高速鐵路的牽引動力概述和制動技術

1、高速鐵路的牽引動力概述和制動技術第三章 高速鐵路的牽引動力第一節(jié) 概述第二節(jié) 受電弓與傳動裝置第三節(jié) 動力車車體及走行部第四節(jié) 制動技術第一節(jié) 概述1.1 關鍵技術1.2 牽引動力配置形式1.1 關鍵技術1.1.1 技術問題（1） 提高牽引力與粘著系數(shù)下降的矛盾（2） 空氣阻力與速度的平方成正比 功率與速度的立方成正比（3） 如何實現(xiàn)大功率的牽引動力（4） 如何實現(xiàn)安全制動問題（5） 解決輪軌系統(tǒng)動力學的問題（6） 解決空氣動力學的問題（7） 列車智能控制的問題動車組的九大關鍵技術牽引控制系統(tǒng)牽引電機制動系統(tǒng)牽引變流器牽引變壓器轉(zhuǎn)向架列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)鋁合金、不銹鋼車體動車組系統(tǒng)集成1.1.2

2、關鍵技術轉(zhuǎn)向架結構動力轉(zhuǎn)向架一系懸掛二系懸掛輪對軸箱裝置 SW-220K轉(zhuǎn)向架圖牽引系統(tǒng)牽引變流器長：3100mm寬：2730mm高：650mm重量：1900kgIGBT：3300V、1200A中間直流電壓：3000V額定參數(shù)：輸入：1500V，857A，50Hz輸出：三相 2300V，424A， 0220Hz 牽引電機轉(zhuǎn)子定子排氣蓋空氣吸入口長：720mm寬：697mm高：629mm重量：440kg三相交流異步電機 額定功率：300kW 額定電壓：2000V 額定電流：140Hz 額定頻率：140Hz * 復合制動技術受電弓車內(nèi)電器風擋裝置座椅車內(nèi)裝飾集便裝置車窗車門車鉤及緩沖裝置空調(diào)系統(tǒng)十

3、項主要配套技術的引進十項主要配套技術引進的內(nèi)容弓頭阻尼器ADD系統(tǒng)升弓裝置下臂底架上導桿碳滑板下導桿閥板上臂受電弓裝置室外過濾器接觸器盤室外熱交換器室內(nèi)送風機室內(nèi)熱交換器壓縮機電加熱器室外送風機變頻器空調(diào)裝置 車鉤及緩沖器裝置緩沖器車鉤電連接器連接座車門門板腳踏板門鎖平衡器電動馬達車 窗集便裝置 水箱便器污物箱真空系統(tǒng)車內(nèi)裝飾座椅車端連接、風擋裝置車內(nèi)電器電器控制廣播系統(tǒng)顯示系統(tǒng)照明系統(tǒng)1.2.1 牽引動力形式1.2.2 牽引動力的配置1.2.3 集中式與分散式的比較1.2 牽引動力配置形式動車組基本模式動力分散電動車組動力集中內(nèi)燃動車組電傳動液力傳動動力分散: 軸重分配均勻,有效利用粘著,起

4、動加速性能好動力集中: 制造及維修成本低動車組基本運用模式鐵路動車組城市輕軌城市地鐵城市軌道交通高速城際列車ICE城際列車IC市郊列車IR輪軌磁懸浮單軌動車組動車組中各車之間采用密接式車鉤，除維修需要一般不解編 按動力形式分有內(nèi)燃動車組和電動車組： 高速動車組：基本采用電動車組，并采用交流傳動； 中速動車組、市郊列車：可以采用內(nèi)燃牽引， 可以采用交流傳動 也可以采用液力傳動；運用方式不同與傳統(tǒng)的機車與車輛模式高速列車、地鐵輕軌列車都是典型的動車組動車組方式也可以運用于貨物列車（快速貨運單元列車）動車組動車組是由動力車（動車）與客車（拖車）組成的旅客列車車組，編組比一般旅客列車小。動車組一般：

