試論高速鐵路機(jī)車車輛關(guān)鍵技術(shù)

胡喜斌

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程逐步加快，人們對(duì)于交通運(yùn)輸方式也提出了更高的要求，迫切需要速度快、安全舒適的交通運(yùn)輸方式，由此產(chǎn)生了高速鐵路這種運(yùn)輸方式。高速鐵路作為現(xiàn)代化先進(jìn)的鐵路技術(shù)，其不僅推動(dòng)了我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)于其他產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展也起到了推動(dòng)作用?；诖耍疚木透咚勹F路機(jī)車車輛關(guān)鍵技術(shù)展開研究，首先闡述了高速鐵路機(jī)車車輛技術(shù)，其次對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，以期能夠?yàn)楦咚勹F路機(jī)車車輛優(yōu)化完善奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;機(jī)車車輛;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U238 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0217-02

0 ?引言

高速鐵路行業(yè)發(fā)展迅速，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高起到了促進(jìn)作用，高速鐵路機(jī)車車輛技術(shù)的應(yīng)用為機(jī)車車輛運(yùn)行安全提供了保障，而牽引系統(tǒng)功能和性能的正常發(fā)揮、外形設(shè)計(jì)的合理性等方面都會(huì)對(duì)列車安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。因此，需要加大力度研究高速鐵路機(jī)車車輛技術(shù)，以保證列車運(yùn)行穩(wěn)定、安全，提高高速鐵路運(yùn)行質(zhì)量。

1 ?高速鐵路機(jī)車車輛技術(shù)概述

隨著科技的發(fā)展，我國(guó)高速鐵路機(jī)車技術(shù)發(fā)展迅速，以往的鐵路機(jī)車動(dòng)力一般為蒸汽機(jī)，轉(zhuǎn)化效率較低，速度也比較慢。但是，當(dāng)前牽引方式出現(xiàn)了變化，從蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Α?nèi)燃機(jī)形式。對(duì)于當(dāng)前實(shí)際情況來說，鐵路機(jī)車所使用的電力牽引較多[1]。而電傳動(dòng)是將外部輸入電能或自身能源利用整套電源轉(zhuǎn)換和傳遞裝置實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)牽引機(jī)的前進(jìn)。通過電傳動(dòng)裝置使用的牽引電機(jī)類型中，交流電機(jī)傳動(dòng)可以分為交流同步電傳動(dòng)和交流異步電傳動(dòng)這兩種。

2 ?高速鐵路機(jī)車車輛關(guān)鍵技術(shù)

2.1 復(fù)合制動(dòng)

高速列車制動(dòng)系統(tǒng)從技術(shù)上已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合制動(dòng)，其能夠縮短列車的制動(dòng)距離，提高安全性，高速下列車也不會(huì)發(fā)生車輪滑行現(xiàn)象，同時(shí)也能夠降低制動(dòng)系統(tǒng)的簧下重量。復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)包括兩部分：

①列車制動(dòng)。

該部分是由計(jì)算機(jī)控制電氣進(jìn)行指令式制動(dòng)和摩擦制動(dòng)，在制動(dòng)過程中，通過動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)可以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)動(dòng)力、空氣完成制動(dòng)。根據(jù)列車自動(dòng)控制和司機(jī)手動(dòng)要求完成列車的自動(dòng)、緩解等作業(yè)。不同制動(dòng)方式彼此組合或是實(shí)現(xiàn)無縫銜接不僅可以使列車安全運(yùn)行，同時(shí)也能夠保證列車舒適性。一般拖車需要空氣制動(dòng)，司機(jī)將制動(dòng)指令送達(dá)到拖車電空轉(zhuǎn)化閥中，通過中繼閥實(shí)現(xiàn)高速列車的制動(dòng)、緩解[2]。

②基礎(chǔ)制動(dòng)。

盤形制動(dòng)機(jī)作為高速列車中應(yīng)用最廣泛的一種基礎(chǔ)制動(dòng)方式，制動(dòng)盤和閘片所承受的熱負(fù)荷很大。對(duì)此，注意制動(dòng)盤和閘片強(qiáng)度的控制，緩解熱裂紋，并降低制動(dòng)盤重量，通過減少高速轉(zhuǎn)向架簧下重量，使基礎(chǔ)制動(dòng)可以幫助制動(dòng)系統(tǒng)消散熱量，也能夠減少其氣流損失。

2.2 牽引傳動(dòng)

①高速列車中的牽引傳動(dòng)裝置運(yùn)行時(shí)需要大額定輸出功率作為支撐，并使用輕量的牽引電機(jī)，以便維修保養(yǎng)，提高其環(huán)境適應(yīng)性，也更容易控制速度，同時(shí)，還需要保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩速度符合要求，抑制空轉(zhuǎn)，增強(qiáng)粘著性，使電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，也不會(huì)損耗電氣、機(jī)械等[3]。

