法国高速铁路技术(3)tie25a.doc

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高速列车5.1 TGV高速动车组的发展 自1967年起，法国国营铁路开始着手研究高速运输。首先，尝试将航空用燃气涡轮发动机用于铁路动车组。1969年11月，法国研制成功了第一代ETG型燃气轮动车组，最高试验速度达到248km/h。此后，为了进一步提高燃气轮动车组的质量，又研制出第二代RTG型燃气轮动车组，最高运行速度为260km/h。为了配合在巴黎里昂建设高速铁路，还研制了第三代TGV001型燃气轮动车组，5节编组，1972年最高试验速度达到318km/h,创造了内燃牵引的世界记录。截止1996年末，法国国营铁路投入运营的燃气轮动车组还有22列，其中用于长途列车14列(70节动车和拖车)，用于地方列车8列(32节动车和拖车)。然而，1973年中东战争引起的第一次全球性石油危机促使法国国铁发展高速列车的技术政策产生决定性的转折，即由开始时的燃气轮牵引向电气化牵引转变。自那时起，法国率先在欧洲实行将速度、环保意识、充分利用能源、高新技术以及经济可靠性综合考虑的技术方针，大力推进研制TGV电力牵引高速列车系统。1973年制造了一列Z7001电动车组，1975年最高试验速度达到309km/h,1976年开始，法国决定着力研究TGVPSE新型高速电动车组2列。自1981年9月第一列高速电动车组TGVPSE投入商业运营以来，已逐步发展成为一个庞大的高速列车系列，并打入国际市场，成为惟一出口高速列车的国家。其发展演变过程如下。 东南线高速动车组TGVPSE是法国第一代高速电动车组，1981年9月首次在巴黎里昂东南高速线南段投入运营，1983年9月在巴黎里昂全线投入运营，该列车最高试验速度达到380km/h，最高运营速度为270km/h,使巴黎里昂间的运行时间从4h减为2，比原先压缩了一半。 大西洋线高速动车组TGVA是法国第二代高速电动车组，1989年9月TGVA型动车组在巴黎勒芒布里塔尼亚线投入运行，一年之后，线路向南延长至图尔。其最高运营速度为300km/h。1990年5月，TGVA型试验动车组曾在大西洋线创造了515.3km/h的轮轨系统高速行车世界记录并保持至今。 路网高速动车组TGVR，是从大西洋高速动车组TGVA衍生而来的，自1993年5月起投入运行，能适用于比利时与荷兰的供电电压和信号系统，同时把里尔、巴黎、里昂和波尔多等大城市通过高速动车组联系在一起，其最高商业运营速度为300km/h。 双层高速动车组TGV2N被法铁称为第三代TGV高速电动车组，其在同样运营条件下，比普通TGV动车组多运载40%的乘客。第一批已于1996年投入商业运营，最高运营速度300km/h，自1997年9月起在东南线每隔发车一次。自2001年起，双层高速动车组通至马赛。 欧洲之星高速动车组TGVTMST也是由TGVA衍生而来，自1994年11月起在巴黎伦敦，布鲁塞尔伦敦之间的线路上投入运行，最高商业运营速度为300km/h。巴黎伦敦间的行驶时间为3h，在规划中的伦敦至英吉利海峡隧道入口的新线路建成后，将会使旅行时间再缩短.。欧洲之星高速动车组适用于其运行通过的3个国家不同的供电制式、信号系统及线路限界。 西班牙AVE型高速动车组是法西两国通过协议，由法国向西班牙进行技术转让的高速动车组类型，也属第二代。已于1992年4月在马德里塞维利亚高速线投入商业运营，最高运营速度为300km/h,其结构基本上按TGVA设计，但内部空，。，。，。，间布置及设备、外观设计及供电系统等按西班牙方面的要求进行了改进。24列AVE高速动车组中有20列由法国阿尔斯通公司与其西班牙分公司合作，在西班牙建造。 塔利斯高速电动车组TGVPBKA于1996年投入运行，主要用于法国、比利时、荷兰、德国四国间的国际联运。其也属第二代TGV，在巴黎布鲁塞尔科隆间的旅行时间为3h，在巴黎布鲁塞尔阿姆斯特丹间旅行时间为3h15min，该型动车组最高运行速度为300km/h,其四流制供电系统及多信号系统设计可适应四国不同的供电制式、信号系统及线路限界要求，因而是一种真正的欧洲列车。 