5、成組使用、編組固定 兩端均可操縱 通過網(wǎng)絡或電纜實現(xiàn)重聯(lián) 任何一端均可控制動車 實現(xiàn)同步牽引、同步調(diào)速、同步換檔、同步 制動、同步顯示等重聯(lián)功能，不需轉(zhuǎn)向動車組的技術特點 動車組的特點： 固定編組 動力集中或動力分散 密接車鉤 整體運用 整體保養(yǎng)檢修 大修前不解體 采用網(wǎng)絡控制 交流傳動/液力傳動 制動系統(tǒng)完整設計 高速（電）動車組的特點：頭部流線型車體輕量化技術高速轉(zhuǎn)向架高速受流技術車廂密閉、空調(diào)換氣高功率重量比 低噪聲、低輪軌力配現(xiàn)代化動車段、綜合維修基地 1.2.2 牽引動力的配置按列車動力驅(qū)動軸的分布和動力設備的配置分（動力集中型、動力分散型）按列車車輛轉(zhuǎn)向架布置和車輛之間的聯(lián)接方式分

6、（獨立轉(zhuǎn)向架式、鉸接轉(zhuǎn)向架式）動車組的動力配置 動力分散方式動車組的動力配置也有兩種模式：一種是完全分散模式，即動車組中的車輛全部為動力車，如日本的0系高速列車，16輛編組中全部是動力車。一種是相對分散模式，即高速列車編組中部分是動力車，部分為無動力的拖車，如日本的100系、700系高速列車，16輛編組中有12輛動力車，4輛是拖車，所謂12動4拖。 獨立動力集中式：ICE鉸接動力集中式：TGV獨立動力分散式：200系鉸接動力分散式：AGV1.2.3 集中式與分散式的比較參數(shù)比較優(yōu)缺點概括未來發(fā)展趨勢兩種方式的比較平均軸重：集中?。?0系16t 100系15t最大軸重：集中大：ICE 19t/1

7、7t TGV 17t受電弓數(shù)：集中少：12弓，距離遠 100系6弓粘著利用：分散好加 速 性：分散好（交流傳動，軸功率大，集中也好）頭車底部設備安裝帶受電弓拖車車底設備安裝軸重與輪軌作用車 型最高運營速度（km/h）最大軸重（t）平均軸重（t）（日）0系列21016.015.1（日）100系列22015.014.5（日）300系列27011.311.1（法）TGV-PSE27017.016.0（法）TGV-R30017.016.0（法）TGV-2N30017.016.3（德）ICE25019.515.1（德）ICE-228019.514.2（意）ETR-50030017.012.3動力集中型高

8、速類列車具有以下優(yōu)點（1）它與傳統(tǒng)的列車相似，便于我們按習慣進行運行管理和維修管理。（2）故障相對較高的電器、機械設備集中在頭車，運用匯總便于檢測和進行技術保養(yǎng)。這些設備的工作環(huán)境也較清潔。（3）機械、電氣設備與載客車廂隔離，車廂內(nèi)噪聲、振動較小。（4）牽引頭車可以摘掛（雖然不是傳統(tǒng)列車的自動車鉤那樣的方便摘掛）是列車進入既有線，甚至可更換內(nèi)燃機車使列車直接進入非電氣化鐵路運行。動力集中型高速列車的缺點（1）動力頭車不能載客，相對減少了載客量。（2）動力頭車集中了全部動力設備，減輕設備重量比較困難，而高速列車要求列車的軸重盡量輕。（3）高速度的列車需要頭車產(chǎn)生足夠的大粘著牽引力，因而動力車輪的

