（电力电子与电力传动专业论文）crh2300型动车组的牵引制动性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1f 页 曼曼曼曼皇曼鼍曼i i i l liii ii i i i 曼曼皇曼曼曼量曼曼皇曼 a b s t r a c t t r a i nt r a c t i o na n d b r a k i n gp e r f o r m a n c ei st h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co ft h et r a i n ， w h i c hi sa ni m p o r t a n tb a s i sf o rt h ed e s i g no ft r a i nt r a c t i o nd r i v es y s t e m i ti sa l s oa c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ti n d e xo ft h eh i g h - s p e e de m ut r a c t i o nd r i v es y s t e mw h i c hi sa m u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n gs y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ep e r f o r m a n c e o ft r a i nt r a c t i o na n db r a k i n gf o rc r h 2 3 0 0e m uw h i c hi so n eo ft h eh i g h - s p e e de m us e r i e s i n t r o d u c e df i r s t l yb yo u rc o u n t r y t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sc o n d u c i v et ot h ed e v e l o p m e n t o fc h i n a sh i g h - s p e e dr a i l w a ys y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fh i g h s p e e de m ua th o m ea n d a b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n a sr a i l w a yo p e r a t i o n s ，a n dp r o p o s e st e c h n i c a l r e q u i r e m e n t sf o r t h ei n t r o d u c t i o no fe m u i ti sb a s i so nt h et r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o nt h e o r y ， a sc r h 2 3 0 0e m ut h er e s e a r c ho b j e c t ，a n a l y s e st h es t r u c t u r eo fi t st r a c t i o nd r i v es y s t e m a n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l ei nt r a c t i o na n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n g t h et r a c t i o na n db r a k i n g p e r f o r m a n c eo fc r h 2 - 3 0 0e m ui sr e s e a r c h e da n da n a l y s e d ，i nam e a s u r ec a l c u l a t i n g t r a c t i o np e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s i n c l u d i n ga d h e s i o nt r a c t i o n ，r u n n i n gr e s i s t a n c e ，t h e t r a c t i o nf e a t u r ea n ds oo n ，a n o t h e rc a l c u l a t i n gb r a k i n gp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sf o r e x a m p l eb r a k i n gf o r c e ，b r a k i n gd i s t a n c ea