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(4)牵引头车可以摘挂(虽然不是传统列车的自动车钩那样的方便摘挂)使列车进入既有线,甚至可更换内燃机车使列车直接进入非电气化铁路运行。
动力集中型高速列车的缺点在于:
(l)动力头车不能载客,相对减少了载客量。
(2)动力头车集中了全部动力设备,减轻设备重量比较困难,而高速列车要求列车的轴重尽量轻。
(3)高速度的列车需要头车产生足够的大粘着牵引力,因而动力车轮的轴重不能太轻,这与
(2)条提到的要求形成难以克服的矛盾。
(4)速度越高,列车的功率越大,大功率动力设备的重量也相应增大,这与减轻重量的要求又是矛盾。
(5)动力头车的制动能力受到粘着的限制,需要拖车分担部分制动功率,因此列车的制动性能欠佳。
动力分散型高速列车的优点是:
(l)可较充分利用车辆载客,增加列车载客量。
(2)将牵引动力设备和牵引电机的功率和重量分散由列车的各个车辆负担,较易实现高速列车减轻轴重的要求。
(3)列车的牵引力分散在各个动力车轮上,可解决高速列车大牵引力与轴重限制之间的矛盾。
(4)列车制动力由全列车各车辆分担,可充分利用动力制动功率,因而列车具有较好的制动性能。
动力分散型高速列车也存在一定的缺点:
(l)车辆下部吊装动力设备,其产生的振动和噪声会影响车厢内的舒适度,为隔振降噪增加技术难度。
(2)动力设备安装在车下,要求体积小,工作环境差,分散的动力设备故障率相对较高。
(3)列车只能单元编组,不能驶入非电气化铁路运行。
(4)与传统运营、维修管理体制和习惯不适应,必须建立一套新的维修保养体系。
(5)动力设备分装在各车辆,给车辆本身的减重又增加了一定困难。
7.1.2高速列车的发展概况
下面围绕日本、法国、德国、意大利等国高速列车介绍世界高速列车的发展概况,摆式列车另见本章第四节。
1.日本新干线高速列车
日本是建设高速铁路最早的国家。
1964年,世界上第一条铁路高速运营线—东海道新干线建成,0系高速列车投入运营,最高试验速度256km/h,最高运行速度210km/h。
1982年,东北、上越新干线开通,200系高速列车投入运营,最高运行速度240km/h。
1989年又研制成功300系高速列车,最高运行速度270km/h,实现了东京—新大阪的旅行时间缩短到2.5h。
1991年为了实现新干线与既有线路的直通客运,日本又研制出400系高速列车,最高试验速度345km/h,1992年正式投入运营。
从1992年开始,日本先后研究制造出WlN350(试验列车)、STAR21(试验列车)、E1系、300X(试验列车)、E2系、E3系、E4系、500系及700系等高速列车,还设计了800系概念车。
其中,日本WlN350型高速列车6辆编组,1992年8月创造了350.4km/h的当时日本最高速度记录,为500系前身;
日本STAR21型高速列车9辆编组(有铰接式车辆5辆,独立式车辆4辆),1993年12月创造了425km/h的当时日本最高速度记录,为“面向21世纪促进铁路发展的高级列车;
日本300X型高速列车6辆编组,1996年7月创造了443km/h的日本最高速度记录,为700系前身;
E4系是日本另一类具有代表性的高速列车,是由E1系发展而来的全部由双层车辆构成的新型列车,1997年开始运营,速度为240km/h。
700系客车车体结构的基本构件与300系相同,采用铝合金中空挤压型材,中空部分在挤压成型时填充了隔音隔热材料,从而降低了车内噪声,提高了旅客乘坐舒适度。
列车监控系统进一步完善,实现了车辆监控智能化,除了具有车辆状态和故障显示功能外,还具有自动检查功能。
图7-2~图7-15示出了日本新干线高速列车的外形。
图7-2日本0系高速列车外形图7-3日本100系高速列车外形
图7-4日本200系高速列车外形图7-5日本300系高速列车外形
图7-6日本400系高速列车外形图7-7日本WIN350型高速列车外形
图7-8日本STAR21型高速列车外形图7-9日本300X型高速列车外形
图7-10日本E1系高速列车外形图7-11日本E2系高速列车外形
图7-12日本E3系高速列车外形图7-13日本E4系高速列车外形
