中国高铁核心技术

中国高铁核心技术中国高铁核心技术 高速铁路从技术体系上讲大致可以分为这样一个板块 公路工程 牵引供电 运行控制与 通信 高速列车 客运服务 综合维修 安全防灾和应急处理 工务工程 1 工务 工程 工务工程一般包括轨道结构 路基 桥梁 隧道 房建工程等各个子系统 我国铁 路建设在公路工程方面主要依靠技术创新 我们国家的高速铁路一般采用全线高架 无砟 轨道 高速道和超长无缝钢轨等技 高速铁路从技术体系上讲大致可以分为这样一个板块 公路工程 牵引供电 运行控制与 通信 高速列车 客运服务 综合维修 安全防灾和应急处理 工务工程 1 工务工程 工务工程一般包括轨道结构 路基 桥梁 隧道 房建工程等各个子系 统 我国铁路建设在公路工程方面主要依靠技术创新 我们国家的高速铁路一般采用全线 高架 无砟轨道 高速道和超长无缝钢轨等技术 京津城际采用 CRTS II 型板式无渣轨道 结构 6 5 米轨道板纵向连接 专业化制造 加工机施工安装精度高 运营一年表明 无 砟轨道京都高稳定性好 刚组均匀 我们的无缝线路 采用 60 公斤 米 100 米定尺 U71Muk 高性能钢轨 现场焊接 弹性扣件 轨温锁定技术 跨区间超长无缝路线 高速道岔 大号码高速道岔 直向通过速度 350km h 侧向通过速度 120 250km h 中国高铁技术适应复杂地形 日本国土面积小 铁路所跨越的地区气候和地质条件比较类 似 而中国国土面积大 地形复杂 横跨多个不同的气候和地质区域 因此在高铁的实际 建设中完全照搬引进日法德的技术显然行不通 技术必须进行创新 因此 作为应对复杂 地形方面 贯穿辽阔国土面积的中国高铁 在设计上自然有更多的实际经验 技术上也比 日本具有更多的优势 铁道部总工程师何华武就指出 中国京津 武广 郑西高速铁路非常典型 京津城际 是软土路基 武广高铁是岩溶路基 郑西高铁是黄土湿陷性路基 这样的地质条件下建铁 路 尤其是建高速铁路 需要处理好地基以及路基的填入技术 而日本 法国 德国都没 有这样的地质条件 中国的综合能力超过他们 许克亮表示 如果说中国的 线上 主要指机车 是走 引进 消化 吸收 之路 那么线下工程 主要指土建 则是由中国人自己创造的一个完整系统的 标准 中国高铁经过的地方地质难度较大 要穿越水下 60 米深的浏阳河 还要从 70 多米 高的地方跨越山谷等 地质的难度 决定了中国高铁的线下功夫 2 牵引供电 由电力 接触网 变电 供电 远动等构成 外电 110kv 22Okv 接入 变电所 通过接触网为高速列车供电 A2 27 5kv 的 AT 供电方式 供电距离 60km 比直 供延长 1 倍 通过 SCADA 系统实现远程监测 控制与调节 实现保护 控制一体化和越 区供电 我国高铁采取综合接地 防雷 融冰雪技术 自动过分相 端点过分相 利用列车惯性通过无电区 时速 250 公里的线路采用这个 技术 我们在时速 350 公里的线路上采用了不断电过分相技术 通过地面和车载装置 实 现列车瞬间通过无电区的系统控制 切换时间 0 3 秒左右 高速列车动力丢失少 长距离 运行节能效果非常明显 大幅压缩运行时分 高速接触网 在明线 隧道 桥梁和不同气候条件等复杂工程下 时速 350 公里 采 用简单链型 弹性连型悬挂技术 研发高强高导接触网导线 保证接触网与受电弓匹配良 好 受流稳定 武广客运专线接触网采用弹性缝型悬挂方式 实现时速 350 公里双弓稳定 受流 为世界首创 尤其是高速电气化铁路牵引供电系统的主体设备接触网 已经开始实现关键零部件的国产 化 3 列车运行控制 列控系统是确保列车行车安全的控制系统 我国采用的 中国列车 运行控制系统 CTCS CTCS 1 级 人控优先 超速防护 普速铁路 CTCS 2 级 机 控制优先 基于轨道电路 应答器的地对车单向信息传递 250km h 客专 5 