瑞典高速铁路技术(2)

高 速 列 车 X2000 型高速摆式列车的基本特征 X2000 型高速摆式列车 技术是瑞典在既有干线上开行高速列车的核心技术 X2000 型高速摆式列车有三大技术特点 首先是采用主动式倾摆车体技术 当列车头部进入曲线部位时 安装在列车第一个转 向架上的传感器发出信号 计算机即根据此信号经计算发出相应指令 通过液压伺服系统 使后面客车车体依次及时地向曲线内侧倾斜适当角度 克服列车通过曲线产生的离心力 因而改善了旅客的舒适性 也就是说 倾摆式车体的设计 使 X2000 型列车比传统列车通 过曲线时增高速度 旅客舒适度没有降低 其次是采用径向自导向转向架技术 普通转向架的车轴之间永远是保持平行 而径向 转向架由于轴箱悬挂系统采用柔性的橡胶 金属人字形弹簧 使转向架通过曲线时 根 车轴可自动成径向位置 有效地减少轮轨间的冲角及横向作用力 这就允许 X2000 型列车 在曲线上增高速度 通过时 不会增加轮轨作用力 保证通过曲线的安全性 第三个技术是采用三相交流传动技术 这也是当今世界上高速列车普遍采用的先进技 术 采用交直交异步电机传动技术不仅提高了列车牵引与制动功率 也降低了列车重量及 转向架簧下质量 改善了接触网供电质量与列车运行品质 减小了维修工作量 X2000 型高速摆式列车的编组及主要技术参数 X2000 型摆式列车的基本编组是 1 节动力车 4 节中间客车及 1 节带有司机室的拖 车 这节拖车有司机室和供旅客乘坐的客室 采用 的编组形式 X2000 型 摆式列车中动力车 拖车的配置见图 所示 列车全长 总定员数为 人 含 10 个餐车位 根据客流的需要也可由 2 组列车编成 1 个列车运行 有重联操 纵装置 由 1 个动力车或尾车操纵 每辆动力车最多可牵引 6 辆拖车 含 1 辆尾车 即 也可两列重联成 的编组形式 图 型摆式列车动力车 拖车配置图 动力车是 1 节具有 1 个司 机室的轻型机车 客车上装有空调 自动车门 旅客信息显示屏幕及旅客在座席上收听音 乐的设备 其中有 1 节装有轮椅提升机构和残疾旅客休息室的客车 瑞典铁路在斯德哥尔摩至哥德堡 斯德哥尔摩至马尔默 哥德堡至马尔默 3 条干线上 均运营 编组形式的 X2000 型列车 在斯德哥尔摩至北部莫拉 圣特维尔等干线 上则开行 编组的 X2000 型列车 因北部运量较小 X 型摆式列车的主要 技术参数 最高速度 210km h 轨距 供电电压 频率 列车总长 度 列车重量 空载 列车总重 满载 动力车自重 头等 二等拖车自重 二等拖车与餐车合造车自重 操纵尾车自重 最大侧向加速度 轨道平面 牵引系统三相交流传动 异步牵引电 机持续额定功率 最大功率 最大牵引力 动力车定距 拖车定距 操纵尾车定距 车辆高度 车体宽度 地板面高 动力车车轮直径 新 旧 拖车车轮直径 新 旧 常用制动减速度和 制动距离 紧急制动减速度和制动距离 制动装置 动力车再生 盘型 踏面清扫 拖车盘型 磁轨动力车长 拖车长 尾车长 客车车厢噪声 司机室噪声 车体主要材料不锈钢 X2000 型摆式列车的主动式倾摆系统 X2000 型高速摆式列车采用主动式 有源式 倾摆系统 这也是 X2000 型摆式列车 的特点 车体倾摆的作用原理 1 车辆通过曲线的物理现象 当 节车辆沿平直线路以恒速运行至曲线区段时 车辆将受到轨道导向给予的横向力 作用在轮轨接触区 根据牛顿第三定律 此横向力是成对出现的 轨道给予车辆横向力称 作向心力 而车体在曲线上的离心力则通过轮轨接触作用在外轨上 此横向力的数值随着曲线半径的减少而成比例地增加 如果曲线半径一定 横向力与 车辆前进速度的平方成正比 不论在直线或曲线上 车辆上始终存在垂直向下的重力 当车辆以较低的速度运行 或通过的曲线半径较大 即使曲线不设超高 车辆所受的 横向力也不会引起旅客太大的不适之感 见图 然而 当曲线半径变小 或车辆速度增加时 横向力就越来越大 以致旅客再也不能忍受这种不适之感 国际上通 常规定 当旅客所感受到的横向力超过旅客本身重量的 时 其舒适性已达到不可接 受的程度 