②交直交變流系統(tǒng)能夠通過整流將單相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，并通過逆變器對(duì)將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)頻調(diào)壓三相交流電，應(yīng)用在交流牽引機(jī)中。當(dāng)前高速列車中應(yīng)用的交流傳動(dòng)系統(tǒng)以及工業(yè)變流裝置的調(diào)速區(qū)間更大，控制范圍更廣，能夠?qū)崿F(xiàn)迅速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，電壓波形輸出質(zhì)量更佳，牽引以及再生制動(dòng)可以完成頻換轉(zhuǎn)化，在效率、可靠性、重量、體積、防震性等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。

③牽引電機(jī)懸掛和傳動(dòng)方式。傳統(tǒng)牽引電機(jī)采取的是抱軸式，該方式中的車軸承擔(dān)著單機(jī)全部重量，簧下質(zhì)量大大增加，導(dǎo)致輪軌振動(dòng)，影響電機(jī)工作。高速列車牽引電機(jī)一般應(yīng)用的是萬向軸或車體懸掛式、架懸式等。

2.3 輕量化技術(shù)

①車體。

車體要想實(shí)現(xiàn)輕量化，其需要使用新材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)車體一般采用碳素鋼作為主要材料，由于需要預(yù)留大量的腐蝕余量因此導(dǎo)致本身重量大，使用壽命補(bǔ)償。當(dāng)前，高速列車在設(shè)計(jì)車體時(shí)一般采用鋁合金擠壓型材或不銹鋼材料，本身無涂裝修飾，也無需進(jìn)行維修，其中前一種材料是高速列車車體主要使用的材料。車廂內(nèi)的設(shè)備材料一般為高分子非金屬材料，減重效果較好[5]。

②轉(zhuǎn)向架。

轉(zhuǎn)向架重量在車輛自重中占據(jù)了20-30%。高速列車中，轉(zhuǎn)向架要想實(shí)現(xiàn)輕量化需要優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，輕量化結(jié)構(gòu)中，無搖枕結(jié)構(gòu)采用H型鋼板焊接，取消了端梁，利用空性車軸和小型車輪，采用鋁合金齒輪箱、交流牽引電機(jī)、空氣彈簧技術(shù)等等達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)。

2.4 高性能轉(zhuǎn)向架技術(shù)

高速轉(zhuǎn)向架需要保證運(yùn)行穩(wěn)定、舒適、安全等特征，確保高速列車安全運(yùn)行。

①一系懸掛系統(tǒng)中，其軸箱定位剛度以及簧下質(zhì)量影響著直線運(yùn)行穩(wěn)定性能。

②二系懸掛系統(tǒng)中，空氣彈簧屬于主要部件，可以解決車振問題，尤其是垂直振動(dòng)以及舒適度的問題?？諝鈴椈稍O(shè)計(jì)膜式的變化促使節(jié)流孔也逐漸實(shí)現(xiàn)了可變式。無搖枕轉(zhuǎn)向架中，減少了彈簧的橫向剛度，水平變位不低于100mm，彈簧設(shè)計(jì)也有差異[6]。

③有源控制系統(tǒng)中，高速列車在穩(wěn)定平穩(wěn)等方面存在彼此牽制現(xiàn)象。在進(jìn)行參數(shù)選擇時(shí)，無法得到最佳的匹配系統(tǒng)，在確定軸向定位時(shí)，直線運(yùn)行的穩(wěn)定性和曲線運(yùn)行的通過性二者存在矛盾，彈簧參數(shù)的相對(duì)位移與平穩(wěn)性能二者也有矛盾，利用主動(dòng)有源控制能夠使轉(zhuǎn)向架動(dòng)力性能在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)應(yīng)變，可以解決列車運(yùn)行中出現(xiàn)的橫向振動(dòng)現(xiàn)象，提高其運(yùn)行舒適水平。

2.5 控制檢測(cè)診斷技術(shù)

該技術(shù)主要是控制檢測(cè)列車運(yùn)行安全性，使車輛能夠根據(jù)司機(jī)操作被有效控制，協(xié)調(diào)行車命令以及相關(guān)作業(yè)。司機(jī)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并采取措施，保證網(wǎng)絡(luò)通信傳輸順利。

①控制技術(shù)。

一方面，通過列車主動(dòng)單元對(duì)列車進(jìn)行控制進(jìn)而執(zhí)行任務(wù)，控制信息使其能夠傳送至車輛計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)其他列車進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，完成自動(dòng)牽引控制，對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行科學(xué)分配，使拖車開關(guān)得到控制，收集信息并顯示診斷狀態(tài)，發(fā)生通信故障司機(jī)要緊急制動(dòng)列車，保證安全[7]。另一方面，控制列車車車廂，車廂總線控制能夠?qū)恳龁卧M(jìn)行控制，并對(duì)電氣參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、連鎖等，對(duì)變流器、司機(jī)室空調(diào)裝置、軸溫進(jìn)行控制，也能夠?qū)﹄姍C(jī)和輔助的變流器進(jìn)行控制，同時(shí)也掌握計(jì)算機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

