列車的發展歷程,分析了高鐵動車組提升綜合技術性能的方式方法,總結了改善舒適性與降低壽命周期成本的具體措施。加快智能高鐵科技攻關,將物聯網、大數據等新技術應用在高鐵各專業領域,打造更加安全可靠、經濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節能環保的智能高鐵系統將成為中國高鐵乃至世界高鐵發展的未來趨勢。

      中國e車網訊:從世界范圍來看,高速鐵路及高速動車組發展大致可以分為3個歷史時期,分別是初步運營期、線路平臺擴展期和快速發展期。中國高速動車組技術發展歷經自主探索、引進消化吸收再創新和全面自主創新3個階段,目前動車組產品覆蓋時速250km、300km、350km及以上速度級,能夠適應不同線路、不同環境條件和不同運輸需求。
      近期,中國工程院院刊《Engineering》刊發的《高速動車組技術發展特點及趨勢》中指出,實現高鐵動車組的高速安全運行,需克服輪軌關系、弓網關系、減阻降噪等一系列技術難題,不斷探索新技術解決方案和先進技術應用,提升動車組綜合技術性能。文章系統梳理了世界高速列車的發展歷程,分析了高鐵動車組提升綜合技術性能的方式方法,總結了改善舒適性與降低壽命周期成本的具體措施。加快智能高鐵科技攻關,將物聯網、大數據等新技術應用在高鐵各專業領域,打造更加安全可靠、經濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節能環保的智能高鐵系統將成為中國高鐵乃至世界高鐵發展的未來趨勢。

       一、世界高速列車發展歷程
      國際鐵路聯盟(International Union of Railways, UIC)對高速鐵路定義為:新線設計速度250 km·h–1以上,提速線路速度達到200 km·h–1的鐵路。我國對高速鐵 路的定義為:新建設計開行250 km·h–1(含預留)及以上動車組列車初期運營速度不小于200 km·h–1 的客運專線鐵路。從世界范圍來看,高速鐵路及高速動車組發展大致可以分為3個歷史時期,分別是初步運營期、線路平臺擴展期和快速發展期。
      (一)初步運營期(20世紀60年代至70年代末)
1964年10月1日,世界第一條高速鐵路——東海道新干線(東京—新大阪)在日本誕生。當時投入運營的高速動車組為0系,由6節動車編組而成,最高運營速度為210 km·h–1。
      (二)線路平臺擴展期(20世紀80年代初至20世紀末)
該階段高速鐵路發展從日本擴展到了歐洲,法國、德國、意大利等國家也紛紛建設和開通高速鐵路,并采用不同的技術路線研制出具有各自特點的新型動車組平臺,動車組型號不斷豐富,技術性能不斷提升,最高運營速度逐步提升到了300 km·h–1。
      法國于1983年開通了LGV(ligne à grande vitesse)東南線(巴黎—里昂),該線路的開通運營是世界高速鐵路運營速度達到300 km·h–1的轉折點,也是高速鐵路范圍從日本擴展到歐洲的開端;后來又逐漸開通了LGV大西洋線(巴黎—勒芒/圖爾)等線路,分別采用阿爾斯通公司研制生產的TGV (trains à grande vitesse )系列高速列車,最高運營速度達到300 km·h–1。德國于1991年開通了漢諾威—富爾達—維爾茨堡、曼海姆—斯圖加特高速鐵路,最高運營速度均達到250 km·h–1,均采用西門子公司研制生產的ICE1、ICE2等動力集中型高速動車組。意大利于1992年前分段開通了羅馬—佛羅倫薩高速鐵路,最高運營速度為250 km·h–1,采用FIAT (Fabbrica Italiana Automobili di Torino)公司(后被阿爾斯通公司控股)獨立研制的ETR450、ETR460等型號的動力分散式擺式高速列車。西班牙開通了馬德里—塞維利亞高速鐵路,采用從法國阿爾斯通引進技術的S100型動力集中型動車組等,最高運營速度為300 km·h–1。日本的新干線技術體系繼續發展,高速動車組沿著動力分散的技術路線,逐漸推廣應用了100系、200系、300系、400系、500系、700系等多種型號的高速列車,以及E1系、E2系、E3系等型號高速列車,其中500系動車組于1997年最高速度達到300 km·h–1。
      可以看出,該階段世界高速動車組技術已經相對成熟,涌現出動力集中和動力分散不同技術路線,擺式列車和非擺式列車也相繼涌現,型號不斷豐富,速度不斷提升,西門子、阿爾斯通等幾大制造商已初具規模和雛形,高速鐵路所發揮出的巨大效應也為經濟社會發展帶來了新的生機和活力。
      (三)快速發展階段(21世紀以來)