n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a x i m u mt r a c t i o nf o r c eo fc r h 2 30 0e m um e e t st h ea d h e s i v ec o n s t r a i n t s ；a t t h ei n i t i a lv e l o c i t y3 0 0k m ht h ee m e r g e n c yb r a k i n gd i s t a n c ei s2 7 8 6 6 8 m ，w h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n t so fr a i l w a yt e c h n o l o g yp o l i c i e s a n d r e g u l a t i o n s r e g e n e r a t i v eb r a k i n g p e r f o r m a n c es h o w st h a tt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gf o r c e sl i m i tv a l u ei sn om o r et h a n a d h e s i o nv a l u e ，a n dm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt oc r h 2 - 3 0 0e m u st r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e g e n e r a t i v e b r a k i n gf e a t u r e ，f i n do u t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f e a c ht r a c t i o n m o t o r ，c a l c u l a t i n gt h e c o m p o n e n t so f i t st r a c t i o nd r i v es y s t e mi nt r a c t i o nc o n d i t i o n sa n dw h e n r e g e n e r a t i v eb r a k i n g c o n d i t i o n sr e s p e c t i v e l yc a p a c i t y u n d e rt h et r a c t i o nm o t o rc h a r a c t e r i s t i c s ，d i s c u s s e so n e l e c t r i ct r a c t i o nt h ea s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g i e s ，a n du s eo fm a t l a b s i m u l i n kt ob u i l dt h e i rs i m u l a t i o nm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h et r a c t i o nm o t o r c h a r a c t e r i s t i c sa n dc r h 2 3 0 0e m ut r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i tm e a n st h a tc o n s t a n ts t a r t i n g t o r q u e ，c o n s t a n tp o w e ro p e r a t i o nc o n s i s t e n tw i t ht r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：t r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a d h e s i o n ，b r a k i n gd i s t a n c e ，r e g e n e r a t i v eb r a k e ， t r a c t i o nm o t o r ，v e c t o rc o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名： 穗霞 日期： 功i o f 特别噬氆娄妒缪 醐一胁n 7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、通过查阅资料，对国内外动车组情况进行调查，介绍动车组牵引特性的特点， 对c r h 2 3 0 0 型动车组牵引传动系统的组成原理、主电路进行分析，及其在牵引工况和 再生制动工况时能量的传递过程。 2 、对c r h 2 - 3 0 0 型动车组牵引性能的研究，包括牵引功率、牵引力的计算；并对 牵引特性的恒力矩起动与恒功率运行进行分析。