高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室的關鍵研究領域

熊 偉

(長春軌道客車股份有限公司,130062,長春∥高級工程師)

1 高速列車發(fā)展趨勢的預測

1.1 高速列車的運行速度不斷提高

據(jù)統(tǒng)計,從1890年到1990年的100年間,全世界鐵路共創(chuàng)造了17次行車速度紀錄。目前,高速列車的運行速度在不斷提高。1964年10月日本建成了世界上第一條高速鐵路,最高運行速度達到210 km/h。此后,列車試驗速度不斷提高,到1990年5月法國阿爾斯通公司將試驗速度提高到515.3 km/h,2007年法國阿爾斯通公司將最高試驗速度提高到574 km/h。

目前,新建高速鐵路的高速列車運行速度可以達到300～350 km/h,而既有線的高速列車運行速度可以達到200～250 km/h。

1.2 對高速列車可靠性、可用性、維修性和安全性的要求不斷提高

隨著鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展和市場競爭的日益加劇,對高速列車可靠性、可用性、維修性和安全性(RAMS)的要求不斷提高。鐵路用戶在招標采購高速列車時,不但對高速列車的結(jié)構(gòu)形式和性能(速度、功率、牽引力和動力學性能等)提出嚴格要求,而且還要對高速列車的RAMS提出定量指標,在與生產(chǎn)制造商簽訂購買合同時規(guī)定了可靠性指標(如故障率)、維修性指標(如平均修復時間)、可用性指標(如利用率、完好率),并在列車交付使用后進行驗證。

1.3 降低高速列車的壽命周期成本

對于用戶來說,不僅要求高速列車在使用期內(nèi)安全、可靠和易于維修,而且還要求經(jīng)濟性好。經(jīng)濟性好指的是在高速列車的整個壽命周期中所發(fā)生的費用為最少。這種最佳費用的概念貫穿在高速列車從論證到報廢的整個壽命周期中,這就是壽命周期成本(LCC)。它是衡量高速列車經(jīng)濟性的最合理指標。高速列車的制造廠家應用LCC分析和性能分析比較對高速列車產(chǎn)品進行設計優(yōu)化,在設計階段就可以對維修方案、保障資源的配置進行籌劃和評估,以達到優(yōu)化高速列車總壽命周期成本的目的。

2 國內(nèi)外高速列車實驗室對比

國外高速列車制造企業(yè)都建有功能齊全、設施完備的試驗檢測基地,為其產(chǎn)品開發(fā)提供強大的試驗驗證。

作為高速列車的世界級研發(fā)企業(yè)——德國西門子、法國阿爾斯通等公司,都擁有世界上最先進的試驗中心,建有針對高速列車系統(tǒng)集成、車體、轉(zhuǎn)向架、電氣、環(huán)境等技術的專門實驗室。

這些試驗中心主要進行：高速列車車體與轉(zhuǎn)向架自振頻率的控制研究;牽引傳動控制與列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的通訊協(xié)議的研究、制定;空氣制動與電制動的最優(yōu)匹配,制動系統(tǒng)關鍵零部件的可靠性研究;輪軌之間和弓網(wǎng)之間的匹配關系研究;新材料、新技術的研究和應用,并不斷優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)設計,實現(xiàn)車體輕量化;車體動力學外形、強度、剛度、固有頻率等的研究;圍繞轉(zhuǎn)向架在高速運行時的穩(wěn)定性(安全性指標)、平穩(wěn)性(舒適性指標)和可靠性,進行懸掛參數(shù)的設計、制造、實驗及優(yōu)化;高速列車及零部件的振動與沖擊研究,噪聲控制和溫濕度條件下的耐久性研究,檢測車輛和零部件在動態(tài)運用中的疲勞強度、剛度、振動模態(tài)、噪聲、電氣性能等指標,從而保證產(chǎn)品的安全性和可靠性。

這些試驗中心都相應配備了適合系統(tǒng)集成、車體、轉(zhuǎn)向架、電氣、環(huán)境等試驗的設備和人才,以滿足高速列車的試驗需求,使高速列車能夠順利投入運營。

國內(nèi)以往還未建立高速列車領域的國家工程實驗室。長春客車股份有限公司經(jīng)過不懈努力,并于2008年10月獲得國家發(fā)展和改革委員會的批復,開始建設我國高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室;并將以世界一流企業(yè)為目標,緊緊圍繞高速列車系統(tǒng)集成、車體、環(huán)境、轉(zhuǎn)向架及電氣等技術的研究,建成國內(nèi)一流、具備國際先進水平的高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室。