旅客舒适性的极限可以用所受到的横向加速度及垂向加速度来表示 对大部分 旅客来说 横向加速度和向下的垂直加速度的可接受的标准是 到 而 向上的垂直加速度可接受的标准是 大部分旅客对小于 的加速度没有 明显的感受 除了旅客的舒适性外 另一个重要问题是在曲线上车辆速度增加时的安全性 轮轨间 的横向力越大 脱轨的危险性就增加 作用在轮对上的横向力与垂直力的比值 即脱轨系数 是列车通过曲线的安全性的一项重要指标 为了降低旅客所受的离心力作用 并保持良好的脱轨安全性 一般线路曲线区段的外 轨比内轨高 形成一个超高倾斜面 超高的数量可以表示为外轨与内轨的高度差 长度单位 也可表示为轨头平面与水平面形成的角度 角度单位 超高的作用是利用车辆中旅客本身 重力的横向分力来补偿或部分补偿旅客所受到与其方向相反的离心力的作用 见图 所示 图 曲线通过时的加速度和作用力 由于车辆通过一定半径的曲线时 旅客 所受到的离心力是车辆速度的函数 正如图 所示在某一速度时离心力和重力的 横向分力正好相互抵消 换句话说 在给定的曲线半径和超高条件下只存在一个速度值 使离心力的横向分力正好由重力的相应分量所补偿 这个速度称为在一定的曲线半径 超 高和一定的车辆性能条件下的 平衡速度 实际上所有线路的曲线地段 具有一定的超高 值 均设置一个实际的平衡速度来适应稳定性最差的货车的要求 在美国 加拿大这种货车 是 层运小汽车的高重心和受风面积大的货车 且该货车处于最不利的条件下 如停在曲 线上并在曲线外侧受到最强的侧向力 当车辆以高于或低于平衡速度通过曲线时 将产生离心力和重力的横向分力之间的不 平衡 见图 这就是铁路上通常所谓的 欠超高或过超高 这就是说绝 大部分列车在给定曲线上不是以平衡速度运行 其运行速度总是在列车稳定性及轨道作用 力均为安全的一个速度范围内 欠超高 的定义是给定曲线的实际超高与列车以较高速度通过时为平衡离心力所需 要的超高量之差 欠超高是不平衡速度最方便的参数表征量 它与为平衡离心力所需要的 车体倾摆角度直接有关 也与维持旅客所能接受的舒适性直接有关 轨道几何参数和车辆或列车的速度不是影响车体有效倾摆角的惟一因素 当以等于或 低于平衡速度运行时 由于车辆二系悬挂系统的作用 使作用在车辆重心上的不平衡横向 力趋使车体压缩二系悬挂弹簧 车体向曲线外侧不平衡力方向更多地倾斜 这将增加不平 衡力的值如图 所示 车辆的二系悬挂弹簧越 软 不平衡力将越大 像汽车在 相当高的速度下拐弯时不舒服地 侧滚 一样 但在许多悬挂系统中设计了抗 侧滚 扭 杆或横向连杆来限制这种效应 2 倾摆车体在曲线上提高速度的原因 对车辆的某些悬挂系统而言 由于二系悬挂的两侧弹簧的不同压缩量而引起车辆向外 侧滚 所造成的旅客舒适性下降与降低曲线的超高效果是相同的 见图 如图 所示当人为地将客车的车体倾摆时 有可能降低或消除作用在旅客身 上的不平衡的横向力 由于车体倾摆相对水平面产生了一个倾斜角度 相当于曲线超高增 加了 从而改善了旅客的舒适性 图 通过曲线时悬挂系统弹簧 压缩对旅客作用力的影响 将悬挂系统弹簧的压缩与设计的车体倾摆两者的效应合并在 一起 可以得到作用在旅客身上的力的合成图 如图 所示 当列车以高于平衡 速度通过曲线时 车体倾摆的目的就是为了减少旅客所感受到的横向力 使旅客的舒适度 达到可接受的程度 采用倾摆式列车就可以用较高速度通过既有线曲线区段既不降低旅客 的乘坐舒适性 又不用增加曲线超高以免货物列车运行时发生不稳定倾覆的危险 然而 摆式车体并不能降低车辆对轨道的水平作用力 速度以上的摆式 车体技术经常要与低轴重 低簧下质量 径向转向架及主动悬挂系统等新技术相结合 图 设计的车体倾摆对作用在旅客身上的力的影响 X2000 型摆式列 车的主动式 有源式 倾摆系统 X2000 型摆式列车的全部客车 拖车 尾车 都装有有源 式车体倾摆系统 列车在曲线上行驶时 该系统使旅客承受的侧向力减少了大约 犹如在曲线上给高速列车增大外轨超高 以解决高速所增大的离心力的平衡问题 倾摆动 作由电 液伺服系统来完成的 客车倾摆系统的原理见图 所示 车体摆动机构 设置于转向架的上 下摇枕之间 上摇枕通过 