9、軸重不能太輕，這與（2）條提到的要求形成難以克服的矛盾。（4）速度越高，列車的功率越大，大功率動力設備的重量也相應增大，這與減輕重量的要求又是矛盾。（5）動力頭車的制動能力受到粘著的限制，需要拖車分擔部分制動功率，因此列車的制動性能欠佳。動力分散型高速列車的優(yōu)點（1）可較充分利用車輛載客，增加列車載客量。（2）將牽引動力設備和牽引電機的功率和重量分散由列車的各個車輛負擔，較易實現(xiàn)高速列車減輕軸重的要求。（3）列車的牽引力分散在各個動力車輪上，可解決高速列車大牽引力與軸重限制之間的矛盾。（4）列車制動力由全列車各車輛分擔，可充分利用動力制動功率，因而列車具有較好的制動性能。動力分散型高速列車的缺

10、點（1）車輛下部吊裝動力設備，其產(chǎn)生的振動和噪聲會影響車廂內(nèi)的舒適度。為隔振降噪增加技術難度。（2）動力設備安裝在車下，要求體積小，工作環(huán)境差。分散的動力設備故障率相對較高。（3）類車只能分單元編組，不能駛入非電氣化鐵路運行。（4）與傳統(tǒng)運行、維修管理體制和習慣不適應，必須建立一套新的維修保養(yǎng)體系。（5）動力設備分裝在各車輛，給車輛本身的減重又增加了一定困難。根據(jù)各國高速列車的發(fā)展情況和運用經(jīng)驗，可以看出目前高速列車的發(fā)展趨勢具有以下幾方面的特點（1）速度不斷提高，表現(xiàn)在以提高試驗速度為基礎，不斷提高運營速度。最高運營速度達到300km/h并向350km/h發(fā)展。（2）車體結構和動力設備不斷輕

11、量化。車體結構和部分機械零部件大量采用鋁合金、大型擠壓型材、蜂窩結構和高分子復合材料等新材料、新工藝，在保證強度的前提下大幅度減輕重量。（3）向動力分散布置方向發(fā)展。（4）電力牽引傳動系統(tǒng)向功率大、體積小、重量輕、高可靠性和低成本方向發(fā)展。（5）車內(nèi)環(huán)境和設備不斷改善，提高了旅客乘坐舒適度和服務質(zhì)量。（6）將列車的安全防護系統(tǒng)通過網(wǎng)絡通信技術與高速鐵路的安全保障系統(tǒng)、列車檢修、運用系統(tǒng)構成統(tǒng)一的運營系統(tǒng)，實現(xiàn)列車運行及安全保障自動化，提高列車使用效率，降低運營成本。牽引動力發(fā)展的幾個階段第一階段：動力集中、機車牽引： 英國IC225,470kW,225km/h 動力分散 0系16節(jié)全動車16x

12、4x185 =11840kW,210km/h第二階段：相對動力集中 TGV-PSE 10節(jié)6臺動力轉(zhuǎn)向架第三階段：動力集中, 三相交流傳動，軸功率大第四階段：動力分散 動車組的構成 司機室司機室轉(zhuǎn)向架車體供電與牽引系統(tǒng)車端連接車下懸吊設備空調(diào)系統(tǒng)車頂設備制動系統(tǒng)車內(nèi)設備網(wǎng)絡輔助供電系統(tǒng)第二節(jié) 受電弓與傳動裝置2.1 高速受電與受電弓2.2 傳動方式與傳動裝置高速受電與受電弓高速鐵路的受流系統(tǒng)必須符合的條件:保證功率傳輸?shù)目煽啃员ＷC受流系統(tǒng)的運行安全性保證良好的受流質(zhì)量保證受流系統(tǒng)的使用壽命高速受電 世界各國的最高運行速度在200km/h以上的高速列車，除英國的HST高速列車由內(nèi)燃動車組牽引外，