3 我國高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室的關鍵研究領域

根據(jù)組建我國高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室的指導思想與“堅持強化保障,力爭重點突出”的建設原則,緊緊圍繞高速列車系統(tǒng)集成、車體、環(huán)境、轉(zhuǎn)向架及電氣等技術的研究,建設高速列車系統(tǒng)集成技術、車體輕量化技術、環(huán)境試驗技術(噪聲、振動等)、高速轉(zhuǎn)向架技術、電氣試驗技術等方面的試驗研究設施,建成國內(nèi)一流、具備國際先進水平的高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室,以滿足我國高速列車的研制開發(fā)需求,為我國高速列車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎。該項目建設完成后,將具備高速列車系統(tǒng)集成、車體、轉(zhuǎn)向架、環(huán)境及電氣等技術的研究、開發(fā)和試驗能力。現(xiàn)將我國高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室的關鍵研究領域介紹如下。

3.1 高速列車系統(tǒng)集成試驗

系統(tǒng)集成技術是實現(xiàn)高速列車各系統(tǒng)如牽引傳動、電氣、制動、列車網(wǎng)絡等,以及涉及的零部件的參數(shù)及性能匹配驗證,在保證高速列車安全的前提下達到列車整體性能最優(yōu)。

一列動車組大約有 8 000個零部件組成,涉及到電子、微電子、計算機、網(wǎng)絡、通信等技術,涉及到機械加工、非金屬等。在生產(chǎn)過程中,直接參與設計的企業(yè)達100多個。因此,長春軌道客車股份有限公司作為高速列車研發(fā)、制造的主機廠,掌握并創(chuàng)新高速列車的系統(tǒng)集成技術是公司理應承擔的首要技術突破點。

高速列車系統(tǒng)集成試驗涉及到鋁合金車體、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動及控制系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等系統(tǒng)的接口與集成技術;同時也涉及到空調(diào)系統(tǒng)、車鉤緩沖裝置、連接風擋、車門、車窗、受電弓、整體衛(wèi)生間與集便裝置、內(nèi)裝等關鍵部件與車體的接口技術。高速列車系統(tǒng)集成試驗是進行整列車的系統(tǒng)集成,以保證高速列車的整體性能為最優(yōu)。

通過科學試驗,研究和解決高速列車的編組與動力配置原則及管理,以及車輛動力學仿真設計,牽引及制動特性的確定,牽引、制動系統(tǒng)與網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的接口關系等問題;試驗研究鋁合金車體、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動及控制系統(tǒng)(主變壓器、牽引變流器、牽引電機)、列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)之間的匹配與協(xié)調(diào)關系;重點研究解決鋁合金車體與轉(zhuǎn)向架之間、牽引傳動裝置與轉(zhuǎn)向架之間、牽引傳動控制和制動系統(tǒng)與列車網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的匹配關系;通過試驗研究制定空調(diào)系統(tǒng)、車鉤及緩沖裝置、車門、車窗、集便裝置、受電弓、風擋裝置、整體衛(wèi)生間、內(nèi)裝等關鍵部件或子系統(tǒng)與車輛的接口關系,并實現(xiàn)各項性能指標。

3.2 高速列車車體試驗

采用新材料、新技術,進行車體結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化,實現(xiàn)車體輕量化,并進行車體強度、剛度、固有頻率等的研究和車體氣密性研究;進行防火、環(huán)保、減振降噪性能良好的耐用車輛內(nèi)裝材料的研究。

高速列車的重要技術之一是要輕量化。速度為200 km/h的高速列車每牽引1 t質(zhì)量大約要消耗12 kW功率;速度為300 km/h時,每牽引1 t質(zhì)量大約要消耗功率16～17 kW。因此,世界各國都在列車輕量化上進行了不斷的競爭和發(fā)展。

高速列車車體試驗是在充分研究國外200 km/h動車組和300 km/h動車組鋁合金車體設計制造技術的基礎上,圍繞車體輕量化這一重要課題,并結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有動車組樣車的技術積累和經(jīng)驗,自主創(chuàng)新開展350 km/h及以上速度等級的高速列車車體試驗研究。

通過科學試驗,開展高速列車車體技術要求與參數(shù)的確定及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計。研究高速列車組鋁合金車體強度及固有頻率實驗方法,創(chuàng)新與完善鋁合金車體強度及固有頻率的實驗。通過實驗來研究高速列車鋁合金車體的強度、剛度、氣密強度、耐沖擊強度等的設計理論,及鋁合金車體整體承載結(jié)構(gòu)的分散關鍵部件(部位)的應力設計方法;研究鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)(焊縫)疲勞強度設計方法與手段,及各焊接接頭(焊縫)的后處理工藝和方法等對提高高速列車整體強度的影響。通過實驗來研究高速列車鋁合金車體吸能結(jié)構(gòu)的設計方法、理論依據(jù)和設計手段,開展高速列車鋁合金車體吸能結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計及制造技術的研究、試制與實驗。