根吊杆悬挂在下摇枕上 形同一个对称的 连杆机构 两侧各设一个液压伸缩油缸来驱动车体的倾摆 这种设计使二系悬挂位于倾 摆平面以上 因而二系悬挂受到的横向力很小 液压油缸的上下两端分别固定在上 下摇 枕体内 液压系统中除液压伸缩油缸以外的全部液压设备都安装在位于地板下的 个机柜 内 重 包括 个油泵 个循环泵 个高压 主泵 循环泵的作用是把油从油箱中抽出 流经滤清器及冷却器返回油箱 主泵则向液压 缸输送已过滤并具有合适温度的压力油 当列车通过接触网供电电压的中性段及缓和曲线 时 气体储能器可提供倾摆能源 该系统的压力为 流向液压缸的油是受伺服 阀控制的 它从控制系统接收电基准信号 节车辆的 个转向架的倾摆动作由同一伺服 阀控制 这就保证了 节车辆的 个转向架的倾摆机构总是向相同方向倾摆 以避免两台 转向架倾摆机构的动作互相矛盾 从而避免了车辆发生车轮减载过限的危险 图 X2000 的主动式倾摆系统原理图 下摇枕 上摇枕 油缸 吊杆 空气弹簧 为可靠起见 系统还有第 2 个伺服阀作备用 以模拟后备方式 工作 如果倾摆系统无法工作 压力将降为零 车体将自动回到非倾摆位 故障导向安全 正常工作时 倾摆动作受列车计算机系统 TRACS 控制和监视 摆角的基准值由列车第 一个前导转向架上的加速度计给出 经滤波后通过列车计算机的串行数据总线发送到其他 所有车辆上 依据车辆所处不同的曲线半径每节车辆上的控制微处理机将分别延迟适当的 时间向液压系统下达指令 使车体摆动一定的角度 每节车辆的倾摆由 个闭环调节系统 所控制 即每个转向架上的光学数字角度传感器 能测出车体的实际摆角并反馈给调节器 调节器再把信号送到伺服阀 以控制液压油流向各液压油缸 此系统监测所得故障和异常 情况将通过车上的故障显示系统向司机显示 在计算机系统发生故障的情况下 个模拟 备用系统将自动接替它的工作 车体摆动最大倾斜角度为 在机械尺寸上可摆到 扣除一系与二系弹簧的影 响 最大有效倾角为 最大倾摆速度为 摆动中心与车体重心基本上重合 距轨面约 因此倾摆动作不会影响车辆的动态安全极限 即轮轨间的作用力 倾摆系统控制原理如图 所示 当头部车辆进缓和曲线 前导转向架上的加 速度传感器感受到横向加速度即产生出与此加速度成正比的电信号 这是倾摆系统的控制 命令 为了防止道岔 钢轨接头 轨道不平顺等对传感器的干扰 造成车体不稳定 所以 要经过 个低通滤波器剔除干扰信号 这将使反应时间延迟 左右 为了弥补延时的 损失 通常把传感器置于头部车辆上 由它控制后部各节车辆的倾摆机构 经滤波处理的 信号进入伺服阀 控制伺服阀内的滑阀位置 由它决定液压油进入左右 组液压缸 A 或 B 以及油量的多少 使车体倾摆一定角度 摇枕上装有摆角光学数字传感器 将车体摆角 信号反馈给控制电路 与传感器发出的指令信号作比较 从而调整车体摆角 一旦车体达 到要求的摆角 反馈信号与给定信号完全抵消 伺服阀滑阀回到中间位置 完成车体倾摆 过程 对摆动系统的要求是 响应要快而稳 故障导向安全 可靠性高 尤其是在冬季可靠 性要求更高 当速度低于 时 倾摆机构停止作用 列车的每节车辆都有自己的 摆动计算机 来判断信号的对错 重要的信息都是成双 的 在 摆动计算机 断路的情况下 1 个模拟控制系统将自动地控制车辆的摆动 该模 拟后备系统是通过邻车的摆动信号进行控制的 即故障车辆 带有模拟后备系统 在这种情 况下是由邻车进行监控的 系统按最大加速度 设计 能补偿横向加速度的 在转向架的横 向加速度达 时 车体的横向加速度可为 当计算机控制失 效时 直接放大回路将给定的转角信号放大实现开环控制 同样原理 在导向转向架驶出曲线后 计算机按设定程序指令各辆拖车依次恢复正位 状态 若按我国铁路干线规定最大允许超高为 允许欠超高为 计算 在不同曲线半径区段 普通列车和不同摆角的摆式列车的允许速度计算值见表 计算公式见 节 表 摆式列车在我国的允许速度计算值 允许最高速度 曲线半径 普通列车 摆式车体 摆式车体 摆式车体 径向自导向转向架 图 转向架在曲线上的位置 径向自导向转向架技术是 X2000 型摆式列车在 