此外还对粘着牵引力、运行阻力进行 分析。 3 、对c r h 2 - 3 0 0 型动车组制动性能研究，即制动力、制动距离的计算和再生制动 特性的分析。 4 、对c r h 2 - 3 0 0 型动车组牵引传动系统各组成部分在牵引工况时和再生制动工况 时的容量进行计算。 5 、分析c r h 2 - 3 0 0 型动车组所用的牵引电机特性，论述电力牵引动车组上异步牵 引电机矢量控制策略，并利用m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真模型。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：如p 馁叩 力龟卜 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 国内外高速动车组综述 铁路运输具有速度快、运量大、能耗低、污染轻、安全性好等诸多优点， 一直都是世界各国现代化交通运输体系中最为重要的运输手段，在国民经济的 发展中发挥着不可替代的作用。随着社会经济的迅速发展，人民生活水平的不 断提高，人们对运输服务质量的要求也愈来愈高，铁路旅客列车原来的运行速 度已远不能满足人们出行的要求。为了促进社会经济的持续发展，世界上许多 发达国家一直在推动本国及相邻区域的轨道交通技术装各现代化进程，不断地 提高机车车辆的运行速度。 1 1 1 国外高速动车组状况 国外高速动车组较发达的国家是欧洲的法国、德国、意大利和瑞典及亚洲 的日本，这些国家的高速动车组有其各自的特点。 法国的高速列车全部采用动力集中方式，他们认为，这样可以降低成本， 便于列车组的薄弱环节动力装置的检修维护，同时无动轴客车的噪声要比 动力分散的客车小很多。因此，法国高速线上的电动车组为动力集中式。法 国在1 9 6 0 年旅客列车的最高运行速度普遍提高到l6 0 k m h ，1 9 7 5 年特快列车的 最高速度达2 0 0 k m h ，7 0 年代末又创3 1 8 k m h 记录，1 9 8 3 年9 月巴黎东南新干线 使用的t g v - a 试验列车试验速度达到5 1 5 3k m h ，创造了轮轨粘着式交通工具 速度的最高记录。1 9 9 0 年大西洋新干线( 巴黎一一勒芒、图尔) 正式通车，采 用t g v a 电动车组，最高运行速度为3 0 0 k m h 。“欧洲之星”高速列车是法国t g v 列车的派生系列，目前运行在伦敦至巴黎和布鲁塞尔之间、该车载客量7 9 4 人、 12 根动轴，总功率1 2 0 0 0 k w ，时速达3 0 0 k m h ，编组型式为2 l 18 t ，铰接式转向 架。本世纪初，由于更高运行速度的提出，法国采用了动力分散方案，完成了 a g v 高速列车的研制。 德国是铁路客运速度提高较快的国家之一，由于人口稠密且分布比较均匀 和工业的发达，所以较早建成了完整的铁路网。1 9 6 2 年德国研制的“莱茵金 子 号客车的构造速度已达1 6 0 k m h ，1 9 7 4 年e t 4 0 3 型电动车组的最高运行速度 为16 0 k m h ，1 9 7 7 年提高到2 0 0 k m h 。19 8 5 年制造出i c e 型高速列车。由5 辆车组 成的i c e 歹u 车于1 9 8 5 年交付试验。头车和尾车为动车，各长2 0 8 m ，自重7 8 2 t ， 采用三相交流牵引装置，每辆动车的功率为4 2 0 0 k w 。中间3 辆拖车的长度均为 2 4 3 4 m 。德国的i c e 第一代列车( i c e l ) 于1 9 8 8 年就跑出了4 0 0 k m h 的速度，列 车编组为2 辆动力头车牵引1 0 1 4 节客车不等。该列车的设计把乘客的舒适度 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 放在首位，由于德国铁路穿越隧道较多，故对列车的密封性设计也仿效日本新 干线列车进行设计，为欧洲第一代气密性列车，随后改进制成i c e 第二代( i c e 2 ) 和i c e 第三代( i c e 3 ) 产品。由于i c e 3 要在莱茵一科隆间线路上运行，该线路设计 坡度为4 0 、并以3 0 0 k m h 运行，为了有足够的粘着力，故该车采用动力分散 型。此外，为了在既有线路实现列车运行速度的提高，德国铁路还开发了i c t 型摆式动车组。目前，运行速度达到3 5 0 k m h 的i c e 21 型高速电动车组正在研制 中。 日本是世界上最早开行高速动车组的国家，日本东海道新干线投入商业运 行4 0 年来，以其高速、安全、准时、污染小而著称，被誉为“日本经济的脊梁。 日本由于降水量多且地基较松软，为了减轻列车压力对线路的冲击采用动力分 散方式，这种小功率、多动轴的方案确保了轮轨间的粘着利用良好。日本的高 速列车以动力分散为主、大编组、高功率、小轴重。由于日本人口比欧洲国家 多、城市密集、又以输送上下班的员工为主，故每列车中一等座席占比例数相 对欧洲国家来说较低。 