②檢測(cè)診斷技術(shù)。

該技術(shù)主要是用于對(duì)一些信息進(jìn)行收集整理的，可以識(shí)別部件的磨損程度，并記錄一些偶然出現(xiàn)的故障情況。若是系統(tǒng)發(fā)生故障，顯示運(yùn)行方式能夠?qū)⒐收暇S修方式逐一排除，在一定程度上可以提示緊急制動(dòng)信息。該系統(tǒng)包括部件診斷、單節(jié)列車診斷以及整個(gè)列車診斷三個(gè)層次，在對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行平行處理后，需要將指令傳給列車進(jìn)行控制，行車過程中或是在進(jìn)行列車檢測(cè)維修時(shí)需要將列車診斷結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，保證維修順利。司機(jī)駕駛部位的屏幕上會(huì)顯示出診斷結(jié)果，確定故障位置，維修人員通過便攜機(jī)了解診斷結(jié)果。

2.6 空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)

該技術(shù)主要涉及了運(yùn)行列車表面、會(huì)車、隧道列車表面等方面的壓力。在列車頭部位，車頭由于不同的流線設(shè)計(jì)能夠起到減輕空氣阻力以及壓力波的作用，使尾部渦流有所改善，降低會(huì)車時(shí)產(chǎn)生的壓力波值。車頭在設(shè)計(jì)上要確保長(zhǎng)細(xì)比夠大，這樣才能夠盡可能多的降低阻力，但是相應(yīng)的制造難度以及制造成本也會(huì)有所提升。車體在設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于表面需要保證光滑平整，車廂連接也需要平滑過渡，盡量使空氣阻力、會(huì)車使得壓力波以及氣動(dòng)側(cè)相力降低[8]。高速列車的車體一般采用的是橫截面形狀，多表現(xiàn)為腰鼓形，這種形狀可以降低空氣壓力，車底設(shè)計(jì)需要具有封閉外罩，這樣能夠使紊流減少。

2.7 受電弓技術(shù)

受電弓書需要保證弓頭輕量，追隨性能好，空氣動(dòng)力特征良好，與接觸網(wǎng)參數(shù)的匹配更佳，具備受流性能，離線率也有所下降，能夠做到雙向運(yùn)行，并保護(hù)導(dǎo)線。

2.8 車間連接技術(shù)

車輛連掛之后，傳統(tǒng)車鉤順著中心線間隙量最高超出值為30mm，這一距離無論是在列車啟動(dòng)制動(dòng)方面還是在列車調(diào)速方面都會(huì)出現(xiàn)一定程度的加速度現(xiàn)象和較大的沖擊力，對(duì)列車穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。因此，當(dāng)前高速列車在連接上其間隙一般不超過2mm，上下、左右的偏移也比較小，可以保證列車穩(wěn)定性。

2.9 列車傾擺技術(shù)

列車在進(jìn)行曲線運(yùn)行時(shí)，其車體若是出現(xiàn)曲線內(nèi)傾擺現(xiàn)象，這就說明需要加入曲線外軌超高，這樣才能夠使列車通過曲線速度提升但是不會(huì)對(duì)列車運(yùn)行舒適度產(chǎn)生影響。擺式列車中，拖車與尾車均具備有源式車體傾擺，列車受到電液控制作出傾擺動(dòng)作，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控狀態(tài)中每節(jié)列車的傾擺都屬于閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，各轉(zhuǎn)向架內(nèi)光學(xué)傳感器能夠測(cè)試車體實(shí)際擺角，并將其傳輸至調(diào)節(jié)器內(nèi)，之后傳給伺機(jī)服閥，對(duì)液壓油流向進(jìn)行控制。

3 ?結(jié)束語

綜上所述，高速鐵路機(jī)車車輛關(guān)鍵技術(shù)在不斷發(fā)展中也實(shí)現(xiàn)了持續(xù)創(chuàng)新和優(yōu)化，各個(gè)學(xué)科互相滲透、交叉，形成了最終成果，其在鐵路行業(yè)中綜合集成了各種高新技術(shù)，為我國(guó)鐵路機(jī)車車輛的現(xiàn)代化發(fā)展起到了積極的推進(jìn)作用，對(duì)于高速鐵路的發(fā)展十分重要。因此，我國(guó)需要加大力度研究高速列車關(guān)鍵技術(shù)。

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