既有线上提高速度的关键技术 因为倾摆车体只能减少旅客所承受的离心力 但不能减少 轮轨间的横向作用力 当在既有线的曲线上以更高速度通过时 导向轮对会产生大的轮轨 横向力 很可能导致脱轨系数超过限值而引起脱轨危险 但瑞典的工程师们认为 通过采 用自导向径向转向架技术 可将曲线通过时的轮轨横向力降到常规的允许水平 使防脱轨 安全性能大大提高 在这方面瑞典工程师取得了成功 径向自导向转向架能在曲线上保持高速度运行原理 传统的构架式转向 架在曲线上运行时 个轮对基本上处于平行状态 从而不可避免地造成前导轮对的大冲 角 见图 轮对一边向前纯滚动 一边必须横向朝曲线中心移动 但轮轨接触面上的蠕滑力往往 不够大 不能推动轮对横移 势必形成外侧导轮轮缘贴钢轨 产生较大的轮缘力 从而造 成一系列不利的后果 如轨距挤宽 钢轨磨损 轮缘垂直磨耗等 直接影响列车的安全性 增加脱轨的危险 因此传统转向架在曲线上高速运行受到了限制 而径向自导向转向架在曲线上可使轮对的轴线基本上处于曲线的半径方向 如图 所示 理论上不存在冲角 其所以能产生如此良好的效应 应归功于轮对与 转向架之间的金属橡胶堆一系悬挂系统 见图 所示 它使轮对在转向架平面内 有较大的活动度 即两根轴是 柔性 的 车辆在曲线上行驶时 使车轮与轨道的冲角减 少至接近于零度 这就大大减少轮轨之间的横向作用力 增加了抗脱轨的安全性 使转向 架能在曲线上高速行驶 同时又减轻了轮轨磨耗 节省了牵引动力 径向自导向转向架动力学技术标准 瑞典 ABB 公司及瑞典国家铁路共同开发研制 X2000 型摆式列车时 对径向转向架提出 了下述的动力学技术标准 即不论在曲线上还是直线上其所产生的垂直 横向轮轨作用力 均不应超过既有新型机车在平直道上以 速度运行时引起的轨 图 人字形金属橡胶弹簧道力 或在曲线上轨道平面内能产生 横向加速度的速度下所产生的轨道力 表 所示即为径向转向 架的动力学技术标准 表 X2000 径向转向架动力学技术标准 序 号项 目标 准 参 数 轨排横移力 S 静态轴重 连续作用至少 与轮缘爬越钢轨有关的脱轨系数 横向 垂向车轮 压力 取持续时间 的脉冲 用平稳性指标表示运行品质 德国 客 车车厢 在任一超过 的主干线上 当 X2000 型列车以最高速度运行时 垂向和 横向平稳性指标为 横向加速度 在客车车厢中 横向加速度 低通滤波后 限制频率 为 横向冲动 在客车车厢中 低通滤波后 限制频率为 横向轮轨力 在曲线半径大于 300m 的情况下 均值 个 标准偏差 垂向轮轨力 在各种曲线情况下 均值 个标准偏差 或者在各自速度的情况下应低于普通列车的垂向轮轨力 低通滤波后限制频率 车轮磨耗 两次旋轮间的走行里程 万 注 项在司机室允许采用 较高值 动力车 拖车自导向转向架结构及参数 型摆式列车的动力转向 架没有倾摆机构而采用自导向柔性径向转向架 一系悬挂采用人字形金属橡胶堆 轮对空 心轴传动 最小通过曲线半径为 以上曲线不用加宽 机车车辆轮对 对钢轨的横向作用力可较传统刚性转向架减少 左右 型列车当速度大于 时 对平直区段轨道的横向作用力不大于 一般机车车辆 时的作用力 据测试结果 X2000 动力车轮轨作用力均在安全范围内 比刚性转向架轮轨力小得多 对桥梁的作用力也很小 甚至小于一般货车对桥梁的作用力 图 为动力车径向转向架的结构图 构架为整体焊接结构 无摇枕 轴距 一系悬挂系统为人字形金属橡胶堆 见图 8 所示 位于轴箱和转向架构 架之间 橡胶堆弹簧的刚度在 个平移方向上可分别选择 使性能达到最佳状态 以实现 良好的径向自导向功能 一系悬挂的阻尼是由减振器产生的 这些减振器以某个角度安装 在轴箱与构架之间 二系悬挂系统包括 对非线性空气弹簧以及 个刚度很大的抗 侧滚 扭杆 这些设计使其在没有倾摆机构的情况下 动车在曲线上的速度可提高 这种 悬挂还使受电弓的侧向运动保持在正常限度内 在转向架构架与车体之间还有垂向 侧向 及摇摆运动 减振器分别对这些振动产生阻尼 动力车和第一节客车之间还有车辆间减振 器 它们对动力车和客车之间的相对侧滚和侧向运动产生阻尼 轴向牵引力和制动力是通 