日本东海道新干线从19 6 4 年投入运营以来，至今已4 0 多年了，高速列车 从东海道新干线的o 系，发展了10 0 系、2 0 0 系、3 0 0 系、4 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系、e 1 系( m a x ) 、e 2 系、e 3 等。3 0 0 系电动车组，其构造速度为3 0 0 k m h ，为 交流传动，采用了再生制动，车辆采用铝合金密封式车体。新干线里最受关注 的车辆，是运营速度最快，体现出九十年代高科技水准的5 0 0 系电动车组。生 产于1 9 9 5 - 19 9 8 年，16 辆编组，最高运行时速为3 0 0 公里。5 0 0 系的车头流线 型可谓十足，弯曲部分长达9 米多。远远看过去，5 0 0 系就象一条细长的蛇。所 有新干线车辆中，流线型最好的就数5 0 0 系了。7 0 0 系名为铁路之星r a ils t a r ， 这是日本最新也是最先进的一款电动车组。正式投入运行是在19 9 9 年3 月1 1 日。7 0 0 系cs e t s 模式每组车有1 6 节车厢，es e t s 模式有8 节车厢。最高运 营时速为2 8 5 k m h 。由于车体采用了中空铝型材，7 0 0 系重仅7 0 8 吨。车的编组 方式为1 2 动4 拖，功率13 2 0 0 k w 。7 0 0 系全长约4 0 0 米，共载13 2 3 名乘客。7 0 0 系的车体是用铝合金压制成的中空外壳，内部填充的是吸音，防震的复合材 料。e 1 型是日本m a x 新干线中的一种，为l2 辆编组，最高时速2 4 0 k m h 。1 9 9 9 年1 2 月后，东北新干线上的e 1 换成了e 4 系。e 2 型为8 辆编组，1 9 9 7 年投入 运营。最高时速为2 7 5 k m h 。e 3 型建造于1 9 9 5 年，编组方式为6 辆( r 系) 和 7 辆( l 5 0 系) 。r 系车在东北新干线上时速为2 7 5 k m h 。而l 5 0 系在东北线上 时速为2 4 0 k m h 。在东京和盛冈之间运行时，e 3 和e 2 拼结成的一组车速度达到 了2 7 5 k m h ，成为e 3 的纪录时速。 日本、法国和德国高速铁路运营年代较久，动车组种类也较多，列车性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼鼍曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇舅皇鼍ni , m mi mn m 曼皇曼曼曼曼量蔓罡鼍曼鼍曼皇鼍 稳定可靠，是我国在现阶段所无法相比的。日本、法国和德国高速列车主要技 术参数见表卜1 。日本、法国和德国高速铁路的成功经验也带动了世界其它国 家和地区高速铁路的发展，意大利、西班牙、瑞典、韩国和我国台湾地区均已 有高速铁路投入运行。今后动车组的发展方向，车体结构、转向架和动力设备 将不断轻型化以满足轴重减轻的要求；注重通用性和多电流制方式，满足不同 国家和地区的运营需要也是制造商普遍关注的问题：摆式车体技术、新型功率 半导体器件、交流异步电动机传动将得到广泛应用；在更高的速度等级上，动 力分散布置将成为动车组下一步的发展方向。 表卜1日本、法国、德国高速列车主要技术 制 奎 列动力轴重额定输 牵引 动轴起动起动主回路 主 运营运营 造 型 奎 配置出功率 电机 轴功力臌牵引控制方 电 动 速度 时间 国编方式 最大平均 ( 列 影 盎 ( m s )力式 机 k m h 编组 方 组 ( t )( t ) h )( k w )( k n ) ( 台)式 日 3 0 0l o m2 m 1 t1 1 31 1 11 2 0 0 04 03 0 01 63 6 0g t o 感 2 7 01 9 9 2 应 系6 t分散v v 、f i v 机 本 5 0 01 6 m4 1 d1 1 11 0 91 8 2 4 06 42 8 51 6g 1 d 感 3 0 01 9 9 6 应 系分散( 1 9 2 )v 、r v f _ i v 机 7 0 01 2 m3 m 1 t1 1 21 1 1 51 3 2 0 04 82 7 51 6i g b t 感 2 7 01 9 9 7 应 系 4 t 分散 ( 2 0 )v 伊一i v 机 e 。系4 m 42 m 2 t1 5 61 4 96 7 2 01 64 2 01 6 5g t o 感 2 4 0 应 t 分散 v v 、f i v 机 法 t g v2 l l 两端 1 7 01 6 o8 8 0 08l1 0 02 1 2 5可控硅 同 3 0 01 9 8 l 步 国ao t集中他励 机 t g v2 l 8 两端 1 7 01 6 38 8 0 081l o o 可控硅 同 3 0 01 9 8 9 步 - 2 nt集中他励 机 欧洲2 l 1两端1 7 o1 7 o1 2 2 0 01 21 0 0 0g t o 感 3 0 0 1 9 8 9 应 之星 8 t 集中 v 、i k i v 机 t g v2 l 1两端1 7 01 6 81 3 2 0 01 211 0 0可控硅 同 3 0 01 9 9 6 步 韩 8 t 集中 他励 机 德 i c e2 l l 两端 1 9 51 5 19 6 0 081 2 0 0g t o 感 2 8 01 9 9 4 