      進入21世紀初,世界高速鐵路快速發展,美國、俄羅斯、韓國、波蘭、中國等國家開始發展高速鐵路,尤其是中國高速鐵路的快速崛起,極大地帶動了世界高速鐵路的發展。僅21世紀以來的頭10年中,世界范圍內新建高速鐵路近15 000 km,是此前30多年新建高速鐵路總體規模的3倍多。
      與高速鐵路線路相伴而生,高速動車組性能不斷優化,動車組平臺化趨勢愈加明顯。法國研制并運營了TGV POS (Paris-Ostfrankreich-Süddeutschland)、TGV Réseau Duplex動車組,以及TGV Duplex Dasye、TGV Duplex RGV2N2、TGV Océane等型號雙層動車組,最高運營速度均可達320 km·h–1;此外,阿爾斯通公司還轉變以往動力集中的路線,研制成功了動力分散型的動車組AGV(automotrice à grande vitesse,已經用于意大利民營鐵路公司NTV的運營)。德國也改變了以往動力集中的技術路線,研制并運營了動力分散型的ICE3和新型ICE3動車組,最高運營速度為300 km·h–1;研制了ICE4型動車組,開辟了可靈活編組動車組的先河,并有多項技術創新,最高速度為250 km·h–1;此外,為了適應既有線路多曲線的要求,還研制了電力擺式動車組ICET(最高速度為230 km·h–1)和內燃擺式動車組ICETD(最高速度為200 km·h–1)。意大利應用了設計速度為400 km·h–1、計劃運營速度為360 km·h–1的紅箭1000型動車組,為非鉸接式、動力分散型、8節編組單層列車,目前最高運營速度為300 km·h–1。日本東北新干線上投入運營了E5、E6系動車組,東北新干線上投入運營的H5系動車組,最高運營速度均為320 km·h–1,其中H5系動車組可以適應北海道地區多雪寒冷的氣候環境。該階段動車組制造商開始拓展海外市場,例如,西門子公司Velaro E系列動車組技術輸出到西班牙、俄羅斯等國家,阿爾斯通公司的TGV技術輸出到韓國、美國等國家。
      總體來看,世界動車組經過多年的發展已經形成模塊化、系列化產品。其中,德國ICE系列動車組已經囊括ICE1、ICE2、ICE3、ICE3M以及ICE4等車型。法國TGV高速列車已發展到第四代,其中,第一代為TGV-PSE、郵政高速列車,第二代為TGV-A、AVE、TGV-R、TGV-TMST(歐洲之星)、TGV-PBKA等型號,第三代為TGV-2N等型號,第四代為AGV高速列車。日本高速動車組列車形成兩大系列,其一為以百位數字表示的高速列車,從0系開始,發展出100系、200系、300系、400系、500系、700系、800系及N700系;其二為E系高速列車,有E1、E2、E3、E4、E5等型號。這種模塊化、平臺化的趨勢,便于在平臺化的基礎上針對多樣化的市場需求,通過編組變化、模塊化設計等手段,滿足各種運用模式和運營環境的需求,而且有利于列車的升級、縮短考核時間和準入流程。
      (四)中國高速鐵路發展
      中國高速動車組技術發展歷經自主探索、引進消化吸收再創新和全面自主創新三個階段。目前動車組產品覆蓋時速250km、300km、350km及以上速度級,能夠適應不同線路、不同環境條件和不同運輸需求。
      自主探索階段開始于20世紀末,1997年中國開始第一次大提速,1999年秦皇島—沈陽(秦沈)客專開工建設,設計時速250km;期間自主研發了“中華之星”和“先鋒號”等動車組。
      引進消化吸收再創新階段開始于2003年,2004年中國政府發布了《中長期鐵路網規劃》,提出規劃建設“四縱四橫”高鐵網。北京—天津(京津)線、鄭州—西安(鄭西)高鐵、上?!暇麑帲┚€、北京—上海(京滬)線和哈爾濱—大連(哈大)線等線路陸續開通運營。這個階段中國從龐巴迪、川崎、西門子和阿爾斯通分別引進了4種原型動車組并打造了CRH1、CRH2、CRH3和CRH5共4個和諧號動車組平臺。其中,時速300 km及以上動車組平臺包括CRH2C、CRH3C和380系列動車組。CRH2C和CRH3C是設計時速為300~350 km的動車組,CRH2C為6M2T(M為動車,T為拖車),CRH3C為4M4T,均在2008年投入運營。380系列均為時速350 km等級動車組。CRH380A采用6M2T形式,CRH380AL采用14M2T;CRH380B、CRH380D均為8輛編組列車,采用4M4T形式;CRH380BG基于CRH380B,專門為高寒地區應用而設計;CRH380BL、CRH380CL型動車組均為長編動車組,專門為京滬、北京—廣州(京廣)等長大干線應用而設計,采用8M8T編組形式。以上和諧號系列動車組,當前實際運營速度均為300 km·h–1。