分钟追踪 CTCS 3 级 疾控 基于无限数据传输平台 GSM R 车地双向列控信息传递 350km h 客专 3 分钟追踪 CTCS 4 级 移动闭塞或虚拟闭塞 另外 武广高铁的 列控中心系统平台 发明已经向国家知识产权局提出了专利申请 它主要是运用 二乘二取二 的冗余技术 二乘二取二 是一种广泛应用于铁路方面的技术 具有更高的安全性和可靠性 二乘二侧重于系统的可用性和可靠性 二取二侧重于系统的 安全性和稳定性 而在技术实现上主要有两种方式 指令级同步和任务级同步 即系统平 台采用多层次的安全防护措施 所有的安全输出均由两套独立 非相关的软 硬件子系统 共同确定 符合故障 安全原则 命令在输出前进行比较 检查有错误便不产生输出 输 出后也会检查 保证不产生错误输出 基于以上的控制系统 武广高铁在 32 公里范围内互通信息数据 并自动保持 14 公里 的安全车距 如果车距小于 14 公里 调度中心会给动车发出指令 后车便可自动根据与 前车的距离来调整车速 C3 系统在武广高铁的成功运用 关键在于我们实现了两大创新 一个是系统集成创新 一个是引进消化吸收再创新 我们参照了一些国外的相关标准 但整个 C3 系统 包括标 准规范体系 系统机构的研发 系统结果的测试 系统产品的制造 施工安装联调联试等 都是完全由中国人自己完成的 通号集团 C3 攻关实施组组长 研究设计院总工程师 集 团副总工程师张苑如实阐述 中国创造 四个字 C3 的核心技术在于应用无线传输方式控制列车运行 其中有两个关键设备 一个在地 面 一个在车上 地面的叫 RBC 系统 中文名字叫无线闭塞中心系统 RBC 的功能就是让 列车 该走的时候走 该停的时候停 车上的叫 ATP 系统 中文名字叫列车超速防护系统 功能就是连续不间断地对列车实行速度监督 实现超速防护 时速 350 公里高速动车列车如果瞬间刹车制动 需要减速滑行 6500 米 通过 C3 系统 的控制 武广高铁全线运营的高速列车在武汉调度中心的 RBC 系统监控下 通过 RBC 系 统的控制指令和车载 ATP 的控制 能确保每辆列车自身不超速并使前后两个列车之间保持 安全行车距离 因 C3 攻关被评为全国劳模的张苑说 C3 级列控系统技术创主要有四大点 首次通过无 线通信的方式实现了对长大距离范围内时速 350 公里列车的安全可靠运行控制 完成了列 控系统 C2 C3 控车模式集成 创建了全速 全景综合设计集成平台和一整套测试验证方法 构建了完整的技术标准体系 铁道部党组书记 部长刘志军 2009 年国庆期间检查武广高铁时指出 武广高铁科技含 量最高的技术是 C3 列控系统 为适应铁路重载运输的需求 南车株机公司通过技术创新和研究 在机车同步操纵技术 大功率交流传动机车技术取得突破性进展 在世界上首次实现机车无线同步操纵技术与 GSM R 技术结合 大幅度提升了重载铁路的运输能力 以和谐 1 型大功率交流传动机车 担当的大秦铁路是世界上年运量最高的重载铁路 为加快发展我国及世界铁路重载运输提 供了成功范例 4 高速列车 高速列车是高速铁路的核心技术之一 也是世界各国在高速铁路当中竞 争的制高点 高速列车由 45000 个零部件组成 工程中分为九大关键技术 包括集成技术 目前能够掌握集成技术的德国 法国 日本 韩国 二是车体制造 三是牵引系统 牵引 系统是高铁竞争的核心之一 主要由变压器九变流器 牵引控制 电机几个不同的部分组 成 高速列车所有的用电设备和运动器件都采用传感器进行实时的监控 高速转向架 高 速列车的转向架是列车技术的核心也是轮轨技术的核心 高速专项架的结构功能 高速列 车技术的核心 具有承载 导向 减震 牵引及制动等功能 传统意义上的火车头已经看 不见了 转向架技术创新点主要在于抑制它的蛇行运动 由于车轮的反面很锥形 需要良 好的工作曲线 锥形的爬点就形成了固有的刺激震动 