韩国高速电动车组TGVK，1994年韩国向法国订购了46列，其中有34列按技贸结合的合同规定由韩国企业制造。 韩国高速电动车组TGVK载客为935人，最高商业运营速度为300km/h。 目前法国已开始研制第四代动力分散式AGV型高速动车组。 上述TGV高速动车组系列的主要技术特征及技术参数如表251所示。迄今已向阿尔斯通公司订购的TGV高速动车组数量及交货期如表252所示。各型TGV高速动车组外形如图251所示。表252 TGV高速动车组数量及交货期 ，。，车 型列车数第一列交货年份，第一代，。，TGVPSE1061981邮政高速列车31984第二代，。，TGVA1051988AVE241991TGVR901993TGVTMST381994TGVPBKA171996TGVK(韩国)461997，。，第三代TGV2N301995总计4595.2 法国TGV高速动车组的技术特点 法国是继日本之后，在欧洲首先发展高速铁路的国家。虽然从1981年第一列高速动车组投入运行至今20年期间，已开发了三代TGV高速列车，列车的型号也较多，但在技术上始终坚持保留了TGV高速动车组如下的一些基本特点。 (1)列车编组结构始终保持两端为动力车，中间车辆为铰接式联结，形成不可分解的动车组。法国国铁认为这种结构的列车具有一系列的优点。 具有优良的整体性，加强对列车蛇行运动的约束，有利于安全运行。事实也证明了这一点。在1993年12月21日一列TGVR型动车组运行在北方高速线时，线路下面存有第一次世界大战期间遗留的暗沟未被发现，由于暴雨造成了线路7m长路基的塌陷，引起了运行速度达300km/h的TGVR型列车尾部车辆脱轨，列车脱轨后向前冲了2km停下来，却奇迹般没有一辆车倾覆，旅客中仅有3人轻度受伤。 车辆之间联结处因无车钩，纵向间隙小，平滑过渡，并且转向架数量少，空气扰流阻力小，列车整体空气动力学性能良好。 由于铰接式转向架二系悬挂支点高，车辆重心低，改善了车体侧滚振动。转向架位于两辆拖车之间，旅客座位处的振动、噪声均较小，提高了旅客的舒适度。 便于加大转向架的轴距，提高转向架的高速稳定性。 对于双层客车提高载重量提供了最佳的结构。由于采用了铰接式转向架，可以将双层客车车辆通道设在上层面，减少楼梯占用面积，增加了设置座席的面积。 (2)列车动力转向架采用牵引电机体悬及三球销万向轴传动系统，这也是所有TGV高速动车组坚持保留的传统设计，有利于减轻簧下质量，保持动力车运行的稳定性与平稳性。 (3)保持列车的轻量化。由于一辆拖车平均只有一台转向架承载，在保持轴重不大于17t条件下，每辆拖车总重均小于34t。 ，。，(4)根据法国的传统经验，在交流传动系统的设计中，除了TGVTMST型高速动车组采用异步牵引电机外，所有的TGV高速动车组(包括西班牙AVE、韩国TGVK)全部采用三相交流自换相同步牵引电机和独立的牵引单元设计。同时动力车的动力制动也全部采用不受供电系统影响的电阻制动系统。其特点是逆变器结构简单、重量轻。此外，同步电机不存在当接触网出现故障断电时的制动安全问题。这是因为同步电机可在任何转矩下利用普通蓄电池组实现励磁，迅速转为发电机，由制动电阻消耗电能，并通过控制励磁电流来控制制动力的大小，这也是法国TGV动力车普遍采用电阻制动的原因。 (5)采用一列车使用一个受电弓，通过高压电缆向第二台动力车馈电的方案。这样有利于提高受电弓的受流性能，减少离线趋势。受电弓均采用两级悬挂的结构，具有良好的机械、电气和气动力学性能。5.3 TGVPSE型第一代高速电动车组 5.3.1 TGVPSE型动车组总体特性及主要技术条件 TGVPSE型动车组为动力集中模式，编组形成为IL+8T+IL(见图252)，全列车共有13台转向架，其中6台是动力转向架(其中有两台分别安装在邻近动力车的拖车端部)，7台非动力铰接式转向架。两辆拖车端部支承在同一台铰接式转向架上。 TGVPSE型动车组的总定员为368人，其中头等车座席共有108个，二等车座席260个。列车的两端分别为动车M1和M2；拖车R1、R2、和R3为头等车，前两节设有35个座席，R3设有38个座席；拖车R4是酒吧车，设有20个二等座席；拖车R5R8均为二等车，每节车厢设有60个座席。 ，。，图53 TGVPSE型动车组牵引及阻力特性曲线TGVPSE作为TGV的第一代动车组，仍然采用交直传动方式，其牵引特性曲线及列车阻力曲线见图253所示。其启动牵引力为210kN。 TGVPSE的主要技术特征及技术参数见表251所列。 TGVPSE型动车组作为第一代TGV高速动车组，其主要技术条件如下。 (1)基本要求 适应的环境温度及湿度25+40，相对湿度60%侧向风15m/s加速能力在30坡道上以0.05m/s2储备加速度启动，保持10min达到60km/h轴重17t轮重以最高速度运行在新建线路上，动态与静态轮重之和不超过170kN可靠性发生一次影响运行或需救援的故障前的平均无故障工作时间至少为10000h安全性制动系统失灵或抱死轮对时必须马上通知司机并显示故障类型、位置可使用性每日使用21h情况下年累计走行40万km可维修性零部件更换容易，困难部件(如构架)使用寿命保证为35年，影响安全的零部件可实施无损检查 大修走行公里必须达到： 转向架构架、轴箱轴承450104km轮对200104km机械传动装置200104km牵引电机450104km二级悬挂系统450104km减振器200104km (2)主要技术条件 牵引黏着系数最大利用值 低速启动20%100km/h时17%200km/h时13%200km/h以上9% 制动黏着系数最大利用值 200km/h以上9%200km/h以下13%脱轨安全性符合ORE B55规程轨道最大横向力0.85(P：轴重/kN)轨道平均横向力0.33(P:轴重/kN)转向架构架横向加速度连续振动6次以上，极限值810m/s2(带通滤波器0.510Hz)舒适度符合UIC标准“振动舒适度”规范车厢内加速度值垂直2.5m/s2,水平2.5m/s2转向架零部件最大许用应力符合UIC*515规范轴承润滑脂润滑，电绝缘 紧急制动距离(平直线路干燥轨面上) 270km/h03200m270km/h220km/h1250m160km/h0900m 常用制动减速度 5坡度0.5m/s212.5坡度0.44m/s2储备制动减速度0.05m/s2 在潮湿、冰、雪等不利黏着条件下制动距离限速250km/h0 5坡道 3450m 12.5%坡道3860m。司机制动控制 符合UIC 541.3规范，机车车辆外侧有空气制动及缓解显示 以上所有技术条件对以后所述的各型TGV高速动车组而言，基本上都是适用的。 5.3.2 法国铁路机车车辆限界 法国铁路的机车车辆限界如图254所示，其高度尺寸仅为4280mm，宽度尺寸为3150mm，在各国的机车车辆限界中是偏小的。但是国际铁盟在UIC 505201机车车辆动态限界标准制定后，给法国高速机车车辆车体断面的设计留有了发展的余地。 ，。，图254 法国铁路机车车辆限界(单位：mm)5.3.3 TGVPSE型动车组的动力车 (1)总体布置 TGVPSE型动车组的动力车的总体设备配置如图255所示。动力车的牵引动力装置适用于交流25kV、50Hz，交流15kV、Hz，直流1.5kV三种电流制式。 司机室仪表和操纵设备布置于司机台及司机座两侧。在操纵上较方便，但视觉上不简洁。 (2)电传动系统 TGVPSE型动车组开发时间较早，于20世纪60年代末，因此其电传动系统沿用了法国机车上(如BB22200系列双流制机车)已经成熟应用的双流制晶闸管半控桥整流器及斩波器相控调压装置进行牵引传动或电阻制动控制。 动车组的牵引电气装置包括6个电机控制柜，每个控制柜向6台动力转向架中的一台转向架的两台直流牵引电机供电。各控制柜几乎都是独立工作的。一旦发生电气故障，就可以把这一台故障转向架切除，而同时保持其余5台转向架的牵引力。这种冗余设计思想可以防止预见的和不可预见的故障的发生，确保列车的安全性，可靠性。 在单相交流电网下运行时(法国本土的25kV、50Hz及瑞士的15kV、16Hz两种单相交流电网)，其牵引传动的主回路如图256所示。其基本部件是一个应用成熟的自然换向工作的半控桥整流器(晶闸管、二极管)。 在直流电网下运行时，TGVPSE型动力车的牵引传动主回路如图257所示。