图7-14日本500系高速列车外形图7-15日本700系高速列车外形
我国台湾省将以日本新干线700系列高速列车为基础设计的51辆车组以300km/h运营于台北—高雄高速线上。
2.法国TGV高速列车
法国是继日本之后,在欧洲首先发展高速铁路的国家。
1965年,法国提出了发展高速铁路的设想。
1969年,法国国铁向Alstom公司订购了TGV001样车,这是对TGV乃至世界高速列车历史产生深远影响的样车,它是TGV的雏形。
1972年4月样车出厂,TGV001型是由5辆车组成的燃汽轮动车组,其主要特点是采用铰接转向架,当年最高试验速度已达318km/h。
由于受到世界石油危机的影响,法国放弃研制以燃汽轮为动力的高速列车,加速研制高速电动车组。
1974年对研制的Z7001电动车组进行了高速试验,其中有48次列车以300km/h的速度运行,奠定了高速运行的基础。
1981年,首列第一代TGV高速列车TGV-PSE(图7-16)以260km/h的速度在巴黎-里昂正式运营,1983年速度提高到270km/h,其最高试验速度380km/h;
1989年,第二代TGV高速列车TGV-A(图7-17)投入运营,最高运行速度300km/h,1990年创下了试验速度515.3km/h的世界记录;
网路TGV即TGV-R(图7-18)于1993年投入运用,环绕巴黎将几条高速线连成一体,最高速度300km/h;
TGV-E即欧洲之星EUROSTAR(图7-19)于1994年运行在巴黎—伦敦—布鲁塞尔,是穿越英吉利海峡隧道的高速列车,最高速度300km/h,在英吉利海峡隧道内160km/h,在比利时200km/h;
TGV-PBKA(图7-20),即TGV-Thalys运行于4个欧洲国家,联结巴黎(P)—布鲁塞尔(B)—科隆(K)—阿姆斯特丹(A)四国首都,是一种适应4种电流制的列车,最高速度300km/h,1996年投入运用。
网路TGV-R、TGV-E、TGV-PBKA、西班牙AVE、韩国TGV-KTX,均属于同一代产品,车体结构与TGV-A大致相同,仅在外形、内部设备和一些技术装备有所差别。
1995年,第三代TGV高速列车—TGV-2N型全双层高速列车(图7-21),在北方新干线投入运营,运行速度300km/h。
TGV-2N高速列车采用了很多新技术、新工艺、新材料(铝质车体)。
该列车的投入运营标志着法国铁路客车制造技术达到了新水平,位居世界高速列车制造业前列。
2001年,开发出新一代TGV-AGV电动车组(图7-22),最高运行速度350km/h。
AGV与以前的TGV列车主要区别是采用了动力分散式,只有拖车组铰接在标准的TGV车组上。
AGV列车由9节不同的模块组成,包括混编的单层和双层车辆,预计2007年在巴黎—斯特拉斯堡东线运用。
TGV高速列车的主要特点是采用了铰接技术,将相邻车体铰接,转向架置于铰接处,增强了列车的整体性,减少了转向架数量和列车运行阻力,提高了列车的运行平稳性和安全性。
TGV使法国在传统轮轨高速领域处于技术领先地位。
1996年,欧盟各国的国有铁路公司经联合协商后确定以法国技术作为全欧高速客车的技术标准,同时TGV技术被出口至韩国、西班牙和澳大利亚等国,是运用最广泛的高速轮轨技术。
1992年4月,西班牙国营铁路开通了马德里~塞维利亚电气化高速铁路,并投入运营了从法国定购的AVE动力集中式高速列车(图7-23)。
一部分AVE高速列车在西班牙境内组装,该列车10节编组,最高运行速度可达300km/h。
AVE高速列车在TGV-A的基础上设计,由于要通过西班牙山区17处隧道,对列车密封作了改进。
在韩国的高速列车招标中,法国Alstom于1993年中标。
根据合同,法国提供46列(KTX型),韩国自行研究制造34列(KHST型)。
2004年4月,在韩国高速铁路线投入运营。
KTX型高速列车(图7-24)一列编组20辆,是TGV定员最多(1000人)、功率最大(13200kW)的高速列车,运营速度300km/h,采用法国TGV-R技术,比“欧洲之星”短,但座位较密,定员较多,可以满足大运量的要求。
目前共计46列车(920辆车)投入运营。