过安装在转向架中心的水平牵引杆从转向架构架传到车体的 图 X2000 的动力车径向转向架结构动力车转向架主要技术参数如下 最大轴重 最高速度 轴 距 总长度 轮径 新 旧 车体支撑点高度 包括驱动装置的总重 不包括驱动装置的重量 一 系悬挂人字形金属橡胶弹簧二系悬挂空气弹簧垂直 横向阻尼液压减振器抗蛇行阻尼液压 减振器制动装置轮盘制动 踏面清扫器驱动系统轮对空心轴电机 齿轮箱齿轮联结齿轮箱 轮对一端齿轮 一端橡胶关节联结轮轴最大移动距离垂向 横向 纵向 轮轴加速力矩 齿轮传动比 新轮对齿轮箱距轨面 最低高度 齿轮形式斜齿齿轮箱球墨铸铁 齿轮润滑合成油 拖 车径向自导向转向架设计原理与动力车转向架相同 区别在于拖车转向架上设有倾摆机构 拖车转向架除有整体焊接式构架外 还有摇枕 摇枕分为上摇枕与下摇枕 上下摇枕之间 设有车体倾摆机构 二系悬挂采用空气弹簧 位于上摇枕上平面 在下摇枕与构架侧架之 间装有橡胶辅助弹簧 其作用是一旦空气弹簧失效 该处橡胶弹簧仍具有二系弹簧的功能 回转阻尼 转向架设有 4 种液压减振器 轴箱减振器 垂直减振器 横向减振器和抗 蛇行减振器 其中轴箱减振器处于斜放位置 同一转向架 2 根轴端的斜放位置也不相同 独具匠心 每轴设有 2 个轴装式制动盘 制动缸安装在构架端梁上 2 组磁轨制动机位于 侧梁内侧 牵引杆从下摇枕两端倾斜向上连到车体底梁上 使车体与摇枕之间保持相对固 定的位置 空气弹簧主要传递垂直载荷 车体之间与动力车及第一节拖车间的阻尼方式相 同 各节客车之间均装有这种阻尼 图 为 X2000 的拖车转向架结构图 图 的拖车径向转向架结构 单位 X2000 型摆式列车 的尾部 个转向架与拖车转向架结构形式基本相同 只是在尾部转向架上加了 的压重以增强在高速运行时的抗风性能 该转向架重量为 尾部转向架还需要安装横向加速度传感器以控制列车的倾摆作用 图 为 X2000 尾部转向架结构图 图 尾部拖车转向架结构图 拖车转向架主要技术参数如下 最大轴重 最高速度 轴距 总长度 轮径 新 旧 车体支撑点高度 包括磁轨制动的 总重量 一系悬挂人字形金属橡胶弹簧二系悬挂空气弹簧垂向 横向阻尼 液压减振器抗蛇行阻尼液压减振器制动装置轴装式盘型制动 磁轨制动 径向自 导向转向架试验 径向自导向转向架在设计过程中 通过计算机仿真模拟计算和线路试验 不断优化轮 对的横向和纵向定位刚度 这不仅使轮对在正常状态下于曲线区段能处于径向位置 而且 保证在恶劣的条件下 包括轮缘 踏面 轨头磨损并伴以较小的轨距 致使在轮轨接触处产 生一个大的等效锥度 仍能保持运行的稳定性 这种转向架在等效锥度为 或 的范 围内运行仍是稳定的 并且没有蛇行运动 并在正常摩擦条件下的干燥轨面上完全可自导 向通过曲线半径小于 的线路 这方面径向转向架具有的优势恰恰是刚性转向架致 命弱点 除了在动力学和抗冲击等方面有优点外 自导向径向转向架对于曲线通过时各轴之间 横向轮轨作用力的均匀分配也很有利 另外 作用于单轮上的动态 静态力都很小 图 是瑞典铁路用 X2000 型列车的原型列车 型试验列车所进行 的刚性转向架和径向自导向转向架对比试验结果 2 种转向架在同一曲线线路地点 R 超高 同一速度下 的横向轮轨力截然不同 径 向自导向转向架的最大横向轮轨力几乎只有刚性转向架的一半 图 径向自导向转向架与刚性转向架 的横向轮轨导向力比较图 是 年在美国试验与巡回展示运 营的 X2000 型列车轨排横移力试验结果 从图可见 不论在曲线半径 R 或 区段 也不论是动力车或拖车 还是导向轮对或非导向轮对 其轮对的轨排 横移力均没有超过 符合设计技术要求 年 7 月在瑞典 SJ 和 ABB 共同对 X2000 型列车进行了一系列动力学安全性试验 以测量径向转向架通过各种半径的曲线区 段 在最大欠超高达 引起的轨面横向加速度高达 的条件下 测量连续 的轨排横移力 垂直 横向轮轨力及脱轨系数 其测试结果示于图 和图 中 从图可见 径向转向架在 UIC 60 无缝钢轨线路上通过半径为 至 的各种曲线时 尽管轨面的横向加速度达到 其 脱轨系数均小于 