应 国一1 2 t 集中 v v v f - i v 机 i c e1 l 7 一端 1 9 51 4 24 8 0 041 2 0 0g 1 d 感 2 8 02 0 0 2 应 - 2t集中 v v 、，f i v 机 i c e 4 m 42 m l t 1 5 o1 2 58 0 0 0 1 6 5 0 0 2 5 2 3 8 5 g t 0 感 3 3 0 1 9 9 1 应 - 3t 分散 、n f i v 机 注：l 一机车 m 动车 t 一拖车 1 1 2 国内高速动车组概况 我国也注重交一直一交电传动技术的研究与应用，“中原之星”号动力分散 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 型电动车组，设计速度为16 0 k m h ，总功率为3 2 0 0 k w ，总定员为5 4 8 人。“蓝 箭号动力集中型电动车组于2 0 0 0 年1 2 月试验完成，总功率4 8 0 0 k w ，设计 时速2 0 0 k m h ，最高试验速度达2 3 5 6 k m h ，总定员4 21 人。动力分散型“先 锋”号电动车组也于同期试制完成，总功率4 8 0 0 k w ，设计时速2 0 0 k m h ，最 高试验速度达2 4 0 k m h ，总定员4 2 4 人。应当指出的是设计时速2 7 0 k m h 的动 力集中型“中华之星 号，是我国高速动车组最高速度值接近国外高速动车组 的水平。该车设计总功率为9 6 0 0 k w ，总定员为7 7 4 人，最高试验速度达 3 2 1 5 k m h 。以上电动车组均采用了交直交传动技术、计算机网络控制技术等 众多国际先进技术，体现了我国机车车辆制造技术的最高水平。总结我国电动 车组的主要技术参数如表1 - 2 。 表卜2国内电动车组主要技术参数 序 参数中华之星 “蓝箭”号动力集中“先锋”号动力分 中原之星 号型电动车组散型电动车组 1 编组方式 m c + 9 t + m cm + 5 t + t cm c + t + m + m + t + m c m c + t p + m + m + t p + m c 轨距1 4 3 5 m m ，电轨距1 4 3 5 m m ，电气轨距1 4 3 5 m m ，电气轨距1 4 3 5 m m ，电 3适用线路 气化2 5 k v 、5 0 h z 化2 5 k y 、5 0 h z化2 5 k v 、5 0 h z 气化2 5 k v 、5 0 h z 4车组总长1 7 2 7 3 ( m )1 5 2 o o( m )1 6 1 3 8 ( m ) 5车组总定员7 7 2 ( 人)4 2 l ( 人)4 2 4 ( 人)5 4 8 ( 人) 6 车组自重 6 7 8 ( t )3 9 1 8 ( t )3 0 6 9 ( t ) 7 构造速度2 7 0 ( k m h 一1 ) 2 1 0 ( k m h 1 )2 0 0 ( k m h 一1 )1 6 0 ( k m h 一1 ) 8 最高速度3 2 1 5 ( k m h 一1 )2 3 5 6 ( k i n h - i )2 5 0 ( k m h 1 ) 1 0 总功率 4 8 0 0 2 ( k w )4 8 0 0 ( k w )4 8 0 0 ( k w )3 2 0 0 ( k w ) 1 l 电传动方式交一直一交交一直一交交一直一交交一直一交 1 3牵引方式双向牵引推挽式双向牵引双向牵引 1 4额定牵引力3 1 4 ( k n )1 6 4 ( k n )2 1 5 ( k n ) 1 5 启动牵引力 4 0 0 ( k n )2 11 ( k n )1 6 8 ( k n ) 1 6 控制方式微机网络控制 v v v fv v v f 微机网络控制 交流再生制动+ 电 1 7 制动方式 再生制动再生制动再生制动 气指令空气制动 1 8 电制动功率 4 4 0 0 2 ( k w ) 4 4 0 0 ( 1 0 8 - 2 2 0 k m h ) 4 8 0 0 ( k w )3 6 0 0 ( k w ) 1 9最大制动力3 0 0 ( 1 0 - 1 0 6 k m h )1 5 0 ( o - 1 0 8 k m h ) 17 0 1 9 6 4 2 2启动加速度0 4 4 ( 0 - 9 3 k m h )0 2 8 ( o - 2 0 5 k m h )0 4 ( 计算值)o 5 动车：1 9 5 1 4 5 3 0轴重( t )动车：1 9 5动车：1 7 拖车：1 5 5 总之，交一直一交传动技术的动车组在我国铁路上已有几种样车在试运行， 但编组车辆数较少，速度一般在2 0 0 k m h 左右，载客量低，轴重大，可靠性有 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 待提高，故仍不能适应我国高速铁路的客运要求。 因此，为适应我国高速铁路的客运要求，进步增强设计、制造能力，满 足第六次提速列车运行时速达到2 0 0 k m h 的需要，我国引进技术制造了“和谐 号”c r h l 、c r h 2 、c r h 3 和c r h 5 型动力分散型高速动车组，并已投入运营，这 些动车组部分区段最高运营速度可达到2 5 0 k m h 或3 0 0 k m h 。 