3.3 高速列車環(huán)境實驗

環(huán)境實驗是檢測、分析車輛和零部件在動態(tài)運用中的疲勞強度、剛度、振動模態(tài)、噪聲等性能指標,檢測、分析列車在模擬運行條件下,與環(huán)境的相互關系及其影響因素,進而修改設計,以達到高速列車產(chǎn)品與環(huán)境的和諧并保證運行的安全和可靠。

對產(chǎn)品必須進行環(huán)境實驗。環(huán)境會從各個方面使產(chǎn)品性能劣化。如：溫度、生物和污染物會破壞產(chǎn)品表面的保護層,風沙、塵埃和生物會剝蝕產(chǎn)品的表面;振動沖擊會造成應力腐蝕;大氣中的鹽和其他污染物會引起或促進化學腐蝕;溫度濕度會使電子元件受損,產(chǎn)生絕緣擊穿、接觸器不導電、電阻值改變和電性能變壞等。多年來積累的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,環(huán)境引起產(chǎn)品的故障占總故障的52%左右。同時,產(chǎn)品的使用又對環(huán)境產(chǎn)生影響,如噪音、電磁輻射等。因此,不僅要研究環(huán)境對產(chǎn)品的影響,如失效機理和防護措施等,同時也要研究產(chǎn)品對環(huán)境的影響。

高速列車環(huán)境實驗是一個系統(tǒng)工程,可模擬在溫度、濕度、壓力、風、雨等自然環(huán)境下,來檢測車輛和零部件在動態(tài)運用中的疲勞強度、剛度、振動模態(tài)、噪聲、氣密性、電氣性能、空氣動力學等性能指標,從而保證產(chǎn)品的可靠性。

另外,隨著高速列車的發(fā)展,新開發(fā)的客車產(chǎn)品的零部件和整車將越來越需要在運行環(huán)境狀態(tài)下進行可靠性試驗。因此,有必要建立可靠性環(huán)境試驗室,而且隨著新產(chǎn)品的不斷開發(fā),該試驗室的利用率將非常高。

通過科學試驗,重點進行高速列車整車空調(diào)靜止試驗、整車隔熱性能靜止試驗、整車氣密性靜止試驗、采暖試驗,高低溫環(huán)境下的聲、雨泄漏試驗和電氣系統(tǒng)性能可靠性試驗。并在輻射和高、低溫環(huán)境下做橡膠件、車內(nèi)裝飾件、電氣件的耐老化和變形試驗。

3.4 高速列車轉(zhuǎn)向架試驗

轉(zhuǎn)向架試驗主要是完成懸掛參數(shù)的設計、制造、試驗及優(yōu)化,零部件的國產(chǎn)化及可靠性分析。

隨著列車速度的提高,列車所需的牽引功率急劇增加,輪軌作用力也隨之加大,輪軌粘著快速降低,故需要增加制動功率,從而對高速列車轉(zhuǎn)向架提出了更高的要求。為了滿足列車高速運行的需要,高速列車轉(zhuǎn)向架必須保證具有足夠的強度和剛度、高的橫向穩(wěn)定性和運行平穩(wěn)性、良好的曲線通過能力、低的輪軌作用力,并能最大限度地發(fā)揮輪軌間的粘著潛力,具有簡單、可靠、少維修的整體結(jié)構(gòu)。

高速列車轉(zhuǎn)向架試驗是在研究國外200 km/h和300 km/h動車組轉(zhuǎn)向架技術的基礎上,圍繞轉(zhuǎn)向架在高速運行時的穩(wěn)定性(安全性指標)、平穩(wěn)性(舒適性指標)、可靠性、耐久性(疲勞時延)等技術指標,進行懸掛參數(shù)的設計、制造、試驗及優(yōu)化;并進行零部件的國產(chǎn)化及可靠性、耐久性的分析、驗證及優(yōu)化,進而自主地開展350 km/h及以上速度等級的高速列車轉(zhuǎn)向架關鍵技術的研究與創(chuàng)新。