      我國2013年開始自主創新階段,中國鐵路總公司牽頭組織研制具有自主知識產權的復興號中國標準動車組。復興號系列動車組有CR400AF和CR400BF兩個平臺,為8輛編組動車組(4M4T),設計速度為350 km·h–1,當前實際運營速度為350 km·h–1。2018年為適應京滬等長大干線運輸需求,分別推出CR400AF-A、CR400BF-A和CR400AF-B、CR400BF-B動車組,A和B分別為8M8T和8M9T形式。
      截至2019年10月,中國已擁有高速動車組3480標準組,已累計運輸旅客突破100億人次。目前,中國已成為高鐵運營速度最高、規模最大、運營場景最為豐富的國家。
      二、提升綜合技術性能
      高速鐵路是一個復雜的系統,作為移動裝備的高速動車組,它與固定基礎設施包括接觸網、軌道以及周邊的空氣都形成了耦合關系。從某種意義上看,這種關系甚至比公路車輛、飛機、船舶等其他交通系統都更加復雜。要進一步提升高速動車組的綜合性能,必須要處理好這幾個耦合關系,除此之外,還要解決好牽引和制動控制技術,提高牽引和制動性能,同時進一步提升行車安全監測水平等。
      (一)優化輪軌關系問題,保證良好動力學性能
      在各種耦合關系中,輪軌關系是最基礎和決定性的約束關系。高速動車組依靠輪軌黏著產生牽引力和制動力,也依靠輪軌接觸力獲得垂直定位(支撐)和水平定位(橫向導向)。受輪軌關系制約,高速動車組達到一定速度時轉向架會出現固有的蛇行失穩現象(橫向穩定性),動車組在理論上的最高極限速度在很大程度上受限于蛇行臨界速度。因此高速動車組在最高運營速度下,既需要足夠的安全裕度,也需要足夠的臨界速度裕度。按《高速電動車組整車試驗規范》(鐵運〔2008〕28號)的規定,高速列車在試驗認證時必須通過比最高運營速度高出10%速度下的動力學性能試驗,對包括運行穩定性、橫向穩定性、運行品質和運行平穩性試驗在內的動力學性能進行驗證。
      影響動車組運行穩定的因素有很多,僅從動車組本身來看,轉向架的結構和懸掛是主要因素。世界各國提高列車動力學性能的研究都以轉向架的開發為先導,以輪軌關系的研究為基礎。
      CR400AF/BF復興號動車組采取全新的轉向架構造、懸掛連接與牽引方式,以實現整體輕量化設計,減小轉向架簧下質量和優化轉向架與車體之間的懸掛參數,具有安全舒適、線路適應性強、可靠性高、易維護性的特點,轉向架在設計時考慮了以下主要因素。
      (1)線路適應性。由于中國高速鐵路線路長,運營區間跨度大,轉向架需要充分適應自然環境條件、線路條件和運營條件等方面的差異
      (2)運行安全性。轉向架技術涉及輪軌動力學、靜強度和疲勞強度設計理論,需考慮輪軌關系與轉向架結構和懸掛的匹配,保障其安全性、橫向穩定性和結構強度具有充足的裕量。
      (3)舒適性設計。轉向架需在設計上保證車輛具有優良的乘坐舒適性能。為了使高速運行中的列車保持平穩,在轉向架的結構上采用了兩級懸掛來隔離簧下振動,抑制車輛的振動,列車車廂內振動加速度值需小于2.5 m·s–2。通過仿真計算、實驗室臺架試驗與線路試驗相結合的方法完成動力學性能分析,確定了懸掛系統方案,優化了懸掛參數。
      (4)可靠性設計。配備大柔度空氣彈簧和高阻尼抗蛇行減振器的無搖枕轉向架取代了早期結構復雜、零部件繁多、帶有搖枕甚至搖動臺以及摩擦式旁承的客車轉向架,極大地簡化了結構,提高了運用可靠性。
      (5)輕量化設計。通過結構優化并引入新型高強度輕型材料,減輕構架質量,降低簧下質量。通過有限元分析,對轉向架構架進行靜強度和疲勞強度評估以及模態計算,對轉向架進行結構優化,部分零部件合理地采用了輕型高強度材料。
      (6)易維護性設計。采用模塊化設計,便于轉向架主要的零部件的拆卸和檢修?;谳嗆壗佑|關系和轉向架的輪對定位方式及參數優選車輪外形,結合薄輪緣鏇修技術,延長車輪鏇修周期和車輪使用壽命。
      (7)運行安全監測。設置轉向架橫向失穩監測、軸抱死監測和輪對軸承溫度監測裝置,設置安全閾值提前預警或報警,確保走行部運行安全。
      復興號動車組分為CR400AF和CR400BF兩種平臺,每一平臺轉向架又分為動力轉向架和非動力轉向架,兩種平臺轉向架在結構上均采用兩軸無搖枕輕量化結構,拖車轉向架主要由構架、輪對、軸箱定位裝置、一系懸掛、二系懸掛、基礎制動裝置以及轉向架輔助組成,動車轉向架另外裝有齒輪箱和電機驅動裝置。CR400AF動車轉向架和拖車轉向架分別如圖1和圖2所示。轉向架承載能力設計指標為軸重17 t。實驗室滾振試驗結果證明,動車組轉向架臨界速度超過550 km·h–1。線路測試結果表明,復興號動車組運行平穩性明顯優于和諧號動車組,在京滬線以350 km·h–1運行時,車體橫向平穩性均值降低約21%,車體垂向平穩性均值降低11%。