横向加速度在 时 横向轮轨力 垂直 轮轨力 不论是前转向架还是后转向架 在 的横向加速度 下轮对轨排横移力 连续 均小于 足以说明 X2000 型摆式列车以高速通过曲 线时具有良好的动力学性能及安全性能 X2000 的垂向轮轨力不能高于普通列车的垂向轮轨力 所谓的普通列车垂向轮轨力是 指由标准的 SJ 机车 Rc 型 所牵引的客车 在瑞典主干线以 速度 欠超高 通过半径为 m 曲线时测得的轮轨力 垂向轮轨力可分为静态力部分 曲线通过拟静态力及动态力部分 首先是静轮载 该力显然是取决于轴重及轴重的实际分布 拟静态力 是曲线通过欠 超高引起轮对载荷变化导致的 该力主要与通过曲线速度和机车重心的高度有关 另外 还取决于重心的横向位移 由于轨道不平顺 或车轮踏面粗糙 的原因引起的动态力部分取决于速度 一般来说 如果其他的因素没有变化的话 则该动态力与实际速度成正比 并且随着轨道 车轮 粗糙 程度的增大而增大 另外 轨道刚度 刚度的变化以及减振器也将对该动态力有影响 动态力部分还取决于机车特性 一个很重要的因素就是簧下质量 即轮对 部分车轴 轴箱和齿轮等 在轨道不平顺处 该部分的重量直接 锤击 到轨面上 因而就需要一个 良好的减振系统 以防止机车过度的摆动和振荡 图 各种条件下轮对轨排横移力测量结果 图 轨面横向加速度 欠超高 与横向 轮轨力 垂向轮轨力的关系 图 轨面横向加速度 欠超高 与轨排 横移力 脱轨系数的关系 在比较试验中 X2000 型列车以 的速 度通过半径为 的曲线 欠超高 而传统的 Rc3 型机车速度为 欠超高 X2000 型列车速度高而垂向轮轨力 比 Rc3 机车较低的主要原因如下 相对于传统机车来说轴重较低 重心低 距轨面 而传统的机车为 簧下质量较轻 约 轮 而传统的机车为 轮 型摆式列车的三相交流传动系统 三相交流传动系统是现代电子技术 微机控制技术及机电一体化技术发展到 世纪的高水平的产物 动力车上有全套牵引传动设备及向全列车供电的三相辅助供电设备 每台动力车的牵引系统由 个相同的模块组成 每个模块负责 个转向架 出于可靠 性考虑 这 个模块在电路上是相互分开的 每个模块有 个四象限变流器 变流器形式 为二电平 个中间直流环节以及向 2 台并联的牵引电机供电的 个三相逆变器 变流器 还包括 个反馈斩波器 它把换向电能反馈给中间直流环节 中间直流环节的电压是 主电路的框图如图 所示 1 个牵引模块的框图如图 所示 每个牵引模块中有 14 个 GTO 元件及 14 个二极管 为了产生正弦波形的线电流 并使功率因数尽量接近 1 需使变流器的谐波畸变小 接触网中的损耗也减到最小 逆变器实现脉宽调制 PWM 控制 它向异步牵引电机提供 和 的变频变幅电流 输出功率为 直流 环节由直流电容器 滤波器 33Hz 阻尼电路以及保护电路组成 半导体元件都采用盒式间接油冷却 元器件位于铝散热器之间 这些铝块既可作为热 交换器 又起导电体的作用 这种设计可在不打开冷却油路的情况下 更换各个损坏的元 器件 利用光纤把触发脉冲传到 GTO 装置 既可消除电磁干扰 还能在主电路与电子电路 之间有充分的绝缘 GTO 元件的参数为 图 X2000 的动力车主电路及辅助电路 图 X2000 的动力车三相交流传动 个牵引模块的框图 主变压器安装在 地板以下 台转向架之间 它有 4 个牵引绕组 每 个绕组对应 个变流器 无载电压为 个绕组总的持续额定容量是 此外变压器上还有其他绕组 分别用于 列车取暖 1 000V 辅助电源变流器 860V 以及滤波电路 变压器箱内还有一 些电抗器 供辅助电源变流器以及滤波器 33Hz 使用 变压器参数是 变压器油用 Shell Diala DX 或相当牌号 辅助电路具有输出功率为 360kW 的静止变流器向整个列车提供 的辅助用电 主要向动力车的空压机 通风机 泵 拖车的空调 设备及车体倾摆系统供电 辅助变流器也使用了 GTO 晶闸管 在过载情况下 电压和频率 会持续降低 列车取暖设备和蓄电池充电设备 由 1 000V 的列车电缆 符合 DIC 标准 输 送电能 该电能既可从主变压器获取 