軌道交通下一代牽引電傳動系統(tǒng)的技術(shù)特征

李俊熹 張楊

摘要：軌道交通目前的技術(shù)前沿主要存在于高速和重載兩大發(fā)展趨勢中。其中：高速鐵路是現(xiàn)代化鐵路的重要標志，集中體現(xiàn)了當代高新技術(shù)的發(fā)展成果，代表著當今世界鐵路的發(fā)展方向。重載鐵路是解決大宗物質(zhì)運輸，因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國的廣泛重視，特別是在一些幅員遼闊、資源豐富，煤炭和礦石等大宗貨物運量占有較大比重的國家。

為了服務高鐵出口的國家重大戰(zhàn)略需求，非常有必要研究和解決高速鐵路在世界范圍內(nèi)面臨的特殊關(guān)鍵技術(shù)問題;對于重載列車，提高軸重降低自重也迫在眉睫。

關(guān)鍵詞：軌道交通、高鐵、重載列車、牽引電傳動系統(tǒng)

更高速度

隨著高鐵的高速所帶來的“時空壓縮”過程，旅客在時間距離不變情況下，空間距離逐漸增大，即旅客出行半徑會逐漸增大。日本新干線開通使東京和大阪等經(jīng)濟圈更接近日本東北部的城市，使旅客出行貨物運輸更為方便，呈現(xiàn)出“把新干線當成走廊來使用”的現(xiàn)象。高鐵使倫敦到愛丁堡、格拉斯哥和蘇格蘭等大城市的旅行時間大幅度降低，從而促進英國各城市的經(jīng)濟文化交流。南非約翰內(nèi)斯堡到比勒陀利亞行程時間在高鐵開通后縮減，極大增強了沿途城市的聯(lián)系，每天客運量增加到6.4萬人次。可見，高鐵產(chǎn)生的“時空壓縮”效應對地區(qū)間的經(jīng)濟和文化活動聯(lián)系產(chǎn)生明顯作用，進而對區(qū)域經(jīng)濟空間格局變化產(chǎn)生深遠影響。法國佩皮尼昂至西班牙巴塞羅那段高鐵線開通減少在途時間，但加劇區(qū)域空間競爭，巴塞羅那區(qū)位優(yōu)勢以及基礎設施集中性比佩皮尼昂好，產(chǎn)生高鐵“虹吸效應”;使佩皮尼昂成為一個僅擁有一些歷史紀念館的小城，導致佩皮尼昂的吸引力下降，產(chǎn)生高鐵“過濾效應”。便捷高鐵使加州北部和中央谷地區(qū)以及加州南部聚居區(qū)連成一片，讓該地區(qū)的經(jīng)濟和技術(shù)交流活動異常活躍。武廣高鐵對以武漢、長沙、廣州為軸的經(jīng)濟帶迅速活躍起來。

可見，高鐵的速度是影響區(qū)域經(jīng)濟格局的重要因素，也是高速鐵路能夠得到迅速發(fā)展的重要原因。根據(jù)國家戰(zhàn)略規(guī)劃，下一步，高速列車將不再滿足于國內(nèi)的快速運輸，而是要積極投入到洲際運輸?shù)母偁幹腥?，這使得目前300-350kM的運行時速仍顯不足。

輕量化節(jié)能減耗

《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》、《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》（國務院）、《國家“十二五”科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》和《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等突顯了節(jié)能減排已成為國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。

世界各國采用低氣動阻力設計、輕量化設計、高效牽引系統(tǒng)、低能耗輔助設備和能量綜合管理等技術(shù)措施來降低列車能耗，提高列車單位能效。龐巴迪基于能源、效率、經(jīng)濟、生態(tài)的ECO4理念，優(yōu)化氣動阻力，減阻12%;采用高效智能化空調(diào)以及廢排余熱利用，節(jié)約能源率達26%;采用司機智能化輔助駕駛系統(tǒng)，提高牽引與電制動的效率，節(jié)能高達15%;整車材料回收率超過95%，整車綜合節(jié)能高達50%。我國CRH3系列動車組在整車減阻設計優(yōu)化、車輛輕量化、長大車體以及高效牽引等方面也進行了積極嘗試和工程化應用，整車綜合節(jié)能高達28%。但與國外相比，我國高速列車綜合節(jié)能提升空間巨大，節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)的研究與綜合應用需系統(tǒng)深入的研究。

高速列車運營能耗主要是電能消耗，由牽引能耗、制動能耗、輔助能耗、傳動能耗組成。其中，牽引能耗主要取決于動能損耗、運行氣動阻力、牽引效率;制動能耗主要是剎車熱能損耗;輔助能耗主要包括輔助設備負載能耗及列車溫度調(diào)節(jié)能耗;傳動能耗主要是輪軌關(guān)系及摩擦磨損造成的能耗。