圖1 CR400AF動車轉向架 
圖2 CR400AF拖車轉向架
      (二)解決弓網關系問題、保障高速運行條件下良好受流
      弓網關系是高速鐵路系統中又一對很重要的耦合關系。安裝在動車組上高速運動的受電弓需要與固定的接觸導線緊密接觸以實現良好受流,兩者之間存在摩擦,還要傳輸巨大的電力。
      對于300 km·h–1以上的高速鐵路,弓網受流性能直接影響列車的運行速度和運行安全,弓網接觸力、燃弧、受電弓滑板垂向加速度等指標尤為重要。隨著動車組速度的提高,受電弓弓頭和接觸線的振動幅度加大,導致弓網的接觸力波動劇烈,受流質量下降。如果弓網的劇烈振動使得弓網之間接觸力降低到零,那么弓網會脫離產生電弧,灼傷接觸線和受電弓,也可能引起電能傳輸中斷,影響列車的運行安全。如果接觸力過大,會使得接觸線抬升量超過允許值,引起弓網磨耗損失,甚至造成弓網事故。
      CR400AF/BF復興號動車組在弓網關系優化方面采取了以下技術措施。
      (1)合理匹配弓網參數。對高速運行時接觸網和受電弓系統動態受流性能進行計算和仿真分析,選擇合理匹配的弓網參數,以達到良好受流性能。
      (2)采用主動控制受電弓。對受電弓進行主動控制,改善受電弓對接觸線的跟隨性能,使得弓網接觸力保持在合理范圍之內,減小接觸線與受電弓滑板磨耗,延長使用壽命,增強動車組線路運行的適應性。高速動車組受電弓的幾何形狀必須與接觸網相兼容,使受電弓與接觸導線具有良好的接觸性能。弓網之間的摩擦和磨損是不可避免的,但要避免接觸導線和受電弓滑板過度磨損。
      (3)優化動力學性能。從提高受電弓的動態性能、空氣動力學性能和弓網動力學性能幾個方面改善弓網關系,提高受流質量。通過穩定受流技術減少電弧發生的數量,降低接觸受流損耗率,以減輕接觸導線承受過度的壓力,同時降低弓網接觸區域的磨耗。
      (4)強度分析。對受電弓的整體進行強度計算,對受電弓部分零部件進行強度校核,使受電弓整體和各部件的靜強度具有較大的安全余量。
      (5)快速降弓保護功能。采用不受電氣控制的緊急降弓系統,保證在突發弓網事故時,1s內弓頭下降200mm以上,從而保證列車及供電系統安全。
高速弓網關系是各國高速鐵路研究的主要技術方向之一,歐洲鐵路公司正在研究采用多電壓兼容的受電弓技術,以減少受電弓數量。減少受電弓的數量可減輕列車重量以及空氣運行阻力和接觸噪聲,還能降低生產和維護成本,每列車僅使用一個受電弓是最理想的。在這種情況下,受電弓的設計和備用受電弓的安裝必須考慮電流容量,多流制動車組需要采用單一的多電壓兼容的受電弓。
      (三)提高牽引動力性能,優化電機控制及黏著控制策略
交流傳動技術的發展一方面由于功率半導體和變流技術的進步,另一方面取決于日臻完善的控制方法和控制裝置。后者能夠使變流器-電機整個系統具備優異的控制性能,以滿足不同應用場合的要求。具體性能要求包括:平穩啟動、抑制車輪空轉和滑行、再生制動、較寬的調速范圍等。
CR400AF/BF復興號動車組為了達到動車組總體技術條件要求,即動車組定員載荷在平直道上,牽引能力滿足:
      (1)0~200 km·h–1的平均加速度不小于0.4 m·s–2;
      (2)350km·h–1運行時的剩余加速度不小于0.05 m·s–2。
      CR400AF、CR400BF型動車組牽引/再生制動特性曲線如圖3、圖4所示。
圖3 CR400AF型動車組牽引/再生制動特性曲線
圖4 CR400BF型動車組牽引/再生制動特性曲線
      從系統效率、電壓及電流、電氣參數、機械接口及重量等方面開展CR400AF/BF復興號動車組牽引系統設計和設備研制,優化系統匹配參數,通過仿真分析和試驗,最終獲得了優異的牽引系統性能。
      (1)在牽引系統輕量化設計方面,整車功重比約為20.7 kW·t–1,牽引系統效率在0.85以上。牽引系統主要組成部件功率密度顯著超過相同速度等級的“和諧號”動車組,其中,①牽引/輔助變流器功率密度高達0.82 kV·A·kg–1,CRH380A功率密度為0.43 kV·A·kg–1,CRH380B功率密度為0.63 kV·A·kg–1;②牽引變壓器功率密度為0.99 kV·A·kg–1,功率密度高于CRH3C的0.91 kV·A·kg–1;③牽引電機功率密度為0.909 kV·A·kg–1,功率密度高于CRH380B的0.78 kV·A·kg–1。