1 2 我国动车组引进分析 日本，法国、德国三个国家是目前高速铁路较发达的国家，但是各国的车 型不同，既然要引进，就应选择适合于我国的高速动车组，从以下几方面比较： 速度、密度及运量的要求 对高速铁路来说，要求列车有较高的营业速度，这样才能与航空业和高速 公路进行竞争，日本3 0 0 系列速度为2 7 0 k m h ，5 0 0 系平均速度已达2 6 8 6 k m h 。 日本4 条高速铁路线每天开行6 4 0 列，平均4 - 5 m i n 发一列车。更重要的是日本 的高速列车载客量大，这一点更接近我国的实际情况。 对环境的影响 一。 对环境污染小也是日本高速列车的特点之一。在距外轨2 5 m 及高出地面 1 2 m 处测试，日本高速列车的噪音在7 5 d b 以内，而法国和德国的高速列车分 别在8 4 d b 和8 7 d b 之内。 列车定员多、技术经济指标高 由于日本列车采用了动分散式、机电设备实现了小型化和轻型化、全部动 力设备均布置在车的地板下面、所有车辆均载客、故大幅度的提高了定员。日 本、法国、德国列车载客量比较见表卜3 。从上表可以看出，日本高速列车载 客量大，载重率大、人均占有输出功率低，节能效果好。 表1 3 日本、法国、德国列车载客量比较 国别列车名称定员国别列车名称 定员 0 系1 6 m1 2 8 5t g v a2 l + l0 t4 8 5 1 0 0 系1 6 m1 2 6 5 t g v r2 l + 8 t3 7 7 10 0 n 系16 m13 0 4法国t g v 2 n2 l + 8 t5 4 5 日本 2 0 0 系12 m 8 8 5t g v - t2 l + l8 t7 9 4 e 1 系6 m 6 t 1 2 3 5 德国 i c e l2 l + 1 4 t7 5 9 3 0 0 系10 m 6 t13 2 3i c e 21 l + 7 t3 9 3 5 0 0 系16 m 13 2 4 欧洲之星2 l 1 8 t 7 9 4 轴重及簧下重量低 轴重轻是日本高速列车的_ 个重要特点，这是由于采用动力分散式列车， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 机电设备小型化，轻型化的结果。以曰本3 0 0 系为例，轴重为1 1 3 t ，而t g v a 和i c e 列车则分别在17 t 和1 9 5 t 左右。轴重轻、减轻了对线路的冲击，减轻 了冲击钢轨时产生的噪音，降低了对线下工程的投资及以后的养护维修费用。 由于采用了空心车轴等一系列技术措施，簧下重量己降到17 t ，这对提高列车 运行速度及舒适度起了关键的作用。 起动加速度 日本国土狭小，人口多，城市密集，站间距离短，列车起动、制动及加速 频繁，故列车的起动、加速性能一定要优异。由于采用了动力分散式的牵引方 式，驱动轴多，粘着性能好，易于实现高速运转，惰行情况下粘着系数7 7 不 发生空转，而t g v 和i c e 分别为15 9 和2 6 6 。从起动加速度分析可见，动 力分散式的高速列车更适合于我国高速或客专线的运营。 制动方式的比较 由于日本高速列车采用动力分散的牵引方式，能够充分利用电力再生制动， 使再生电力回送电网，节约能源。日本3 0 0 系所需承担的机械制动力低，机械 制动盘及制动闸片数量少、机械磨耗低、检修维护工作量少、维修费也少。 列车编组自由、灵活，运用方便 日本高速列车采用动力分散的牵引方式，列车编组能以车组的单元倍数编 组，编组性能不变。一般都为6 辆、8 辆、1 2 辆、1 6 辆编组，其编组自由、 灵活。 综上所述，高速列车一般均采用具有牵引动力、固定编组的电动车组。在 引进高速动车组时，采用日本模式的高速动车组，对其功率要求、速度要求、 编挂方式及辆数，定员人数，轴重要求，驱动方式及制动方式均应按我国的线 路特征给予约定，以满足我国的运营要求。 1 3c r h 2 - 3 0 0 型动车组简介 c r h 2 - 3 0 0 型动车组电动车组是铁道部为了进行第六次提速向日本川崎重 工引进的高速列车后，由我国专家将之国产化的产物。它以日本新干线的 e 2 - 1 0 0 0 系电动车组为基础。c r h 2 - 3 0 0 型动车组时速3 0 0 公里速度级动车组( 简 称3 0 0 k m he m u ) 为动力分散交流传动动车组，可在中国新建3 0 0 k m h 速度级 客运专线( 3 0 0 线) 上运营，并能在新建2 0 0 k m h 速度级客运专线上以2 0 0 k m h 速度正常运行。采用八辆编组，六动两拖，定员6 1 0 人，最高运营速度3 0 0 k m h ， 最高试验速度3 5 0 k m h ，最大牵引功率7 3 4 2 k w ，具有车体强度高、防火性能好、 安全可靠性高、起动加速度大、噪音低、维护量小、寿命长、寿命周期成本低 等优点。c r h 2 - 3 0 0 型动车组各车辆的主要设备配置如表卜4 所示。 列车的2 号、3 号、4 号、5 号、6 号、7 号车为动车，1 号、8 号车为拖 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 车。