这也是转向架能跑多高速度的核心 还有脱轨安全性 我们在研究高速列车转向架轮轨安全的时候做了一个突破性的测试 世 界各国高速铁路和它的普速铁路是不相吻的 也就是说它不做跨线运行的技术准备 所以 大多数国家 包括日本 它的轮轨匹配都是按照高速线和普速线来设计 我们国家高速铁 路和现在了路网形成跨线 这个路网的效应就会非常的好 我们在设计我们国家的轮轨匹 配的时候采用了特有方案 这个方案比德国的明显好 不仅可以满足本线运行 而且还可 以实现跨线运行 这项技术我们在本国和多国申报了专利 高速转向架 我们希望有较高的临界速度 比如时速 350 公里高速列车转向架理论上 是 490 公里 在西南交通大学做到了 410 公里 最后的实验没有做下去 只做到了 410 公 里 为了验证我们高速转向架的性能 我们用了 180 多天在京津城际对高速转向架做了大 量在线试验 在高速的条件下 启动升力 交会启动激扰对轮重减载率 轮轴横向力等安 全性指标的影响进行了测试 实验的结果在 394 公里的时候脱轨系数只有 0 3 轮轴横向 力最大有 17 5 千米 平稳型指标小于 2 0 安全性指标和舒适性指标都最大 又是在头头 相交 头尾相交 尾尾相交的时候稳定性非常高 这为京沪高速再提高一点做了很好的铺 垫和准备 车体技术 我们国家高速列车的车体设计结构优几个特点 采用了薄壁木筒型铝合金 焊接结构 鼓型宽车体 3 3m 我们用了 2 年多时间 在我们国家三个企业全部实现了国产 化 我们的技术难点是宽车体 轻量化 复杂交变载荷工况下 解决的技术难题 结构强 度 模态匹配 减震降噪 减少阻力 车体主要的考核指标是气动性能 列车在交会和过 隧道的时候 在列车的周边会形成很大的阻压 我们国家实行的气动强度指标是正负 4000 帕 在各种阻力都做了不同速度下的单车过隧道 双向过隧道的实验 气动强度是不够的 但是京沪高速 我们希望通过泰山这段 22 个连续的隧道 气动强度更好一点 新一代的 高速列车把气动强度的指标提高到正负 6000 帕 高速列车除了有很好的安全性还要有很好的舒适型 振动和噪音控制得当 列车的振 动主要来自两个方面 一方面是气体与车体的摩擦产生的振动和噪音 二是线路的不平顺 产生的噪音 后者产生的噪音对车不仅有舒适型的影响还有安全性的影响 可以看出来 线路的阻振的波长与车体的模态匹配很好 因此很多同志 包括国外的同仁 日本人 德 国人 坐了京津城际 认为我们在减震和降噪方面做得要比他们好 比如我们时速 350 公 里的头车的噪音可以做到 68 个分贝 中国高速列车降噪措施主要在噪声源的控制 车轮 采用降噪的涂料 车与车之间的连接使它更加平滑等等 车体的设计减少运行阻力 是一个很重要的技术工作 京津城际我们做了大量的实验 以后 对我们目前的二型车和三型车在高速运行条件下的运行阻力 特别是车头的阻力和 车身的阻力做了详细的分析 这张图显示京沪高速新一代高速列车的头型设计 见图 我们做了四个头型 一号 二号 三号 十四号 目前 世界上高速列车的头型发展有两 个趋势 以德国和法国为代表的 他们目前一般都在做回型头型 这种头型运行阻力较大 但是噪音较小 日本做成蛇行 运行阻力较小 但是噪音很高 我们是把两种技术做了一 定的融合 京沪高速会采用一号方案 二号作为储备 14 号方案用于时速 500 公里的实验 列车 这个车明年年底也要下线 牵引传动系统 我国高速列车采用交直交 动力分散牵引传动方式 关键技术 轻量 化 大客量变压器 大功率变流器 1GBT 模块 轻量化牵引电机 传动装置 输出一个 可以控制电压和频率的交流电 刺激电机运行 带动高速运转 在制动的时候 列车强大 的惯性 动能转变成电能反馈回来 如果忽略空气的运行阻力和摩擦阻力 动能速度在 50 公里以上有 98 可以再次利用 高速列车的制动系统采用电 空复合制动 在高速的情况下 首先采用电制动 