      (2)在動車組牽引散熱系統冷卻能力設計方面,充分考慮了中國高速鐵路運用環境,在滿負荷運行下還有15%的余量,即使在中國獨有的楊柳絮滿天飛舞的春季,牽引系統仍能可靠工作。因此,牽引變流器箱體濾網的清潔周期縮短,變流器過溫故障也隨之減少,動車組的可用性從而得到改善。
      (3)在牽引系統控制方面,優化了高速動車組牽引傳動系統控制策略,實現對牽引變壓器、牽引變流器、牽引電動機等設備的高性能控制和完善的故障診斷,滿足高速動車組啟動和持續高速運行的要求。
      牽引控制系統具有高效、節能、安全可靠的技術特點,具體如下:
      a.采用兩相兩重四象限整流器控制策略,提高系統穩定性和動態響應速度;利用移相技術有效控制諧波,保證再生能量的回收質量;采用基于電流諧波優化的牽引逆變器混合脈寬調制策略,有效改善網側諧波分布,降低對供電網的污染;
      b.采用高性能的牽引電機控制策略,有效抑制牽引電機的轉矩脈動,使大功率牽引逆變器在全速度范圍內達到良好的輸出波形和控制性能。圖5為各載波比切換時刻脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM) 波形。

圖5 各載波比切換時刻PWM波形。(a)11脈波向9脈波切換;(b)9脈波向7脈波切換;(c)7脈波向5脈波切換;(d)5脈波向3脈波切換
      (4)開發和采用新型半導體開關元件,在復興號動車組上首次采用6500V/750A等級關斷電壓高、導通電流大、開關頻率高的絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT),有效減少開關損耗,提高了牽引變流器系統工作穩定性,保證了動車組持續高速運行能力。
      (5)設計了緊急牽引功能,即使動車組網絡控制系統癱瘓時,仍然能夠根據硬線指令發揮牽引力,使列車規避危險地段。
      (6)實現過分相不斷電控制及無火回送/救援自發電功能,在過分相和無火回送過程中空調等輔助系統舒適性負載仍可以正常工作,提高動車組的可用性和服務品質。
      牽引系統及其控制技術一直是動車組產品更新換代的重要決定因素之一。交流異步電動機的控制(調速)技術比直流串勵電動機復雜,較早的交流傳動高速動車組,如日本的300系采用轉差特性控制方法。從20世紀80年代以來,國外三相交流電傳動機車和動車組普遍采用矢量變換控制方法,典型的代表是德國西門子公司的ICE系列高速動車組(包括ICE1~ICE3)。到20世紀80年代中期(1985年),德國和日本分別有人提出了一種先進的控制技術,即直接轉矩控制(direct torque control, DTC)方法,獲得了與矢量控制相媲美的傳動性能,結構也較簡單。目前,國內外高速動車組普遍采用以上兩種控制技術對牽引電動機進行控制。我國復興號動車組CR400AF型動車組采用直接轉矩控制,CR400BF型動車組則采用矢量控制。
      (四)采用多種制動結合方式、優化制動控制和防滑策略
      CR400AF/BF復興號動車組在制動系統控制方面采用了以下關鍵技術。
      (1)系統強化微機直通電空制動系統的性能和可靠性,充分利用再生制動,可方便調節制動力。采用復合制動方式,在常用制動的工況下通常都是以電制動為優先,降低了閘片和制動盤之間的磨耗,保證了節能和環保性;緊急制動實行空-電聯合緊急制動。純空氣緊急制動仍作為最終的安全保障。
      (2)統一由制動系統實施列車制動力的管理、計算和分配,采用統一減速度曲線控制,達到了良好的制動控制性能。
      (3)隨著速度的提高,輪軌黏著系數越來越低,列車制動時出現滑行可能性越來越大,優化了高速制動階段的制動力分配和制動控制防滑策略。
      (4)列車制動動能與速度平方成正比,高速列車制動時將產生巨大熱負荷,研制出承擔熱負荷吸收的制動盤和耐熱裂、抗熱衰退性好的閘片。
      (5)完善系統診斷和故障導向安全控制,動車組制動的安全性主要涉及制動系統的制動能力、可靠性、故障導向安全設計等方面。
      (6)出于可靠性和可維護性考慮,系統具有模塊化和標準化的技術特點。
      CR400AF/BF復興號動車組的制動系統主要由制動控制系統、供風系統、基礎制動裝置等組成,系統構成如圖6所示。
圖6 CR400AF/BF復興號動車組制動系統組成。BP:制動管
      CR400AF/BF制動控制系統負責接收司機或列車自動速度控制系統的制動指令,進行空氣制動和再生電制動力的管理和分配,通過發出制動壓力驅動轉向架上的基礎制動裝置動作產生制動力,或者發出再生制動力指令使牽引系統發揮電制動力。風源系統主要由主空氣壓縮機組、干燥裝置、輔助空氣壓縮機、風缸以及貫穿全列的總風管組成?;A制動裝置由制動盤、制動夾鉗、閘片組成,安裝在轉向架上,動車和拖車均采用氣壓盤式基礎制動裝置,其中拖車采用軸裝制動盤,動車采用輪裝制動盤。