13、其余均采用電力牽引。與常速列車的電力牽引相比較，高速列車電力牽引的受電的主要特點如下。 （3）受電弓從接觸網(wǎng)大功率受電問題（1）接觸網(wǎng)與受電弓的波動特性（2）空氣動態(tài)受力問題高速動車組受電弓基本特點：速度高、弓與網(wǎng)波動增大 空氣動力性能影響受電 空氣阻力占總空氣阻力的9% 列車功率大多弓時，增大了阻力、加大了噪聲弓網(wǎng)系統(tǒng)：在最高速度范圍內(nèi)變化正常供電 耐磨性、抗腐蝕能力 對接觸網(wǎng)的結構布置要求更高高速動車組受電弓影響受電性能的因素：接觸壓力：大：過分升高、滑板磨耗大 ?。弘x線、拉弧、燒傷 動態(tài)特性（研究課題）導線波動：噪聲、跟隨性差離 線：電流急變、影響牽引電機高速動車組受電弓要求： 滑板與導

14、線接觸壓力恒定不變 減小慣性力、改善跟隨性 減低空氣阻力高速動車組受電的受電弓 （1）受電弓的滑板與接觸導線之間要保持恒定的接觸壓力，以實現(xiàn)比常速受電弓更為可靠的連續(xù)電接觸。其接觸壓力不能過大或過小。 （2）與常速受電弓相比要盡可能減輕受電弓運動部分的重量，以保證與接觸網(wǎng)有可靠的電接觸。對于高速受電弓，除必須保證機械強度和剛度外，應盡可能降低受電弓運動部分的重量，從而減小運動慣性力。這樣才能使受電弓滑板迅速跟上接觸導線高度的變化，保證良好的電接觸。（3）由于高速運行時空氣阻力很大，因此高速受電弓在結構設計上要作充分考慮，力求使作用在滑板上的空氣制動力有別的零件承擔，從而使受電弓滑板在其垂直工作

15、范圍內(nèi)始終保持水平位置，以減小甚至消除空氣制動力對滑板與接觸導線間接觸壓力的影響。 （4）滑板的材料、性狀和尺寸應適應高速的要求，以保證良好的接觸狀態(tài)及更高的耐磨性能。 （5）要求受電弓在其工作高度范圍內(nèi)升降弓時，初始動作迅速，終了動作較為緩慢，以確保在降弓時快速斷弧，并防止升降弓時受電弓對接觸網(wǎng)和底架有過大的沖擊載荷。 高速受電的接觸網(wǎng) 對高速受電用的接觸網(wǎng)應有更高的要求： （1）在最高運行速度和更大的速度變化范圍內(nèi)應能保證正常供電；（2）應有更高的耐磨性和抗腐蝕（包括抗電蝕）能力；（3）對接觸網(wǎng)的結構和布置應有更高的要求；（4）在接觸網(wǎng)的接觸懸掛方面，目前在常速列車供電中采用的彈性半補償鏈

16、形懸掛和彈性全補償鏈形懸掛已不能適應高速列車的要求，應有更為先進的接觸懸掛裝置。 2.2 傳動方式與傳動裝置2.2.1 直直電傳動2.2.2 交直電傳動2.2.3 交直交電傳動2.2.4 交交電傳動何謂電傳動方式？普遍采用電傳動方式交流傳動技術 早期的電力牽引傳動系統(tǒng)均采用交一直傳動，用直流電動機驅(qū)動。由于直流電動機的單位功率重量較大，使高速列車既要大功率驅(qū)動又要求減輕軸重，特別是減輕簧下部分的質(zhì)量形成難以克服的矛盾。在交流傳動系統(tǒng)中，交流牽引電動機較傳統(tǒng)的直流牽引電動機具有額定輸出功率大；結構簡單、體積小、重量輕、易維修；速度控制方便；效率高等一系列優(yōu)點。 供電、牽引傳動系統(tǒng)接負載AC/DC