当时 速达到 50 公里采用摩擦制动 同时达到列车的精确制动 到紧急制动的时候电制动和摩 擦制动同时进行 关键技术 电 空匹配控制 防滑控制 大容量摩擦副 粘着与减速度匹 配 350 公里 时制动距离 武广客运专线大量采用了自主研发的先进的减震性轨道技术 其中包括了重型无缝钢轨 新型扣件 弹性轨枕以及吸音材料制成的声障屏 吸声式隔音窗等新材料新设备 列车通 过时的噪音大大降低 在 1 月 11 日召开的国家科学技术奖励大会上 中国南车青岛四方机车车辆股份有限公司 的 CRH2 型高速动车组转向架 荣获国家科学技术进步一等奖 CRH2 型高速动车组转向 架的研制开发过程中 申请了大批专利 据介绍 转向架是高速动车组的走行装置 具有 承载 减震 导向 牵引 制动等重要功能 决定了列车运行速度和运行品质 是高速动 车组的核心技术 CRH2 在高速转向架动力学等多方面实现了技术创新 成功解决了高速 条件下列车抗线路激扰 抗蛇形运动失稳 抗高速脱轨等关键技术难题 并实现了我国铁 路动车组在既有线和高速铁路的兼容运行 整体技术达到国际先进水平 在第六次铁路既 有线大提速中 这一成果应用于京广 京沪等 9 条共计 6000 多公里的主要干线 以及京 津城际高铁动车组 武广高铁动车组 世界首创的长大编组卧铺动车组等 这一技术成果 应用的高速动车组累计运营里程已超过 9000 万公里 累计运送旅客 1 23 亿人次 除了使用 CRH2 型高速动车组转向架 武广高铁采用的 CRH3 型动车组列车系统创新 了大断面宽车体 高速轮轨 高速受流 高速制动 人机界面等关键技术 在牵引系统 制动系统 车体空气动力学等方面的技术处于当今世界领先地位 牵引功率达到 8800 千 瓦 具有强劲的启动加速和持续高速运行的能力 高气密性轨道车辆车体 技术解决了上述不足 采用了气密隔墙结构 将头车司机室 前部与车厢部分有效隔离 分隔成完全密封的两部分 避免在列车进行高速运行时 因车 体头部所承载的空气压力过大 造成车体密封不严的现象 此外 该车体各大部件之间的 连接部均采用满焊工艺焊接 且在车体的各个开口走线的位置 采用了套管加堵板的结构 走线完毕后灌上密封胶 更进一步保证了车体的高密封性能 这种车体结构不仅适用于铝 合金型材的车体 也同样适用于碳钢 不锈钢车体 可用于时速 200 公里及以上速度等级 的动车组 目前广泛应用于 CRH2 系列动车组 已装用 1200 余辆 总价值近 30 亿元 带有热熔型减震材料的中空薄壁型材 技术解决了这个难题 采用铝合金中空薄壁挤 压型材 可以实现较高的刚度和强度设计要求 同时 因为是减震隔音材料 所以降低震 动 噪音向客室内的传递 据了解 这项专利技术可适用于时速 200 公里等级及以上的动 车组车体结构 目前广泛应用于 CRH2C 300 系列动车组车体 及 CRH2 长大编组系列动 车组车体 已装用 700 余辆 总价值近 10 亿元 5 旅客服务系统 大量运用了信息技术 需要给各位专家报告的是 铁路的票务系统 看似简单 实际上很难 去年我们国家铁路旅客发送人数是 14 亿人 中国人每人坐了一 次火车 去年印度人每人坐 5 次火车 日本 2008 年的统计 每人每年坐轨道交通 200 次 我们测算到 2011 2012 年 高速铁路网基本建成以后 每年旅客发送量大约在 70 亿 人次以上 对这样一个大型票务系统数据平台建设 目前我们和中科院以及和几所大学还 在探讨 这是一个很大的处理系统 我们在站车信息服务和引导服务方面也要采用大量的 信息技术 6 高速铁路的安全与否取决于三个要素 第一个要素是系统本身的稳定性 第二个要 素是维修的可靠性 第三个要素是意外事故的控制 高速铁路的维修我们现在采用的是手 段 一是采用现代化的检测与维修设备 这是世界上目前速度最高的综合检测设备 我们 的零号列车在检测线路 