      各國高速動車組普遍采用空電復合制動,但空氣制動仍然是高速動車組最基本的制動方式。以法國為例,除法國第一代TGV采用自動式電空制動外,其余都采用最新的微機控制電氣指令直通電空制動?;A制動方面,第三代和第四代TGV動車組大都采用盤型制動。各國高速動車組在電制動方面主要有電阻制動和再生制動。其中,電阻制動的優點是,一旦電網斷電,動車組仍然可以利用電阻制動產生制動力,安全性較好,缺點是無法實現節能。再生制動的優缺點與電阻制動正好相反,能改善接觸網供電系統的功率因數,從而節約能源。日本除早期的高速動車組采用電阻制動外,其余都采用再生制動。德國ICE系列動車組則從一開始就采用了再生制動。
      (五)解決氣動減阻和車體輕量化問題
      氣動阻力是車輛運行阻力的重要組成,降低氣動阻力成為高速列車減阻的關鍵因素。CR400AF/BF復興號動車組在頭型設計、車體斷面輪廓、車體重量、轉向架區域和受電弓區域等影響列車運行阻力和能耗的主要因素方面開展了大量研究和試驗。動車組降低運行阻力措施如圖7所示。
圖7 動車組降低運行阻力
      (1)頭型優化。采用流固耦合技術及阻力、升力、運行安全性與平穩性、氣動噪聲等多個性能指標的耦合關系分析技術,設計流線型車頭,通過增加長細比例等,改善綜合氣動性能。
      (2)表面平順化。對車頂空調裝置進行平順處理,優化車間風擋連接,優化改進轉向架區域氣動外形等。
      (3)流動控制。通過擾流和溝槽等流動控制技術,修正優化動車組表面流場,減少氣動阻力,減少受電弓流場對受電弓動態性能的影響及空氣阻力。
      (4)車體輕量化。為避免車體輕量化影響車體結構強度、剛度、氣密強度等車輛性能,依據等強度設計理念對車體結構進行優化設計,依靠仿真計算,均衡設計各個部件的載荷率。
      (5)在建立典型高速動車組模型和軌道、隧道等環境模型基礎上,仿真分析動車組以不同速度等級在明線運行、明線交會、隧道通過等不同工況下的空氣流場分布規律。采用仿真分析、風洞試驗、動模型試驗相結合的分析驗證方法,系統研究動車組不同外形的空氣動力學與氣動噪聲性能。
      (6)車體輕量化主要采取材料創新和結構優化結合的方式。復興號動車組在保證車體強度和剛度的基礎上,對生產工藝進行優化改善,整節車廂采用超薄長大中空鋁合金擠壓型材,逐級焊接組成薄壁筒體作為承載結構,有效降低了殘余應力及焊接變形,提升焊接效率。車頭和車體結構如圖8和圖9所示。
圖8 頭車車體結構
圖9 有受電弓中間車車體結構
      通過氣動減阻和車體輕量化設計,CR400動車組運行阻力顯著降低。CR400AF在350 km·h–1時總阻力比CRH380A降低12.3%,CR400BF比CRH380B降低7.5%。
      國內外高速鐵路均著力加強列車空氣動力學設計及研發。日本高速動車組在頭部形狀設計時,對空氣阻力圖7.動車組降低運行阻力。和氣動噪聲、隧道微氣壓波等內容進行深化研究,從0系到500系,高速動車組頭部逐漸長型化。為降低微氣壓波,700系和E4系還開發了獨特的頭車形狀。日本自N700系開始以仿生學外形設計作為高速列車空氣動力學外形設計的理念,其中N700A和N700S采用經過三維仿真優化的“雙翼背鰭流線頭型”,可降低駛入隧道時的氣動力噪聲,車體平滑化和形狀優化可降低運行阻力,歷經N700系、E5系、E6系和E7系等車型的設計經驗趨于成熟。
      為了提高列車運行速度,各國高速列車十分注重輕量化設計。在車體輕量化方面,采用雙殼層結構和模塊化與集成化的結構設計,采用新型結構材料。當前主要車體結構為雙殼層大型中空擠壓鋁型材結構,這種結構已經廣泛地應用于日本的700系、N700系、E6系等主力車型上;德國ICE新型列車上也采用雙殼層結構;意大利ETR1000型高速列車車體外殼以及內部裝飾大量采用輕合金材料,一方面可以實現車體輕量化,另一方面可以實現再生和重復利用。
      (六)采用綜合監控與診斷,保障動車組運行安全
      隨著動車組運行速度的提升,動車組各系統設備狀態和動車組運行安全性問題更為突出,一旦動車組發生軸承溫度超溫、軸抱死滑行、橫向運行穩定性指標超限等故障時,就會存在較大的安全風險。
      為實現對動車組設備狀態和運行安全監控,動車組上安裝有各類傳感器,傳感器連接各系統控制設備,其狀態由控制設備采集,列車網絡系統完成各系統信息共享,實現整列動車組的控制監視與診斷。與列車網絡相連接的設備有:牽引設備、制動和防滑裝置、列車輔助設備(如空調、采暖、通風、照明等)、通信和信號設備、轉向架失穩檢測裝置、軸箱溫度檢測裝置、煙火報警裝置、旅客信息系統、診斷系統等。
