高速鐵路機(jī)車車輛關(guān)鍵技術(shù)分析

李國亮

【摘 要】我國高速鐵路的迅速發(fā)展和建設(shè)促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活質(zhì)量提升。機(jī)車車輛技術(shù)作為保證高速鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行安全的重要基礎(chǔ)，所涉及的技術(shù)眾多，加強(qiáng)對機(jī)車車輛技術(shù)的研究，對于提高高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路；牽引傳動；外形空氣動力學(xué)；高速轉(zhuǎn)向架；復(fù)合制動技術(shù)

高速鐵路列車按照動力輪對、驅(qū)動設(shè)備可以分為動力集中型、動力分散型，按照轉(zhuǎn)向架布置、車輛連接方式可以分為獨(dú)立轉(zhuǎn)向架式、鉸接轉(zhuǎn)向架式。高速鐵路機(jī)車車輛所涉及的技術(shù)眾多，交流牽引電機(jī)控制技術(shù)能夠使列車牽引、制動、導(dǎo)向、曲線通過性、運(yùn)行平穩(wěn)性等實(shí)現(xiàn)良好統(tǒng)一。機(jī)車車輛的控制與診斷技術(shù)能夠明確故障位置，提出應(yīng)急處理方案。與此同時，高速鐵路機(jī)車車輛還融合了機(jī)械、電子等多方面的技術(shù)。在我國高速鐵路迅速發(fā)展、加快建設(shè)的大環(huán)境下，在一帶一路的戰(zhàn)略背景下，分析高速鐵路機(jī)車車輛關(guān)鍵技術(shù)，對于推動機(jī)車車輛技術(shù)水平發(fā)展至關(guān)重要。

一、高速鐵路機(jī)車車輛技術(shù)的發(fā)展

在科技技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，我國高速鐵路機(jī)車車輛獲得了較快發(fā)展，逐漸由傳統(tǒng)的蒸汽機(jī)車牽引技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)燃、電力牽引技術(shù)?，F(xiàn)階段，機(jī)車車輛的牽引傳動技術(shù)多采用電力牽引傳動，將外部輸入的電能或自身產(chǎn)生的能源通過電能轉(zhuǎn)化與傳遞，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，以驅(qū)動牽引機(jī)車前進(jìn)。早期運(yùn)行的高速鐵路機(jī)車車輛主要采用的直流電傳動方式，伴隨機(jī)車車輛技術(shù)的發(fā)展和新技術(shù)的引進(jìn)，交流同步傳統(tǒng)、交流異步傳動的出現(xiàn)大大推動了高速鐵路機(jī)車車輛技術(shù)的發(fā)展。

二、高速鐵路機(jī)車車輛關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）牽引傳動技術(shù)

高速鐵路機(jī)車車輛要求啟動加速快，最短時間和距離內(nèi)達(dá)到最高運(yùn)行速度，并實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)行。高速鐵路機(jī)車車輛行駛過程中需克服列車運(yùn)行阻力，減小列車對軌道的作用力，故對牽引動力的要求較高。高速鐵路機(jī)車車輛的牽引動力需要滿足功率大、自重小、軸重輕、黏著力好、控制性能好等作用。牽引傳動技術(shù)能夠可控逆轉(zhuǎn)，加強(qiáng)機(jī)車車輛在高速運(yùn)行狀態(tài)下的黏著利用，牽引傳動裝置無轉(zhuǎn)換向，故對電機(jī)耗損較小。目前在高速鐵路機(jī)車車輛中應(yīng)用較廣泛的牽引傳動技術(shù)是交-直-交變流體系。該技術(shù)是高速鐵路機(jī)車車輛牽引技術(shù)的核心，逆變器是此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，逆變器中的三項(xiàng)主要技術(shù)為電力半導(dǎo)體器件、變流電路結(jié)構(gòu)性能、交-直-交傳動控制技術(shù)。伴隨GTO、IPM、IGBT等技術(shù)的發(fā)展，電壓型逆變器供電鼠籠式異步電動機(jī)傳動方式逐漸應(yīng)用，高速鐵路機(jī)車車輛主電路設(shè)備也逐漸向輕量化、低噪聲、大功率、低維護(hù)等方向發(fā)展。

（二）高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)

高速鐵路機(jī)車車輛有著其特定型號的轉(zhuǎn)向架，既滿足與高速列車總體模式兼容，又能夠提高乘車品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高度鐵路機(jī)車車輛的牽引制動、荷載傳遞和分配、減振降噪等性能的良好統(tǒng)一。高速轉(zhuǎn)向架是高速鐵路機(jī)車車輛走行性能研究的先導(dǎo)，其中穩(wěn)定性是評估高速轉(zhuǎn)向架走行性能的關(guān)鍵指標(biāo)，如車輛運(yùn)行失穩(wěn)，車輛輪對對鋼軌將產(chǎn)生嚴(yán)重橫向沖擊，可能損壞車輪、鋼軌，并導(dǎo)致嚴(yán)重振動和一系列行車事故。高速鐵路機(jī)車車輛對運(yùn)行速度要求較高，這大大增加了“穩(wěn)定性”高速轉(zhuǎn)向架的研發(fā)難度，除了穩(wěn)定性外，高速轉(zhuǎn)向架還必須具備舒適性、曲線通過、輕量化等特點(diǎn)。高速轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵技術(shù)之一是軸箱定位結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段較常用的軸箱定位結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)臂式軸箱定位結(jié)構(gòu)、螺旋彈簧和圓筒橡膠并用等形式。剛度的確定與高速鐵路線路狀態(tài)、機(jī)車車輛運(yùn)行速度、輪軌結(jié)合關(guān)系等有關(guān)。確保高速轉(zhuǎn)向架舒適度的關(guān)鍵技術(shù)在于一系、二系懸掛柔度和減振器參數(shù)。通常高速鐵路機(jī)車車輛會增大一系懸掛柔度，并采用無搖枕結(jié)構(gòu)與抗蛇行減振器、高柔度空氣彈簧等。高速鐵路機(jī)車車輛的高速轉(zhuǎn)向架需要借助電機(jī)及與電機(jī)相協(xié)調(diào)的傳動系統(tǒng)，產(chǎn)程傳遞牽引力與制動力，依據(jù)牽引電機(jī)懸掛方式的不同，可以將機(jī)車車輛高速轉(zhuǎn)向架分為架懸式、體懸式、半體懸式，其中體懸式作為廣泛應(yīng)用的高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)，能夠解決機(jī)車車輛車體與輪對的動態(tài)相對位移。