目前韩国依靠本国技术和外国技术(TGV)已自行研制出KHST样机(图7-25),正在进行轨道试验,最高速度达350km/h。
图7-16法国TGV-PSE高速列车外形图7-17法国TGV-A高速列车外形
图7-18法国TGV-R高速列车外形图7-19法国EUROSTAR高速列车外形
图7-20法国TGV-PBKA高速列车外形图7-21法国TGV-2N高速列车外形
图7-22法国TGV-AVG高速列车外形图7-23AVE高速列车外形
图7-24KTX高速列车外形图7-25KHST高速列车外形
3.德国ICE高速列车
ICE型高速时代真正投入运营在上世纪90年代初,比TGV约晚10年,有ICEl、ICE2、ICE3等几种。
1985年,德国试制成功ICE高速列车。
ICE-V高速列车(试验型ICE,见图7-26)于1988年5月试验速度达406.9km/h。
1991年7月ICEl高速列车(图7-27)正式投入运营,最高运行速度280km/h。
1996年,德国成功地制造出ICE2型高速列车(图7-28),其结构与ICE1基本相同,可两列联挂,1998年投入运营。
1999年初,ICE3(图7-29)问世并投入试运行,2000年秋投入运营,该列车8节编组。
ICEl、ICE2是动力集中式,ICE3采用动力分散式驱动装置。
与动力集中方式相比,动力分散方式可以使列车拥有更大的座席容量,更均匀的重量分布,更有利的座席重量和更好的低粘着牵引性能,具有动力制动的比例更高,较小的动轮使得簧下质量更低,加上较低的静轴重而使线路负载降低。
ICE3最高试验速度363km/h,最高构造速度可达330km/h。
由于该车运营于科隆—法兰克福新线,最大坡度为40‰,故列车装用可靠的制动系统,每辆动车安装再生制动系统,拖车装有线性涡流制动系统,所有车辆均装用盘形制动装置,从而保证了该列车在长大下行坡道上安全行驶。
它代表了德国铁路客车最新技术水平,引起世界各国的关注。
图7-26德国ICE-V高速列车外形图7-27德国ICE1高速列车外形
图7-28德国ICE2高速列车外形图7-29德国ICE3高速列车外形
2003年,曾有4列ICE3交付给了荷兰国家铁路使用。
西班牙铁路在2004年投入运营VelaroE(西门子的注册商标)高速列车(图7-30),它是以德国铁路和荷兰铁路制造的54辆ICE3列车为基础经改进而成,其运营速度达350km/h。
4.意大利ETR型高速列车
意大利高速铁路有其自己的特点:
客货列车混跑,利用原有线车站,根据不同线路特点选用不同车型的列车。
对于曲线较多的高速线路,选用ETR-450型等摆式车体高速列车,对于曲线较少的高速线,则选用技术标准较高的ETR-500型高速列车(图7-31)。
ETR-500型高速列车有2动11拖和2动8拖两种不间编组。
它先经过1动1拖的试验型,2动3拖的改进型,而后完善定型于1991年投产,1995年开始供货,最高运行速度300km/h。
ETR-500独特的动力转向架及其驱动系统、电/空制动安全控制系统等技术,使它成为一种不可忽视的高速列车类型。
图7-30VelaroE型高速列车外形图7-31意大利ETR-500型高速列车外形
7.1.3国外高速列车的发展趋势
根据各国高速列车的发展情况和运用经验,目前高速列车的发展趋势具有以下几方面特点:
(l)速度不断提高,表现在以提高试验速度为基础,不断提高运营速度。
最高运营速度达到300km/h并向350km/h发展。
(2)车体结构和动力设备不断轻量化。
车体结构和部分机械零部件大量采用铝合金。
大型挤压型材、蜂窝结构和高分子复合材料等新材料、新工艺,在保证强度的前提下大幅度减轻重量,如日本500系列车轴重已降到108kN左右。
减轻车体及设备重量一方面可以增加载客量,如日本E4系双层客车,一节车厢定员达到133席;
另一方面减轻轴重可降低线路维修费用。
(3)向动力分散布置方向发展。
针对轮轨粘着系数随速度提高而下降的物理现象,一方面提高粘着控制技术,另一方面为进一步提高速度和列车的加速能力,在轮轨粘着牵引力的限制下,不得不增加动力轮对数量,自然形成向动力分散布置方向发展。
如原采用动力集中方式的德国ICE列车,开发的ICE-3改为动力分散型,法国也已将铰接式拖车转向架发展成为动力转向架,设计了动力分散式AGV列车。