又可通过列车上的输入插座从外部电源获取 在动 力车上的蓄电池为 110V 容量为 55A h 客车上的蓄电池为 24V 容量为 344A h 所采用的异步牵引电机如图 所示 其额定功率为 短时最大 功率可达 最高电压 频率 电机转子的转 动惯量为 牵引系统还包括 个安装在空心轴上的齿轮 电机扭矩通过齿轮箱传到这个齿轮上 又通过它将扭矩传输到空心传动轴上 再通过空心传动轴一端与 个车轮辐板相连的 个 弹性联结器传到轮对上 详细结构见图 所示 图 X2000 型摆式列车所采用的异步牵引电机 X2000 型摆式列车的动力车 X2000 型摆式列车的动力车的外形及内部设备布置如图 所示 图 型摆式列车动力车及内部设备布置 牵引控制单元 隔离开关 辅助机组整流器 380 屏柜 微机屏柜 辅助变压器 滤波器 中间电路 变压器 级间耦合电路 牵引电动机通风机 油冷装置 油泵 工具柜 空气制动屏柜 压缩机 空气干燥机 行李柜 主变压器 电源滤波器 电池 列车自动控制天线 设备 图 型摆式列车的动力车牵引 与再生制动特性曲线 图 型摆式列车的动力车 车体的设计原则 图 为 X2000 型摆式列车的动力车牵引特性及再生制动特 性曲线 在供电网压 15kV 16 条件下 动力车持续额定功率为 轮径为 从图 可见 X2000 型摆式列车的牵引力为 再生 制动力为 动力车设计中采用了 UIC 566 设计规范 但在载荷条件上需乘上系数 在车体 作强度试验时 按照 UIC 规范第 4 节进行 在 1989 年 3 月 瑞典 ABB 公司与瑞典 国铁共同进行了动力车的车体强度试验 试验载荷如下 压缩载荷作用于车钩两端 垂直载荷的载重系数取 将 2 000kN 压缩载荷与载重系数为 的垂直载荷同时作用 抬升试验 带转向架 采用 载重系数 车体一端抬升起 进行试验 试验结果均符合 UIC 566 规范标准 在设计中还采用 种严重的撞击工况来进行验算 即分别假定列车受到 种钢质圆柱 体的拦腰撞击 列车的速度是 这 种钢质圆柱体是 一个长 直径 1m 重 4t 横放在钢轨面上部 m 处 另一个是长 m 直径 m 重 8t 也放在钢轨面 上部 m 处 在 X2000 型列车以 速度撞击这 个钢质圆柱体时 车体的 强度 刚度必须能保证钢质圆柱体不得穿透进车体 位置 设计原则如图 所示 动力车转向架上的牵引传动结构采用轮对空心轴结构以降低簧下质量 改善整个列车 的运行品质 取得了很好效果 轮对空心轴的结构见图 所示 图 X2000 型摆式列车的动力车的 转向架轮对空心轴传动机构动力车的头部按照流线型设计 前端为圆形 顶部 底架 门 窗和框架是平滑的表面 保证空气阻力最小 使这种外形具有比较好的空气动力学特性 受电弓和其他高压设备位于动力车顶部的凹进处 这可进一步优化空气动力学特性 X2000 型列车的空气阻力特性可用下式表达 F 式中 速度 1992 年进行了如下试验 列 X2000 型列车在速度为 时相互交会 线 间距离为 车厢净间距为 测出列车前部的压力波最大值为 和 位于动力车前部的自动车钩专门用于连挂 列车重联运行 自动车钩外有 个罩 列 车连挂时取下 动力车的驾驶室如图 所示 各种电器及控制装置 制动及空 压系统等均布置在机械室和司机室如图 所示 在动力车的后部专门设置了特 快货物架可存放 货物 用于随车运送需要特快专运的货物 图 型摆式列车的动力车司机室布置 图 X2000 型摆式列车的拖车的平面布置 X2000 型摆式列车的拖车 概 述 X2000 型摆式列车按 1M 的标准编组应有 5 节客车 其中含 辆驾驶拖车 外形 为流线型 除司机驾驶室在一端外 定员座位 专为残疾人安置轮椅 1 处 辆 酒吧车有座位 辆二等车 排列座位 个 辆头等车 排 列座位共 51 个 全列定员为 人 拖车的平面布置见图 所示 头等车的 座位排间距 头等车为 头等车对面座位靠背间距 二等车 为 图 型摆式车体整体 承载钢结构断面图 单位 图 型摆式列车的拖车钢结构组成拖车车厢也是流线型的外型设 计 车体是不锈钢的 车顶 侧墙 门窗 底架均采用平滑的表面 支撑在自导向径向转 