通過科學試驗,研究高速列車輪軌關系,其中包括：車輪踏面的輪軌接觸幾何特性分析(輪徑差、等效錐度、接觸點位置、接觸角和輪軌界面的法向間隙的幾何特征計算分析等);輪軌接觸區(qū)域的力學行為(接觸應力、累積塑性應變、磨損量)計算分析;車輪踏面(包括輪背內(nèi)側(cè)距)對車輛動力學性能和行車安全性的影響,以及由此確定的車輪踏面和鋼軌型面的幾何匹配關系。通過科學試驗,來研究轉(zhuǎn)向架的動力學性能,設計創(chuàng)新關鍵結(jié)構(gòu),其中包括 350 km/h轉(zhuǎn)向架的非線性運動穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和曲線通過安全性的計算模型的建立和動力學仿真優(yōu)化;研究轉(zhuǎn)向架參數(shù)的可靠性,其中包括研究轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的性能和動態(tài)響應與零部件結(jié)構(gòu)、參數(shù)的關系度,以及結(jié)構(gòu)可靠性和參數(shù)的依存關系;研究轉(zhuǎn)向架零部件失效和服役環(huán)境的關系,關鍵部件失效對系統(tǒng)可靠性影響的影響度等內(nèi)容;研究轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)可靠性,其中包括轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞強度、車軸與車輪的疲勞強度、彈簧的疲勞強度,以及制造工藝方法和材料選擇對上述各項疲勞強度的影響;研究高速列車轉(zhuǎn)向架的設計方法、設計準則、制造工藝與方法、臺架試驗和綜合試驗方法及有關標準,以及壽命管理方法的運用等。

3.5 高速列車電氣試驗

車輛電氣是高速列車的重要組成部分。隨著現(xiàn)代電氣、電子技術的進步,車輛電氣的結(jié)構(gòu)日益復雜,除了照明、飲食、衛(wèi)生、通信信息、空氣質(zhì)量控制,以及空調(diào)、自動門控制、安全防護等設備外,高速列車網(wǎng)絡系統(tǒng)、電氣制動系統(tǒng)、牽引變流系統(tǒng)等在保障列車的舒適性、安全性等方面起到了重要作用。車輛電氣試驗主要用于新產(chǎn)品開發(fā)過程中的系統(tǒng)部件選型、試驗驗證和專題研究等。

通過科學試驗,研究高速列車的牽引變流系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)及其設計,研究牽引變流系統(tǒng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計、牽引變流系統(tǒng)的集成化技術、系統(tǒng)控制策略,以及高速牽引電機的設計與優(yōu)化大功率變流系統(tǒng)的電磁兼容性設計技術等;研究受電弓在350 km/h高速下的受流特性和空氣動力學特性;研究牽引系統(tǒng)輸入電流諧波的優(yōu)化技術、變壓器電氣性能與散熱系統(tǒng)設計、高壓系統(tǒng)的控制與監(jiān)視;研究牽引變流器系統(tǒng)的箱體、電氣元件、功率模塊、驅(qū)動單元、保護單元、冷卻系統(tǒng)、接口單元、開關單元等的設計和優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局;研究牽引控制單元的四象限控制、中間直流環(huán)節(jié)控制、逆變器控制、各種開關控制、逆變器監(jiān)控、防空轉(zhuǎn)防滑行、內(nèi)部自診斷、與中央控制單元的通信功能的設計與優(yōu)化等;研究牽引變流器與牽引控制單元的電磁兼容設計。通過科學試驗,還研究高速列車基于TCN的網(wǎng)絡體系構(gòu)建的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)技術,研究網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有所不同的動車組的網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)成、各子系統(tǒng)的功能、各子系統(tǒng)之間的功能接口及規(guī)范、中央控制單元監(jiān)視、控制功能、重要網(wǎng)絡設備及通道的冗余功能、各子系統(tǒng)診斷功能、總體系統(tǒng)診斷功能、人機接口顯示功能等;研究350 km/h及以上速度等級的高速列車重聯(lián)控制、輔助控制,各種信息及故障顯示以及各系統(tǒng)網(wǎng)絡接口關系等。

4 結(jié)語

通過高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室的關鍵技術研究,將有利于整合鐵路機車車輛現(xiàn)有資源,為這一行業(yè)“產(chǎn)學研”有效互動搭建平臺,從產(chǎn)業(yè)技術源頭上強化技術創(chuàng)新體系布局,以提高高速列車的持續(xù)創(chuàng)新能力,同時也可完善我國的技術創(chuàng)新體系,為我國高速列車產(chǎn)品的試驗驗證提供基礎保證。該研究還將有利于本行業(yè)在磁浮列車、城市軌道交通客車等技術領域的自主創(chuàng)新,可促進軌道交通技術領域的全面發(fā)展,以滿足國民經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾日益增長的物質(zhì)需求;并可為研制重大技術裝備,保障重點工程的順利實施創(chuàng)造必要條件,為掌握高新技術,加速新興產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展建立有效手段,為聚集、培養(yǎng)創(chuàng)新能力突出的高層次人才營造良好環(huán)境。

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