（三）復(fù)合制動技術(shù)

制動系統(tǒng)的可靠性是高速鐵路機(jī)車車輛行車安全的基本保證。在高速行車條件下，制動系統(tǒng)失靈的后果十分嚴(yán)重。高速鐵路機(jī)車車輛制動系統(tǒng)要求在正常條件下，復(fù)合制動時各種制動形式合理分擔(dān)制動力，一旦其中某種制動形式失靈，其他制動形式可提供補(bǔ)充，確保發(fā)生緊急制動動作時高速列車能夠在規(guī)定距離內(nèi)停車。高速鐵路機(jī)車車輛的制動系統(tǒng)是基于微機(jī)控制、計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)的電氣指令制動，為了避免制動系統(tǒng)失靈，復(fù)雜的控制指令系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了補(bǔ)充措施。高速鐵路機(jī)車車輛的復(fù)合制動系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)、防滑器、非黏著制動裝置等。所謂復(fù)合制動技術(shù)，即高速鐵路機(jī)車車輛不同制動方式的綜合作用模式，正常運(yùn)行狀態(tài)下首先發(fā)揮電制動能力，空氣制動作為補(bǔ)償。失電情況下，主要發(fā)揮空氣制動能力。緊急制動狀態(tài)下，在動力制動、空氣制動外還有非黏著制動。復(fù)合制動系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)控制、電控制動控制、空氣制動控制，其中空氣制動為最高安全級別，以網(wǎng)絡(luò)控制為最高指揮級別。

（四）輕量化技術(shù)

實(shí)現(xiàn)高速鐵路機(jī)車車輛車體結(jié)構(gòu)輕量化的三個途徑包括采用新材料、優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其中采用新材料是減輕高速列車車體結(jié)構(gòu)重量的重要措施。現(xiàn)階段高速鐵路機(jī)車車輛主體材料有不銹鋼和鋁合金兩大類，為了實(shí)現(xiàn)輕量化、改善機(jī)車車輛的隔音性能，目前已經(jīng)開始應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料夾層結(jié)構(gòu)制造機(jī)車車輛主體，其重量約為鋁車體的一半。此外，F(xiàn)PR也是高速鐵路機(jī)車車輛的理想材料，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)阻尼性好、隔熱、耐腐蝕、高疲勞強(qiáng)度和高比強(qiáng)度等優(yōu)勢。轉(zhuǎn)向架的輕量化主要包括采用H型鋼板焊接結(jié)構(gòu)、空心車軸、取消端梁、采用鋁合金齒輪箱軸箱等方式。

（五）控制、診斷、維修技術(shù)

高速鐵路機(jī)車車輛的控制與診斷系統(tǒng)采用的是車載分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可保障各車輛及各車輛各受控設(shè)備按照行車指揮命令和操作協(xié)調(diào)，及時發(fā)現(xiàn)車輛運(yùn)行時的故障，確定故障位置并提出應(yīng)急處理方案、通知地面維護(hù)部門。列車控制與診斷技術(shù)是保證高速鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行安全、快速、節(jié)能、舒適的必備系統(tǒng)，是機(jī)車車輛的重要技術(shù)，具體包括超速防護(hù)系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等，上述系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，在結(jié)構(gòu)上分為列車級、車輛級、系統(tǒng)級三層。高速鐵路機(jī)車車輛的維修技術(shù)大量采用高新技術(shù)，車載微機(jī)診斷系統(tǒng)能夠通過無線通信將機(jī)車車輛運(yùn)行中檢測到的故障信息傳輸給車輛段，車輛段做好維修準(zhǔn)備后建立三層維修工作面。維修時的常用設(shè)備有軌道橋架空軌道、轉(zhuǎn)向架更換設(shè)備、自動化清洗裝置、真空排污處理系統(tǒng)、輪對診斷設(shè)備及控制維修過程的微機(jī)系統(tǒng)等。

三、結(jié)束語

高速鐵路機(jī)車車輛發(fā)展迅速，涉及到的技術(shù)眾多，包括電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料工程技術(shù)等等，為了保障高速鐵路機(jī)車車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、舒適性、安全性、節(jié)能性，推動高速鐵路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要加強(qiáng)對高速鐵路機(jī)車車輛相關(guān)技術(shù)的研究，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展我國的高速鐵路機(jī)車車輛技術(shù)。在引進(jìn)新技術(shù)和機(jī)車車輛技術(shù)創(chuàng)新時，需結(jié)合高速鐵路客流組織特點(diǎn)、運(yùn)行線路條件等，做好配套系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)開發(fā)，不斷加強(qiáng)高速鐵路機(jī)車車輛關(guān)鍵系統(tǒng)的兼容性與配套性。

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