其基本部件是斩波器，包括在同一时钟基础上工作的两台有相位差的同步斩波器。 油浸式交/直流、牵引/制动转换开关起重新组合电路的作用。能以最少的部件实现真正的双电流制，节省许多电力电子元件及辅助设备，使牵引电气装置的体积和重量大大减少。，。，图255 TGVPSE的动力车总体设备布置图(单位：mm)1单相交流受电弓；2直流受电弓；3主变压器；4牵引电机微机控制装置；5断路器、主滤波器总成；6控制柜(装有安全控制装置和数控计算机)；7辅助装置；8空气压缩机；9工具架；10衣柜；11工具箱；12单相交流电断路器；13HMC装置；14HOM装置；15避雷针；16空调装置；17蓄电池组；18电容器；19风缸；20风缸护板；21故障传感器；22信号传感器。，。，图256 TGVPSE单相交流电网下工作时的主回路图 当动力车实现电阻制动时，电动机的励磁是由蓄电池组供电，由辅助斩波器调节。同一台转向架上的两台电机磁场绕组是串联的，而这两台电机本身始终都是并联的。制动工况时的主回路图见图258所示。为了调节制动力，要改变制动电阻，这种改变是通过晶闸管和二极管装置组成的“分路”电阻来实现。这种晶闸管和二极管装置是并联在制动电阻上的主斩波器。每次进入制动时主斩波器要进行重新组合。，。，图257 TGVPSE直流电网下工作时的主回路图，。，图258 TGVPSE在电阻制动工况时的主回路图 电阻制动分为3个工作阶段。当速度从260km/h降到210km/h是实现恒功制动。此时主斩波器处于最小导通状态，变阻器的电阻值限制在一个固定值。随速度下降，在增加感应线圈电流的同时，调节电枢电流。速度在210km/h到70km/h，磁场绕组接受恒流，主斩波器调制变阻器电阻，动力车取得恒制动力。70km/h以下速度时，主斩波器处于最大导通状态，变阻器电阻为最小值，磁场电流恒定，取得与速度成正比的制动力。或是磁场电流减少，取得与速度平方成正比的制动力，直至速度降到12km/h为止。后者的工况具有降低蓄电池能耗的优点。 在每个电机控制柜内，主要有个具有不同功能的“黑盒子”：一个是直流电网下(DC 1.5kV)的牵引控制；一个是单相交流电网下(25kV、50Hz或15kV、16Hz)的牵引控制；一个是电阻制动控制。采用抽屉式的组装及容易插入和测试的插件，便于维修检查。电子元件采用了双面压接式快速二极管及晶闸管(关断时间30s)。电子控制装置广泛采用模拟集成电路和逻辑集成电路TTL，标准化格式的印刷电路板配置在标准化构架抽屉里，保证了运用的方便性与可靠性。 (3)车体结构 动力车车体采用全钢筒体焊接结构。车体骨架采用低合金钢，外墙板采用含硫低(7)、含铜高的低合金钢。动力车头部根据空气动力学原理设计而成，尽量减少车组的运行阻力，采用流线型外形。车体采用有限元法和计算机进行设计，外形美观、结构合理，具有良好的机械性能和运行品质。 动力车车体钢结构均经过严格的试验检测，底架水平作用力为2MN，驾驶室中部水平作用力为0.7MN，风挡部位水平压力为0.3MN，车体自振频率大于8Hz。 动力车底架主要由2条端梁、2条枕梁、4条纵梁和一些横梁组成。2条中央纵梁均由倒置的形钢板压型梁加焊5mm厚钢质盖板组成；2条外侧纵梁为Z形梁，钢板厚度5mm；前端梁由3块5mm厚平置钢板、2块5mm厚立置侧板和2块10mm厚底部钢板组焊而成。后端梁由一个L形压型钢板(用10mm钢板轧制而成)和一块5mm厚水平盖板焊接组成。 动力车头部前端有4个箱型立柱，用4mm厚钢板焊接而成。立柱的底部都焊接在底架上，后两根立柱的下部还嵌装焊接在端梁上。动力车后端门的两侧端板，均用1.5mm 厚钢板焊接在2根角柱和端部门框立柱上，该结构具有30min 的耐火特性。 ，。，图259 Y225型转向架结构(4)TGVPSE动力转向架 法国研究TGV高速转向架有很长的历史。20世纪70年代初，法国已在第一代、第二代燃气轮动车组基础上研制第三代高速燃气轮动车组TGV001型。编组5辆(2M3T)，均采用Y225型铰接式雅可比转向架，5辆车共6台转向架。Y225型转向架与当时法国新型电力机车转向架基本相同，大部分都是传统的成熟技术。轴箱采用拉杆定位，中央悬挂由空气弹簧与金属橡胶弹簧串联组成。