所以说动力分散型高速列车是列车增加载客量、提高速度和提高加速能力、提高运输能力、降低运输成本的需要。
(4)电力牵引传动系统向功率大、体积小、重量轻、高可靠性和低成本方向发展。
主要是源于新型电力电子器件和现代控制技术的发展与应用。
表现在:
①新型大功率半导体开关元件(如GTO,IGBT,IPM以至IGCT)的发展和应用,为电传动系统提供了体积小、重量轻、损耗小、可靠性高的变流器。
②交流电机控制技术的发展,使列车获得了优良的调速与粘着性能。
③牵引变压器、变流器、牵引电机等不断提高效率、降低重量。
④列车控制系统往网络通信方向发展,列车诊断、监测及安全防护系统不断改进与完善。
(5)车内环境和设备不断改善,提高了旅客乘坐舒适度和服务质量。
(6)将列车的安全防护系统通过网络通信技术与高速铁路的安全保障系统、列车检修、运用系统构成统一的运营系统,实现列车运行及安全保障自动化,提高列车使用效率,降低运营成本。
7.1.4国外高速列车的总体技术参数
表7-1列出了一些具有一定代表性的高速列车的总体技术参数,包括日本300系,500系,700系,E4系;
法国TGV-PSE,TGV-A,TGV-2N,欧洲之星(EUROSTAR),TGV-KTX(韩国);
德国ICE1,ICE2,ICE3;
意大利ETR-500。
7.2高速列车关键技术
高速列车是高速铁路的核心,它涉及许多方面新的技术问题,对它的基本要求是起动快、速度高、停得住、运行平稳、振动与噪声小。
为满足上述基本要求,必须采用相应的高新技术。
高速铁路的技术水平和技术难度集中反映在高速列车上。
限于篇幅,以下仅列出高速列车关键技术要点,有兴趣的读者可参阅相关文献。
1.以交-直-交变流技术为核心的大功率电力传动与驱动技术
高速列车要求起动快,使其能在最短的时间和距离内达到额定最高运行速度。
为此必须加大牵引功率,以增加其起动牵引力。
同时当列车速度达到额定最高运行速度后,为保持其恒速运行,必须要有足够的持续牵引力来克服列车运行阻力。
列车单位运行阻力W=a+bv+cv2,其中第三项是由空气阻力所决定的,它与列车速度的平方成正比;
当速度达到300km/h时,空气阻力约占总阻力的80%以上。
随着速度的提高,列车单位重量所需的牵引力成倍增长,机车额定功率随之成倍增加,这将导致机车轴功率的提高,使其达到1200kW/轴及其以上。
轴功率转换成轴牵引力必须以相应的轴重和轮轨黏着为前提。
轴功率加大,电机重量必然增加,导致轴重及簧下质量增加。
为减轻列车对轨道的作用,高速列车又必须严格限制轴重和簧下质量。
因此,对高速列车牵引动力的基本要求是功率大、轴重轻、自重小、黏着利用好、整机控制好。
世界上直流牵引电机的最大功率仅能达到1000kW左右,而且电机的重量大、体积大,不利于降低列车轴重及簧下质量,安装也很困难。
而三相交流异步电机除了功率大、重量轻、体积小之外,还有结构简单、易于制造、维修工作量小、环境适应性强、过载能力强等优点。
采用交流电机时,网上的单相交流电经变压、整流之后,还必须通过逆变器变成三相交流电,才能作为交流电机的驱动电流。
整个变流过程是从单相交流变直流,再由直流变三相交流。
这套交-直-交变流技术,特别是交流牵引电机的控制技术,是高速列车牵引技术的核心。
而逆变器又是其中的关键,其中包括下列三项主要技术:
一是电力半导体器件。
它是逆变器中的关键元件,目前比较先进的是GTO元件和IGBT元件,后者将逐步取代前者。
IPM元件是IGBT元件、驱动及保护电路的集成块,它具有短路、过流、过热及电流实时控制等保护功能,将更有利于实用。
二是变流电路的结构性能。
它是随半导体器件的发展而发展的,目前其设计重点已转向于牵引性能、谐波含量、电磁干扰、控制特性及运用成本等。
软开关电路是进一步降低开关损耗,减少开关过程中的电磁干扰和对环境的电磁污染的重要途径。
三是交-直-交传动的控制技术。
这一技术由网侧变流器控制和电机侧逆变器控制两部分组成,而后者又分为可调频调压三相交流电生成控制技术和异步电机调节技术两部分。
2.复合制动技术
制动系统的可靠性是高速列车行车安全的基本保证。
在高速行车条件下制动系统失灵的后果将不堪设想。
