李國(guó)亮

【摘 要】我國(guó)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(chē)車(chē)輛技術(shù)作為保證高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)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(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)的研究，對(duì)于提高高速列車(chē)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(dòng)；外形空氣動(dòng)力學(xué)；高速轉(zhuǎn)向架；復(fù)合制動(dòng)技術(shù)

高速鐵路列車(chē)按照動(dòng)力輪對(duì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備可以分為動(dòng)力集中型、動(dòng)力分散型，按照轉(zhuǎn)向架布置、車(chē)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(chē)車(chē)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(chē)牽引、制動(dòng)、導(dǎo)向、曲線通過(guò)性、運(yùn)行平穩(wěn)性等實(shí)現(xiàn)良好統(tǒng)一。機(jī)車(chē)車(chē)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(shí)，高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛還融合了機(jī)械、電子等多方面的技術(shù)。在我國(guó)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(chē)車(chē)輛關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)水平發(fā)展至關(guān)重要。

一、高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)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(guó)高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛獲得了較快發(fā)展，逐漸由傳統(tǒng)的蒸汽機(jī)車(chē)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(chē)車(chē)輛的牽引傳動(dòng)技術(shù)多采用電力牽引傳動(dòng)，將外部輸入的電能或自身產(chǎn)生的能源通過(guò)電能轉(zhuǎn)化與傳遞，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)牽引機(jī)車(chē)前進(jìn)。早期運(yùn)行的高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛主要采用的直流電傳動(dòng)方式，伴隨機(jī)車(chē)車(chē)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(dòng)的出現(xiàn)大大推動(dòng)了高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展。

二、高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）牽引傳動(dòng)技術(shù)

高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛要求啟動(dòng)加速快，最短時(shí)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(chē)車(chē)輛行駛過(guò)程中需克服列車(chē)運(yùn)行阻力，減小列車(chē)對(duì)軌道的作用力，故對(duì)牽引動(dòng)力的要求較高。高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛的牽引動(dòng)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(dòng)技術(shù)能夠可控逆轉(zhuǎn)，加強(qiáng)機(jī)車(chē)車(chē)輛在高速運(yùn)行狀態(tài)下的黏著利用，牽引傳動(dòng)裝置無(wú)轉(zhuǎn)換向，故對(duì)電機(jī)耗損較小。目前在高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛中應(yīng)用較廣泛的牽引傳動(dòng)技術(shù)是交-直-交變流體系。該技術(shù)是高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)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(dòng)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(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式逐漸應(yīng)用，高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輛有著其特定型號(hào)的轉(zhuǎn)向架，既滿足與高速列車(chē)總體模式兼容，又能夠提高乘車(chē)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高度鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛的牽引制動(dòng)、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(chē)車(chē)輛走行性能研究的先導(dǎo)，其中穩(wěn)定性是評(píng)估高速轉(zhuǎn)向架走行性能的關(guān)鍵指標(biāo)，如車(chē)輛運(yùn)行失穩(wěn)，車(chē)輛輪對(duì)對(duì)鋼軌將產(chǎn)生嚴(yán)重橫向沖擊，可能損壞車(chē)輪、鋼軌，并導(dǎo)致嚴(yán)重振動(dòng)和一系列行車(chē)事故。高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛對(duì)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(guò)、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(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輛會(huì)增大一系懸掛柔度，并采用無(wú)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(chē)車(chē)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(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)程傳遞牽引力與制動(dòng)力，依據(jù)牽引電機(jī)懸掛方式的不同，可以將機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輛車(chē)體與輪對(duì)的動(dòng)態(tài)相對(duì)位移。

（三）復(fù)合制動(dòng)技術(shù)

制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性是高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛行車(chē)安全的基本保證。在高速行車(chē)條件下，制動(dòng)系統(tǒng)失靈的后果十分嚴(yán)重。高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)要求在正常條件下，復(fù)合制動(dòng)時(shí)各種制動(dòng)形式合理分擔(dān)制動(dòng)力，一旦其中某種制動(dòng)形式失靈，其他制動(dòng)形式可提供補(bǔ)充，確保發(fā)生緊急制動(dòng)動(dòng)作時(shí)高速列車(chē)能夠在規(guī)定距離內(nèi)停車(chē)。高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛的制動(dòng)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(dòng)，為了避免制動(dòng)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(chē)車(chē)輛的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、防滑器、非黏著制動(dòng)裝置等。所謂復(fù)合制動(dòng)技術(shù)，即高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛不同制動(dòng)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(dòng)能力，空氣制動(dòng)作為補(bǔ)償。失電情況下，主要發(fā)揮空氣制動(dòng)能力。緊急制動(dòng)狀態(tài)下，在動(dòng)力制動(dòng)、空氣制動(dòng)外還有非黏著制動(dòng)。復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)控制、電控制動(dòng)控制、空氣制動(dòng)控制，其中空氣制動(dòng)為最高安全級(jí)別，以網(wǎng)絡(luò)控制為最高指揮級(jí)別。

（四）輕量化技術(shù)

實(shí)現(xiàn)高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)體結(jié)構(gòu)輕量化的三個(gè)途徑包括采用新材料、優(yōu)化車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)車(chē)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(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)重量的重要措施?，F(xiàn)階段高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輛的隔音性能，目前已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料夾層結(jié)構(gòu)制造機(jī)車(chē)車(chē)輛主體，其重量約為鋁車(chē)體的一半。此外，F(xiàn)PR也是高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)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(shì)。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(chē)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(chē)車(chē)輛的控制與診斷系統(tǒng)采用的是車(chē)載分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可保障各車(chē)輛及各車(chē)輛各受控設(shè)備按照行車(chē)指揮命令和操作協(xié)調(diào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)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(mén)。列車(chē)控制與診斷技術(shù)是保證高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行安全、快速、節(jié)能、舒適的必備系統(tǒng)，是機(jī)車(chē)車(chē)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(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)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(chē)級(jí)、車(chē)輛級(jí)、系統(tǒng)級(jí)三層。高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛的維修技術(shù)大量采用高新技術(shù)，車(chē)載微機(jī)診斷系統(tǒng)能夠通過(guò)無(wú)線通信將機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行中檢測(cè)到的故障信息傳輸給車(chē)輛段，車(chē)輛段做好維修準(zhǔn)備后建立三層維修工作面。維修時(shí)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(dòng)化清洗裝置、真空排污處理系統(tǒng)、輪對(duì)診斷設(shè)備及控制維修過(guò)程的微機(jī)系統(tǒng)等。

三、結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、舒適性、安全性、節(jié)能性，推動(dòng)高速鐵路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要加強(qiáng)對(duì)高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛相關(guān)技術(shù)的研究，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展我國(guó)的高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)。在引進(jìn)新技術(shù)和機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)創(chuàng)新時(shí)，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(kāi)發(fā)，不斷加強(qiáng)高速鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛關(guān)鍵系統(tǒng)的兼容性與配套性。

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