列车有2 台受电弓，分别设于4 号车和6 号车上正常运行时列车单弓受流， 另一台受电弓处于折叠备用状态。受电弓将2 5 k v 的交流电通过高压电缆传给 牵引变压器。列车共有两台牵引变压器给六台牵引变流器供电。牵引变压器为 a t m 9 型单相无压密封壳式结构，用螺栓固定的吊挂方式安装在车体之下。牵 引变压器具有坚固的机械结构能够而机械振动和冲击；具有体积小、质量轻铁 耗小的优点。牵引变流器采用免维修半导体模块结构，其构成在下文中有详细 说明在此不做论述。牵引变流器通过整流逆变将15 0 0 v 的交流电变换为电压和 频率均可调的交流电供给牵引电机。牵引电机为m t 2 0 5 型三相鼠笼异步电动 机，每台牵引变流器带动4 台牵引电动机，即每个动车设有4 台牵引电动机， 全车共有2 4 台牵引电动机。电动机额定功率为3 0 0 k w ，额定转速为 4 1 4 0 r a d m i n 。电动机具有功率大、体积小、质量轻、结构简单构造牢固的优 点，具有良好的牵引特性。 表卜4c r h 2 3 0 0 型动车组车辆的主要设备配置 车号形式定员主要设各其它 lt 15 5二等车、驾驶室、卫生间、盥洗室禁烟车厢 2m 11 0 0二等车、饮水机禁烟车厢 3m 28 5二等车、物品室、卫生间、盥洗室、饮水机禁烟车厢 带受电弓 4m 31 0 0 二等车 禁烟车厢 5m 45 5二等车、餐饮区、卫生间、盥洗室、饮水机禁烟车厢 带受电弓 6m 51 0 0 二等车 禁烟车厢 一等车、多功能室、乘务员室、卫生间、盥洗室、町乘坐轮椅 7m 65 1 物品室禁烟车厢 町乘坐轮椅 8t 26 4二等车、驾驶室、饮水机 禁烟车厢 合计 6 1 0 1 4 论文选题意义与研究的主要内容 1 4 1 论文选题意义 铁路运输作为我国中长距离，大运量、安全、低耗、环保、快捷的运输形 式已成为交通运输体系中的重要组成部分，在国民经济中占有非常重要的地 位。尤其是铁路客运，运能不足的矛盾已经非常突出，铁路旅客运输现状已成 为制约国民经济发展的瓶颈。我国引进国外动车组：c r h l 、c r h 2 、c r h 3 和c r h 5 ； 为了我国高速铁路事业实现跨越式发展，按照“全面引进技术，联合设计生产， 打造中国品牌 的原则引进国外先进、成熟、经济、适用、可靠的设计、制造 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ! i l l i i ne l i nl i_ ： i r i ii i i 鼍曼皇! 曼曼曼蔓! 曼 技术，为满足我国铁路客运专线和既有线提速旅客运输要求，实现我国铁路动 车组制造业的现代化。 由于我国与国外先进水平存在较大差距，消化吸收国外先进技术以及再创 新的任务还很艰巨。列车的牵引特性和制动特性是列车最重要的特性，是设计 列车牵引传动系统的重要依据，对高速列车牵引传动这一多变量、非线性和强 耦合的系统综合评估。因此论文对c r h 2 - 3 0 0 型动车组牵引制动性能的计算研 究，对高速列车事业有着重要的意义。 1 4 2 论文研究的主要内容 c r h 2 3 0 0 型动车组现在京津城际高速铁路上运行，其牵引传动系统组成 主要由带受电弓和保护装置的高压单元、主变压器、牵引变流器、三相异步牵 引电机、牵引控制器组成。论文通过分析c r h 2 - 3 0 0 型动车组的牵引传动系统， 主要对c r h 2 3 0 0 型动车组牵引制动性能进行研究，内容包括以下几个方面： 第1 章绪论介绍了国内外高速动车组的发展情况，我国动车组引进简单分 析，指出c r h 2 3 0 0 型动车组牵引制动性能研究意义和本文的主要研究工作。 第2 章介绍动车组牵引与制动性能理论的基础知识，阐述了动车组牵引力， 运行阻力，制动力的产生与计算；对动车组运行过程进行数学的描述和粘着控 制；介绍动车组牵引特性的特点。 第3 章分析c r h 2 3 0 0 型动车组牵引传动系统的结构、组成原理，牵引工 况和再生制动工况时能量的传递过程，及其主电路的结构。 第4 章对c r h 2 3 0 0 型动车组牵引性能的研究，对动车组牵引功率、牵引 力计算等等；并对牵引特性进行分析。此外还论述了粘着和粘着牵引力的计算， 以及运行阻力的分析。 第5 章对c r h 2 - 3 0 0 型动车组制动性能研究，包括制动距离、空气制动力 的计算，再生制动特性的分析。 第6 章计算c r h 2 3 0 0 型动车组牵引传动系统各组成部分在牵引工况时和 再生制动工况时的容量。分析c r h 2 - 3 0 0 型动车组所用的牵引电机特性，论述 电力牵引动车组上异步牵引电机矢量控制策略，并利用m a t l a b si m u lin k 建 立仿真模型，使牵引电机输出恒定的电磁转矩，实现动车组的恒力矩运行特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼曼曼曼曼曼i = ii = = = = i = = = = = i = iii i i i 鼍皇曼皇曼鼍曼皇皇曼皇皇曼鼍皇鼍寰蔓曼曼皇窒曼鼍曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓 第2 章动车组牵引制动性能的理论基础 2 1 动车组牵引力 2 。