牽引能耗約占列車總能耗的60%以上。其中，氣動阻力能耗占比重最大，其次是牽引設備能耗。氣動阻力能耗主要是運行阻力中克服空氣阻力引起的能耗，主要與車輛外形、車頭長細比、車輛截面積、列車編組等因素密切相關(guān)。對于高速列車而言，氣動阻力在運行阻力中占主導地位，所引起的能耗與速度平方呈線性增長，不同速度下氣動阻力能耗占牽引系統(tǒng)能耗比重為70%（200 km/h）、80%（300 km/h）、85%（350 km/h）。牽引設備能耗主要是由于各種電氣元件和機械元件效率低導致部分能量以熱量形式耗散。

輔助能耗主要是滿足乘客服務功能的輔助設備所引起的能耗，主要包括照明、取暖及通風等功能。輔助能耗約占列車總能耗的20%。傳動能耗主要是因傳動系統(tǒng)部件的工作效率及其摩擦磨損所造成的能耗，主要包括制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)和受電弓等，其能耗約占列車總能耗的10%。

另外，列車能耗還包括電力供應系統(tǒng)損耗是由懸鏈線電阻和變電站能量轉(zhuǎn)換損耗造成，在忽略列車特性和給定供電電壓下，其能耗為定值。

根據(jù)列車運營能耗模型，通過能量路徑和能量消耗特征的分析，可以預見各能耗對象采取相應節(jié)能技術(shù)措施后對列車節(jié)能的貢獻率情況。

總結(jié)

新中國成立尤其是改革開放以來，我國制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，建成了門類齊全、獨立完整的產(chǎn)業(yè)體系，有力推動工業(yè)化和現(xiàn)代化進程，顯著增強綜合國力，支撐我世界大國地位。然而，與世界先進水平相比，我國制造業(yè)仍然大而不強，在自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面差距明顯，轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展的任務緊迫而艱巨。

當前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，國際產(chǎn)業(yè)分工格局正在重塑。新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，正在引發(fā)影響深遠的產(chǎn)業(yè)變革。軌道交通行業(yè)在加大科技創(chuàng)新力度，推動三維（3D）打印、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、新能源、新材料等領域取得新突破?；谛畔⑾到y(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革;軌道交通制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新發(fā)展迎來重大機遇。

隨著軌道交通行業(yè)的進一步發(fā)展，以及“走出去”戰(zhàn)略執(zhí)行的不斷深入，超大規(guī)模需求潛力不斷釋放，為軌道交通制造業(yè)發(fā)展提供了廣闊空間。各行業(yè)新的裝備需求、人民群眾新的消費需求、社會管理和公共服務新的民生需求、國防建設新的安全需求，都要求軌道交通制造業(yè)在重大技術(shù)裝備創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量和安全、公共服務設施設備供給和國防裝備保障等方面迅速提升水平和能力。同時，軌道交通制造業(yè)發(fā)展面臨新挑戰(zhàn)。資源和環(huán)境約束不斷強化，勞動力等生產(chǎn)要素成本不斷上升，依靠規(guī)模擴張的粗放發(fā)展模式難以為繼，調(diào)整結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效刻不容緩。

經(jīng)過十幾年的極速發(fā)展，我國軌道交通制造業(yè)規(guī)模躍居世界第一位，建立起門類齊全、獨立完整的制造體系，成為支撐我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要基石和促進世界經(jīng)濟發(fā)展的重要力量。一批重大技術(shù)裝備取得突破，形成了若干具有國際競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)品和骨干企業(yè)，使我國已具備了引領軌道佳通行業(yè)發(fā)展的基礎和條件。但目前與先進國家相比，還存在軌道交通制造業(yè)大而不強，關(guān)鍵核心技術(shù)與高端裝備對外依存度高，以企業(yè)為主體的制造業(yè)創(chuàng)新體系不完善;資源能源利用效率低;高端裝備制造業(yè)和生產(chǎn)性服務業(yè)發(fā)展滯后;信息化水平不高，與工業(yè)化融合深度不夠;產(chǎn)業(yè)國際化程度不高，企業(yè)全球化經(jīng)營能力不足等問題。

國家隊先進軌道交通裝備制造業(yè)的發(fā)展也提出了明確的要求。要求加快新材料、新技術(shù)和新工藝的應用，重點突破體系化安全保障、節(jié)能環(huán)保、數(shù)字化智能化網(wǎng)絡化技術(shù)，研制先進可靠適用的產(chǎn)品和輕量化、模塊化、譜系化產(chǎn)品。研發(fā)新一代綠色智能、高速重載軌道交通裝備系統(tǒng)，圍繞系統(tǒng)全壽命周期，向用戶提供整體解決方案，建立世界領先的現(xiàn)代軌道交通產(chǎn)業(yè)體系。所有這些目標，都需要有更為先進的生產(chǎn)和制造工藝作為支撐。

參考文獻

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