CR400AF/BF復興號動車組全車設置監測點2500余項,采集各種車輛狀態信息1500余項,實時診斷動車組運行故障,出現異常時,自動預警或報警。例如,動車組設置輪對、齒輪箱軸承溫度監測和轉向架橫向穩定性監測裝置,當出現預警或報警時,及時提供應急處理和維修建議,并根據安全策略自動控制限速或停車,保證了動車組運行安全性。
      各國高速動車組都在列車上的關鍵部位廣泛安裝各種傳感器,實時監測各個參數,防止發生事故。例如,法國AGV動車組裝有速度監測裝置、動車三爪萬向軸失衡和斷裂監測器、車輛軸溫監測裝置等。龐巴迪公司為意大利鐵路公司提供的ETR1000高速列車在列車網絡系統的基礎上裝備了遠程診斷系統。
       三、改善舒適性與降低壽命周期成本
      為提高舒適性,國內外許多國家采取了包括減小噪聲和振動、增加擺式裝置、加大客室空間、調整座椅間距、引入無障礙設施和車內溫度微調控制等措施。
      (一)優化客室空間
      CR400AF/BF復興號動車組旅客界面設計堅持以人為本,運用人機工程學合理設計旅客乘坐空間、占用空間、通過空間和乘降空間。動車組充分利用車輛限界,車體斷面統一為寬3360mm、高4050mm。CR400AF比CRH380A斷面積增大7%;CR400BF比CRH380B斷面積增大10.5%。復興號動車組車體斷面如圖10所示。
圖10 復興號動車組車體斷面
      CR400AF/BF復興號動車組加裝了無線WiFi系統,實現內外網資源訪問的功能。在動車組內旅客可通過個人終端接入互聯網或訪問列車局域網,進行影音娛樂、游戲互動、應用下載、社交/聊天、電子閱讀等服務。動車組還加裝了座位信息顯示系統,通過互聯網接入12306售票平臺,獲取動車組的售票信息,可進行電子座位號指示及座位售票狀態信息實時顯示。
法國AGV采用低地板式設計,且地板為貫通式,改善乘客上下車的方便程度。此外,很多新型高速列車也采用了優化列車內部結構設計,配置齊備的衛生間、飲水設施,設置殘疾人設施,優化旅客服務信息系統,采取接入無線網絡、增強車內空調性能等措施。
      (二)減振降噪
      動車組車內噪聲控制是一項系統工程,與車體輕量化設計、氣密性設計、車下設備布局、減振結構優化及吸隔聲材料的選型等相關。CR400復興號動車組為提高乘坐舒適性,增大了車體斷面,但同時也造成了氣動噪聲的增大;為降低運行阻力,空調和受電弓等裝置采用下沉安裝,也嚴重影響了該區域的隔聲效果。因此,為降低客室內噪聲水平,在聲源、振源以及傳遞路徑方面開展了車輛減振降噪系統分析,進行綜合治理,例如如下3個方面。
      (1)分析噪聲傳遞路徑,綜合利用隔聲、吸聲方法,設計應用多層復合隔聲、吸聲結構。
      (2)采取流線型設計,降低車輛表面氣動噪聲。
      (3)傳統的隔聲和吸聲減噪措施很難降低由振動引起的低頻結構噪聲,從而需要利用聲振解耦措施以降低結構噪聲。優化車體局部結構、車體局部剛度和阻尼,從而解決車體局部顫振和噪聲問題。
經過一系列的減振降噪措施,CR400AF/BF復興號動車組的車內噪聲指標均優于“和諧號”動車組,在京滬高鐵以350 km·h–1運行時,司機室內和客室內噪聲分別降低1~3dB,受電弓客室端部噪聲降低6~7dB。
      國內外鐵路綜合集成各種新技術以降低列車噪聲,具體措施包括:低噪聲新型結構的受電弓及隔聲板的研制、車體側墻裙板及地板采用新型吸聲材料、車廂間采用疊式金屬擋罩等。如日本E5、E6、E7系動車組采用新型單臂多分割低噪聲受電弓,配合其他降噪措施,可以實現列車速度為320 km·h–1時,環境噪聲維持275 km·h–1的水平。E5還采用低噪聲型受電弓和性能優良的隔聲材料、增大窗戶玻璃隔層厚度;車體側面采用性能良好的隔音材料;轉向架四周加罩,不傳播車下轉動區域噪聲;全列車車體高度變化小,四周平滑,車輛之間不留間隙;車體吸聲材料能有效吸收軌道與車體間的反射噪聲。
      (三)節能環保
      從國內外情況來看,節能環保是高速動車組的重要發展方向之一,其原因來自全球環境可持續發展的要求。CR400AF/BF復興號動車組與國內外機車車輛制造企業一樣,都采取了很多具體措施。
      (1)提高牽引系統的效率,包括采用新型電力變換裝置和牽引電機,采用最優控制策略等。
      (2)降低列車重量等,從優化單個部件的設計入手來達到整體輕量化的目標。
      (3)減小運行阻力,從高速列車空氣動力學方面提高高速列車流線型外形結構設計水平,實現減阻節能。
      (4)采用自動/輔助駕駛技術,達到最佳運行控制,提高能效利用率,降低能耗。