1 1 轮周牵引力的产生 动车组的牵引力来自其中的各个动车，动车的本质是一个能量转换的机 构，它通过牵引传动系统，将电能转换为机械能，传递给动车的动轮上，使列车 运动。直接由接触网获得的电能，通过动力传动装置产生使动轮回转的扭矩， 在动轮轮周上形成切线力，依靠轮轨间的粘着产生由钢轨作用于动轮周上的反 作用力，从而使列车发生平移运动。这种由钢轨作用于动轮周上的切向外力， 即为机车牵引力。产生这个力必须具备下面两个条件： 动车的动轮上有动力传动装置传来的旋转力矩； 动车的动轮与钢轨接触并存在摩擦作用。 r9 ，l， 图2 1牵引力的产生 当牵引电机产生的旋转力矩传递于动轮时，轮轨间出现相对运动的趋势， 只要轮轨间的静摩擦状态不被破坏，动轮就对钢轨产生一个作用力f ，同时 钢轨对动轮产生反作用力f ，两者大小相等，方向相反。机车牵引力的产生过 程如图2 1 所示，由于这对作用力和反作用力由动轮的旋转力矩m 产生，每个 动轮的轮周牵引力f 的计算式如下： f ：丝 ( 2 1 ) 。 灭 式中：m 一动轮的旋转力矩 r 一动轮半径的计算值 r ：业，( 其中职为动车组动轮的名义直径，b 为动轮的磨耗限度) 。 2 。 对于动车组来说，牵引力f 就是由动力传动装置提供的，与列车运行方向 相同的外力。由于它作用于动轮轮周的踏面，所以通常称为轮周牵引力，由式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 皇曼量皇璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼皇曼曼曼舅曼曼曼孽曼孽皇皇皇曼皇皇皇曼皇皇鼍曼鼍曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼iii i ii 皇! 曼曼鼍曼曼皇曼曼皇曼曼 ( 2 1 ) 可知，要提高牵引力，必须增加机车的牵引功率，使一定时间内有更 多的电能转化为机械能。从整个动车组的机车来看，机车的轮周力f 为机车各 动轮的轮周牵引力之和，即 ，= i ( 2 2 ) 机车的轮周牵引力部分克服机车内的各种阻力，其余通过转向架、车体传递到 车钩，牵引列车前行。车钩上的那部分牵引力称为车钩牵引力，以只表示， = f c o ( 2 - 3 ) 式中： 缈一动车组的总阻力。 动车组的牵引力是动轮受驱动转矩作用后产生的，因为驱动转矩是可以控 制的，因而机车的牵引力可以受司机控制。只要粘着没有破坏，调节牵引电动 机转矩的大小，就可以改变切向力的值，就可以得到不同的轮周牵引力f 。动 车组所能实现的最大牵引力受粘着条件的限制。 2 1 2 粘着牵引力 由粘着条件决定的最大粘着力，也就是动轮在不发生空转的前提条件下所 能实现的最大轮周牵引力称为粘着牵引力。轮周上的切线力大于轮轨间的粘着 力时动轮就要发生空转。粘着牵引力的值按下式计算： l = l g u j ( k n )( 2 - 4 ) 式中：f ，计算的粘着牵引力，k n p ，一机车计算粘着重量，t ，一计算粘着系数 g 一重力加速度，g = 9 8 1 m s 2 当动车组各轴中的驱动转矩传递到轮缘的作用力超过粘着牵引力时，粘着 条件相对最差的动轴首先发生空转，机车的牵引力立即下降。轮轨之间就会发 生相对滑动，钢轨和车轮也会受到严重的磨损。 粘着系数z ，和轮轨接触几何尺寸、接触区域状态、动轮直径、运行速度等 有关。动车组高速运行时，轮轨间的接触条件恶化，粘着系数降低；另一方面， 动车组动轮直径比内燃、电力机车的小，所以，动车组的粘着系数比机车的粘 着系数小。 计算粘着系数不同于并小于理论粘着系数( 轮轨问的最大静摩擦系数) ， 它应考虑机车轴重和牵引力分配不均、运行中轴重增减载、牵引力的波动、轮 轨间的滑动( 纵向的和横向的) 等等不利因素的影响，并且主要与机车转向架 结构，轮轨表面清洁状况和机车运行速度有关。对3 0 0k m h e m u 动车组，各速 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 度下的粘着系数不同，低速起动时不超过0 2 ；10 0k m h 时不超过0 17 ：2 0 0 k m h 时不超过o 1 3 ；3 0 0k m h 时不超过0 0 9 。 日本高速动车组使的粘着系数随速度变化的计算公式如下： “：! 兰：皇( 2 - 5 ) 。 v + 8 5 粘着系数的计算公式，各国铁路根据自己的具体情况，各自采用自己的计 算公式。我国一般采用粘着系数计算公式如下， 干燥双= 0 0 6 2 4 + 矿4 五5 丽6 ，风= 0 2 4 ( 2 6 ) 潮湿：以2 o 0 4 0 5 + 歹i i d d 面d ，风= 0 1 5 ( 2 - 7 ) 值得说明的是，动车组速度在2 5 0 一 - 2 0 0k m h 之间，且轨面状态不好时， 粘着系数大约为0 0 7 7 0 0 8 3 之间，粘着允许的制动减速度为0 7 6 0 8 l m s2 ，因此，3 0 0k m he m u 的平均制动减速度都处于边缘，因此，采取增 粘措施( 采用踏面清扫器) 和防滑措施( 采用防滑控制) 是制动系统必须的。 这样，动车组的最大制动减速度在轨面状态较好时或轨面