通信 讯号的时候达到 250 公里 每日 0 点以后设置 4 小时左右 综合维修 天窗 这段时间不行车 采用现代化的设施对线路进行检测 检查结束以后每 天开行之前会对开一个空载的动车组对线路进行确认 每 10 天我们有综合检测车对线路 的基础设施 通讯信号和牵引供电设备进行综合的检测和诊断 7 安全防灾监测系统 高速列车对侧风比较敏感 一般在每秒 15 米侧风条件下我们 会采用降速的办法 从 350 降到 250 对大风 雨雪 地震比较敏感 在异物侵限 线路 沉降监测 接触网 通信 信号检测 高速列车运行品质 轴温 防火智能检测诊断 以 及全线视频监控 据许克亮介绍 为武广高铁开发的列车控制系统 代表了世界先进水平 实行 双保险 监 控 全线每隔一段距离就有一座数据接受塔 像移动通讯一样 监测全线有无人 牲口等 进入 这是无线监控 轨道上还设有有线监控 铁轨上几毫米的变形和下沉 都看得十分 清楚 一旦前方有不速之客侵入铁路 监控系统会立刻指令列车自动停车 在安全防灾监测系统上 高速列车对侧风比较敏感 一般在每秒 15 米侧风条件下会采用 降速的办法 从时速 350 公里降到 250 公里 在长达 700 多公里的路段上设有融雪装置 铁路冻到一定程度 这个装置就会自动启动 武广高铁采用国产化的融雪装置 一旦遇到极端天气 装置将自动启动 融化冰雪 这套 融雪装置即是北京中铁通电务技术开发中心发明的专利技术 一种铁路道岔融雪电加 热元件安装装置 一名不愿透露姓名的专家认为 中国的高铁技术相对于德国 日本等有三个优势 一是从 工务工程 通信信号 牵引供电到客车制造等方面 中国可以一揽子出口 而这在别的国 家难以做到 二是中国高铁技术层次丰富 既可以进行 250 公里时速的既有线改造 也可 以新建 350 公里时速的新线路 三是中国高铁的建造成本较低 比其他国家低 20 左右 中国高铁技术的全球领先则表现在很多方面 例如全线铺设无砟轨道 铁路数字移动通 信系统 高速铁路列车运行控制系统 国产 和谐号 动车组整体质量等 动车动车 连电动机都不能自己生产 而要依赖进口的 连刹车片 底盘 传动系统都要 依赖进口或者技术授权的 中国铁路虽然没有产生革命性的专利 但是却产生了革命性的应用 并将在此基础上产生 新的系统性的专利 如列车调度 安全监控等方面 已经超越了西方的铁路系统 运行时速 350 公里 列车运行最小间隔 3 分钟 列 最小曲线半径 9000 米 最大坡度 20 武广高铁在工程施工 节能环保 技术创新等一系列领域 都达到了国际领先水 平 创造了多项世界第一 成为中国高速铁路自主设计 自主施工 自主装备制造的又一 个奇迹 记者从铁道部获悉 截至目前 武广高铁共提交了 925 件专利申请 其中有多件发明专利 武广高铁所应用的发明专利 计算机冗余系统 已获得国家知识产权局的授权 该发 明公开了一种计算机冗余系统 包括两个中央处理板 至少一个外设板 每个中央处理板 上安装有两个 CPU 每个外设板上安装有两个 CPU 这些 CPU 均连接有各自的总线收发器 通过各自的总线收发器再一一连接 构成通信线路 从而达到冗余 当一个中央处理板出 现故障时 外设板依然可以继续进行数据交互并实现其自身功能 作为中国轨道交通装备制造业的国家主力军 中国南车株机公司在 2009 年获得海外签约额 超过 5 亿元人民币 地铁车辆高端产品 不仅进入地铁技术准入最高的国家 新加坡 而且 首次进入曾经紧闭的欧洲市场 获得土尔其伊兹密尔 3 5 亿元轻轨列车订单 2010 年 中国南车株机公司将迎来出口机车集中交付期 全年将交付乌兹别克斯坦 哈萨克斯坦等中亚及其他地区出口机车 65 台 组装厂 北车集团的长春 唐山 南车集团的青岛四方 可能还有株电 车轮根本不可能是国产的 马钢的产品质量远比不上进口的 整体轮 德 法 乌的锻造技术比国内领先的太多了 轴承