在横向主要是利用空气弹簧的横向刚度，在纵向主要是利用金属橡胶弹簧产生的较大的变形。Y225型转向架结构如图259所示。 ，。，图2510 Y226型转向架结构，。，图2511 Y230型转向架结构 TGV001于1972年4月投入运用试验。当年创造了318km/h的试验记录，到1976年11月，共运行了35.7万km，其中有175次列车以300km/h以上的速度运行。在研制Y225型转向架的同时，还着手设计了一个新的高速转向架Y226型，它最初装于Z7001型电动车组上，牵引电机装于车体上，进行传动装置的试验。Y226型的一系和二系悬挂与Y225型有很大不同，但仍然是成熟技术。轴箱定位采用锥形的夹层橡胶套，在轴箱顶部设置两组双圈螺旋弹簧；中央悬挂为圣欧本式高圆簧，并装有两个垂直减振器，如图2510。这种形式转向架兼有大多数新型客车转向架的某些特点，如Y207、Y28、Y223及Y32。 Z7001电动车组于1974年开始高速试验，1975年最高试验速度达到309km/h,到1976年11月共进行了47.3万km试验，其中有48次列车以300km/h以上的速度运行，通过长期试验，改进了传动装置和走行部，确认了轻型车辆300km/h以上运行的可能性。 1975年4月，法国决定将TGV动车组改为电力牵引。19751976年，Y226型转向架经适当改变后作为雅可比转向架装于TGV001型动力车上进行试验，其中央悬挂仍采用空气弹簧和橡胶堆，与Y225相同。同时还开发了Y229A和Y229B两种拖车转向架，装于TGV001型动车组上。Y229B每轴装有4个制动盘。 从1972年4月TGV001出厂以后就着手一个为期三年的很广泛的试验计划，专门侧重于试验横向稳定性及其在各种因素影响下的变化。1974年又在Z7001型动车组上也开始着手同样的研究，这样法国国营铁路首次对影响转向架稳定性的主要因素作了系统的有条理的试验，尤其是对抗蛇行液压减振器的各种功能试验。 通过这些试验对下列因素的影响作了研究： 抗蛇行阻力矩的数值； 作为走行里程的函数，随车辆磨耗而增大的踏面有效斜度； 转向架构架的质量，从Y225上先拿掉两台电机，然后拿掉传动减速装置； 轴距，以Y226(2.9m)和Y225(2.6m)作比较； Y226转向架的轴箱和构架的联结刚度； 抗蛇行减振器的附加刚度。 根据在这些不同转向架上的试验结果，才有可能为TGVPSE转向架的横向稳定性选择最好的参数。 1978年7月和12月，两列TGVPSE型高速动车组交货并开始试验，1981年9月TGVPSE开始投入运营，营业速度260km/h。1982年2月试验最高速度达到380km/h。1983年5月营业速度达到270km/h。TGVPSE所用的动力车转向架为Y230型，它的雏形就是Y226型；所用的拖车转向架为Y231型，它的雏型就是从Y226型改进而来的Y229型。 TGVPSE的动力转向架Y230型为无摇枕式转向架(见图2511)，这种转向架是动力集中模式高速列车体悬式动力转向架的代表。 Y230型转向架自重7263kg，其构架由箱型的鱼腹形侧梁和横梁组成，H形焊接结构。为防止车体相对转向架横移过量，在枕梁中部装有两个刚度递增的横向橡胶止挡。构架采用A42PZ低碳钢板焊成，焊接质量要求严格，焊后进行检查和矫正，焊接后需进行机械加工，并进行消除焊接应力的600整体回火处理。对于1级焊缝则需要进行超声波探伤后再处理。最后进行几何尺寸精细检查。 Y230型转向架的牵引电机与其输出端相联的三级变速齿轮箱构成一个整体单元，通过三点支撑悬挂在车体上，齿轮箱变速比为1.934。电机的输出扭矩通过与电机轴和轮对轴平行的“三球销伸缩式万向轴”(也称三爪伸缩式万向轴)传给轮对齿轮箱，该装置中部是带三凹槽的销套，带3个滚动轴承的万向轴轴杆嵌在3个凹槽内，万向槽可以在销套内自由伸缩位移达120mm。三轴承滚动时测得的轴向摩擦系数仅为0.003。轮对齿轮箱一端吊挂在构架横梁下。为了补偿车体与轮对之间较大的动态位移，“三球销伸缩式万向轴”是极为关键的部件，也是法国TGV高速动力车中始终坚持采用的专门技术之一。图2512为该部件的外观形状。它可运行200