制动系统的可靠性应通过复合制动系统的科学设计来保证。
它要求在正常条件下,复合制动中的各种制动形式合理地分担制动能量(制动力)。
一旦其中的某种制动形式发生故障,其他制动形式能提供补充,保证在紧急制动时能在规定的距离内使列车停下来。
高速列车的制动系统采用微机控制和计算机控制网络的电气指令制动方式。
整个控制指令过程需要大量的输入信息、数字运算和指令输出。
在这复杂的控制指令系统中为避免发生故障,系统的设计考虑了相应的补充防患措施。
高速列车复合制动系统通常由控制系统、动力制动系统、空气制动(包括盘形制动和踏面制动)系统、微机控制的防滑器和非黏着制动装置等组成。
复合制动模式是不同制动方式的综合作用模式。
在正常情况下应当优先并充分发挥动力制动能力,不足部分以空气制动作为补偿;
在失电情况下以空气制动为主,在紧急制动时除空气制动和动力制动外,还有非黏着制动的保安作用。
微机控制的制动控制系统由电气部分和气路阀类部分组成。
利用这套控制系统可以操纵两种制动装置:
其一是正常情况下使用的采用微机控制的直通式电空制动装置;
其二为在电空制动失效的情况下使用的处于热备用状态下的自动空气制动装置。
整个制动系统分成三级控制:
网络控制、电空制动控制和空气制动控制。
上述三种控制的安全级别以空气制动最高,其余依次为电空制动和网络制动。
而其指挥级别以网络控制最高,电空制动控制次之,空气制动控制最低。
3.高速转向架技术
机车、车辆转向架是直接参与轮轨相互作用,并决定列车走行性能最关键的部件。
一定型号的转向架,按其结构型式和结构参数,都有其规定的适用速度范围。
各国的高速列车都有特定型号的转向架以保证列车的走行性能。
高速列车转向架既要与高速列车的总体模式相容,又要提供更高的乘车品质,使列车的牵引、制动、减振降噪、荷载的传递与分配、导向及曲线通过性能和运行平稳性能达到良好的统一。
各国提高列车走行性能的研究都以开发转向架为先导,以轮轨关系的系统研究为基础。
“稳定性”是评定转向架走行性能最重要的指标。
车辆一旦失稳,轮对在横向对钢轨产生严重冲击,轻则损坏车轮和钢轨,导致车体严重振动,重则造成轨距扩大、轨排横移、车辆脱轨等重大行车事故。
速度越高,研制满足“稳定”要求的转向架就愈加困难,这正是保证高速列车行车稳定性的关键所在。
高速客车转向架的主要技术除稳定性外,还有舒适性、曲线通过性能、轻量化、动力转向架的牵引电机悬挂和传动技术等。
研制、开发先进的轴箱定位结构,选择合适的轴箱定位纵向和横向刚度数值是高速转向关键技术之一。
目前较为先进的轴箱定位结构有转臂式,螺旋弹簧和圆筒橡胶并用等形式。
而定位刚度的选择应根据各国线路状态、车辆运行速度、轮轨几何关系等进行综合理论分析和试验确定。
一系和二系悬挂的柔度及减振器参数是影响舒适度的两个主要因素。
高速列车普遍都增大了一系悬挂的柔度,二系悬挂采用无摇枕结构和抗蛇行减振器,大多数还采用了高柔度的空气弹簧。
今后的发展趋势是无摇枕结构和主动悬挂,主动控制技术也将被采用。
动力车转向架由于要产生并传递牵引力和制动力,因此要安装电机及与之相协调的传动系统。
根据牵引电机悬挂方式不同,其转向架可分为架悬式、体悬式和半体悬式。
体悬式需解决车体和轮对之间的动态相对位移,这是一项关键技术。
4.高速受流技术
采用电力牵引的高速列车必须通过弓网受流系统不间断地从接触网上获取电能。
弓网受流系统必须满足的基本条件是:
良好的受流质量,运行的安全性能,足够的使用寿命,尽可能减少对周围环境产生噪声。
良好的受流质量依赖于弓网系统的动态稳定和跟随性,应保证弓网间有良好的接触,不产生火花。
弓网接触噪声及受电弓本身所造成的噪声是高速铁路噪声的主要组成部分,改善弓网接触关系,改进受电弓形式及结构设计,是减少高速铁路噪声的一个重要方面。
为了保证弓网受流系统良好的受流性能、安全的运行性能、足够的使用寿命和减小对环境的影响,必须对接触网的结构形式及其结构参数和性能参数进行合理的设计和选择。
5.高速列车车体结构设计及其轻量化技术
高速列车车体无论在设计上还是制造工艺上都有新的更高的要求,主要表现在以下
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