      (5)采用低能耗設備技術,如發光二極管(light emitting diode, LED)照明技術,采用高效智能化空調實現余熱利用。
      (6)采用可降解、無公害、高阻燃的合成酯油作為變壓器冷卻油。
      能耗低不僅能降低列車運營成本,也能進一步增強高速鐵路作為一種環保交通方式在能耗方面的優勢。ICE3和ICE4都將進一步降低能耗作為列車設計的一大重點。N700和N700A高速列車在700系的基礎上,改善了車廂照明,增強了節能環保性能。例如,列車洗手間應用了LED照明技術,座椅采用最新設計的100%可回收的聚酯材料,轉向架側板由纖維板改為不銹鋼,通過走行風冷卻系統實現變換器的無風扇化等。
      (四)降低全壽命周期成本
      成本節約需要考慮的因素包括:設計成本、制造成本、運營成本、維修成本等。通過模塊化設計來降低制造周期和成本;同時有的企業為降低成本,采用雙層動車組列車,降低單位坐席成本,提高收益。主要有法國的TGV Duplex。日本E4系動車組也采用雙層動車組設計。另外,以周期性檢修為主的傳統維修模式,存在一定的過維修和欠維修,通過車地無線通信將車載狀態與故障信息傳輸至車輛檢修站段,以狀態修取代傳統的計劃修,也是各國普遍采用的提高檢修效率、降低維修成本的主要手段。
      復興號動車組壽命為30年??紤]運維成本,采用互聯互通和統型設計。實現動車組相互重聯、救援、熱備,提高使用率,降低運營成本。動車組采用標準化、系列化、模塊化設計,減少了備品備件的品種和數量,降低了運用維護檢修成本。動車組控制網絡列車級采用絞式列車總線(wired train bus, WTB)、車輛級采用多功能車輛總線(multi-function vehicle bus, MVB),維護網采用以太網,車地通信采用4G移動通信技術,如圖11所示。動車組設有無線傳輸裝置,能夠實現故障數據的存儲及遠程數據無線發送功能。地面專家系統接收無線傳輸數據,導入數據庫,應用平臺可實現動車組運行狀態監控、故障預警、安全評價、輔助維修、運維決策支持等功能。通過建立故障預測與健康管理(prognostic and health management, PHM)模型,進一步優化了復興號動車組部件修程修制與智能化管理。

圖11 網絡控制通信系統采用TCN+以太網+4G移動通信的技術架構。

GPRS:通用無線分組業務(基于GSM);WLAN:無線局域網;ECNN:以太編組網網絡節點;EGWM:帶以太網接口網關模塊;EVCM:帶以太網接口車輛控制模塊;EDRM:以太網數據記錄模塊;

WTD:無線傳輸裝置;AP:接入點;GSM-R:鐵路綜合數字移動通信系統;CARS:中國鐵道科學研究院有限公司;EOAS:動車組司機操控信息分析系統;PTU:便攜式單元(筆記本電腦)

      未來基于智能技術、專家系統故障診斷模型和大數據分析、數據挖掘等功能,進一步實現動車組故障預測、健康評估,提前實施“預見性”維修,保障動車組運營安全和可靠,使動車組全壽命周期成本進一步降低。
      四、結語
      總體來看,實現高鐵動車組高速安全運行,需要克服輪軌關系、弓網關系、減阻降噪等一系列技術難題,需要不斷探索新技術解決方案和先進技術應用,以提升動車組綜合技術性能。為了吸引旅客,提升列車的舒適性也是多個國家考慮的重要因素。為滿足全球環境可持續發展要求,動車組更加注重節能環保;作為鐵路運營公司和動車組制造商,在采購和研制生產動車組時更加關注全壽命周期成本,綜合考慮動車組列車的經濟效益。綜上所述,技術平臺化、綜合技術性能提升、節能環保、舒適性和經濟性等特點是當前動車組的主要技術特點和發展趨勢。

      未來,在新一輪科技革命背景下,云計算、大數據、物聯網、人工智能、寬帶通信等技術快速發展,以科技創新為源動力,加快新技術、新材料、新工藝的應用和轉化,高鐵行業孕育著重大的技術創新需求和發展機遇。加快智能高鐵科技攻關,將物聯網、大數據等新技術應用在高鐵各專業領域,打造更加安全可靠、經濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節能環保的智能高鐵系統將成為中國高鐵乃至世界高鐵發展的未來趨勢。

      文章來源:High-Speed EMUs: Characteristics of Technological Development and Trends[J].Engineering,2020,6(3):234-244.)

本文來自中國工程院院刊 趙紅衛,梁建英,劉長青,不代表中國e車網立場,如若轉載,請注明出處

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