17、DC/AC25kV，50Hz 單相交流 直流 交流交流牽引電機電力電子變流器牽引系統(tǒng)主電路高壓設備受電弓主斷路器其它高壓設備主變壓器牽引變流器牽引電機及電傳動系統(tǒng)的保護牽引變流器工作原理圖電機整流器/逆變器/3整流器將牽引變壓器次邊輸入的單相交流電變?yōu)橹绷麟?。交逆變器將中間直流電逆變?yōu)闋恳姍C所需要的可調(diào)頻調(diào)壓的三相交流電。交中間直流電路為逆變器提供一個穩(wěn)定的直流電源。直牽引變流器結構原理圖逆變器整流器 中間直流電路牽引控制系統(tǒng)牽引高壓設備牽引變流牽引驅(qū)動高壓電器主變壓器四象限中間電壓過壓保護牽引逆變器牽引電機齒輪箱車輪網(wǎng)側變流控制器電機側變流控制器車輛控制接觸網(wǎng)受電弓主變壓器變流器牽引電機鋼

18、 軌牽引系統(tǒng)關系鏈再生牽引系統(tǒng)牽引變壓器長：2570mm寬：2300mm高：835mm重量：2910kg線圈結構：牽引繞組2組 輔助繞組1組 原邊繞組牽引繞組輔助繞組容量3060kVA2570kVA490kVA電壓25000V1500V400V電流122A857A21225A頻率50Hz牽引系統(tǒng)牽引變流器長：3100mm寬：2730mm高：650mm重量：1900kgIGBT：3300V、1200A中間直流電壓：3000V額定參數(shù)：輸入：1500V，857A，50Hz輸出：三相 2300V，424A， 0220Hz 牽引電機 牽引電機可根據(jù)牽引變流器輸出三相交流電的幅值和頻率的變化，來改變動車

19、組的牽引力和速度。 列車制動時牽引電機可在發(fā)電狀態(tài)下運行，將動能轉(zhuǎn)化為電能，達到減速的目的。牽引電機轉(zhuǎn)子定子排氣蓋空氣吸入口長：720mm寬：697mm高：629mm重量：440kg三相交流異步電機 額定功率：300kW 額定電壓：2000V 額定電流：140Hz 額定頻率：140Hz 第三節(jié) 動力車車體及走行部3.1 動力車車體 3.1.1 結構輕量化 3.1.2 外形流線化3.2 走行部分 3.2.1 總體要求 3.2.2 基本特點3.1.1 結構輕量化為了節(jié)省牽引功率，降低高速所引起的動力作用對線路結構、機車車輛結構產(chǎn)生的損傷，以及提高旅客乘坐舒適度，需要最大限度地降低高速動車組的軸重。

20、因此，各國高速動車車體的主要材料是鋁合金和不銹鋼，從發(fā)展趨勢看，鋁合金將成為動車組車體的主導材料。 軸重與輪軌作用車 型最高運營速度（km/h）最大軸重（t）平均軸重（t）（日）0系列21016.015.1（日）100系列22015.014.5（日）300系列27011.311.1（法）TGV-PSE27017.016.0（法）TGV-R30017.016.0（法）TGV-2N30017.016.3（德）ICE25019.515.1（德）ICE-228019.514.2（意）ETR-50030017.012.33.1.1 結構輕量化實現(xiàn)結構輕量化的主要途徑有兩個：一是采用新材料，二是合理優(yōu)化結構設計 目前，國外高速車輛的車體材料主要有：不銹鋼、高強度耐候鋼、鋁合金。 薄型材（單殼）結構 中空型材（雙殼）結構 車體結構高速動車組車體：輕量化技術+鋁合金/不銹鋼低車內(nèi)、車外噪聲車內(nèi)設備約占客車總重量的20，輕量化具有重要意義。 1.車內(nèi)設備如門、窗、行李架、座椅、供水設各、衛(wèi)生設備等等，均可選用輕合金或高分子工程材料和復合材料，使設備重量大大減輕。 2.車內(nèi)裝飾板材廣泛采用薄膜鋁合金墻板，工程塑料頂板等。 3.其它設備的輕量化。如日本