向架上 驾驶拖车的司机室布置与动力车的一样 其控制功能与操作也完全一样 驾驶拖 车端部结构也采用防撞击的设计 另外 在驾驶拖车上还有提供残疾人方便的设施 车门 通道宽一些 有专门放置轮椅的地方 拖车的设计中重点考虑了乘客的舒适性问题 较低的噪声 良好的通风 有效的取暖 控制 明亮的照明 方便的出入通道等 都保证了乘客旅行有高的舒适度 车厢内部地板上设置了带螺纹插口的纵向铁杆 可方便地重新调整车厢内座位的布置 车厢底部是封闭的设备仓 也是底架承载负荷的部位 底仓内设有可拆卸的架子 放 置空调 集便系统 制动系统和电器设备 车体结构 X2000 型摆式列车的车体大部分采用不锈钢材料 含 Cr 车体由于 采用不锈钢的材质 强度较高 固有频率高 在事故发生时 可保护乘客的安全性 由于 设计满足 UIC 566 强度设计规范的要求 做到自重轻 车体钢结构重 强度高 车 体采用挤压不锈钢型材的整体承载横断面结构如图 所示 在设计中特别考虑车体两端有自我变形区和高强度横截面 即使在事故发生时也能在 两端吸收能量保证旅客的人身安全 侧面车窗上下部位也设计为耐碰撞结构 拖车钢结构 的具体组成见图 所示 于 1989 年 3 月 8 月分别对驾驶拖车的车体和客车车体按 UIC 566 规范第四节进行 强度试验 试验时所施加的载荷如下 2 000kN 压缩载荷施加于车钩两端并与车辆全部设备重量载荷共同作用 按照全定员座位数载重加上在所有空余地板面上以 的载重并乘以 垂直载重系数 加载 2 000kN 压缩载荷与垂直载重系数为 的垂直载荷共同作用 每一车窗上施加 压力 试验结果均符合 UIC 566 规范规定的要求 车架底下的设备舱有舱盖 便于维修和日常养护 车厢间密接型联结器及电线 风管联结 车厢间的联结距离较短 采用 了密接型车钩联结器 所有的电气联结在车厢通过门两侧相连 空气管路均在密接式车钩 联结器的两侧相连 密接式车钩联结器通过联结法兰能很容易地安装与拆卸 并且密接式 车钩联结器中包含缓冲装置 能吸收撞击能量 并保证两车厢联结后基本没有间隙存在 提高旅客的舒适度 车厢之间的风挡是用橡胶制成 能起良好的密封作用 图 表示车厢间电 气 空气管道联结情况 图 车厢之间电气 空气管路联结 车门车窗 车门采用密封性能优良的塞拉门结构 塞拉门系统由门控计算机控制 在列车速度超 过 时自动关门和联锁 关门时如有阻碍物挡碍时会自动弹回 并且计算机系 统立即进行故障诊断 在列车内的走廊与通过台联结处 通过台与包厢联结处安装了自动 拉门 这些门在有障碍时均会自动弹回 并有传感系统 告之计算机系统 如果自动拉门 的自动机构发生故障 旅客用手握门把即可开门 在下列处所安装了手动拉门 走廊和动力车的联结处 列车运行时通常关闭 驾驶拖车的通过台 头等客车的包厢门 运行时通常关闭 头等客车车厢和驾驶拖车的厕所门 行李间和拖车某些包厢门 运行时这些门可以开启 普通标准卫生间 动力车司机室装有铰接门 车窗结构是密封式的双层绝缘玻璃 里层玻璃是叠层的 外层玻璃硬度大 并作过反 光处理 窗帘采用滚动式 车厢内部装饰 车体钢结构内层均涂有 Gullfiber 和 Isofloex 绝缘材料 使车体内表面具有很好的排 水性和通风性 绝缘材料外面加 1 层防振材料 每个座位下面也有 1 层防振层 地板采用双层胶合板 下面是减振层 采用橡胶绝缘 地板上铺塑料地毯 盖住墙角 易于清扫 车端的墙板采用叠层胶合板 车厢的取暖设备有用铝合金罩保护的取暖器 车厢顶部有喷塑的钢面板 面板上有许 多孔 用以空气循环 更换新空气 调节温度 车窗间的墙壁是装饰面板 装有衣钩 行 李架是包层面板结构 每米行李架可放重物 下面的包层面板上装有播音器 阅读灯和开关 荧光灯用于直接 间接照明 安装在天花板中央位置 两旁是带有换气孔 的面板 天花板是漆包铝合金 车厢端部天花板是清漆铝合金面板 卫 生 间 卫生间位于车厢两端的通过台与客室的接合部处 卫生设备全部采用密闭式的真空集 便系统 X2000 型列车上采用的集便系统是由瑞典 EVAC 公司生产的 2000 型 这种系统已 在欧洲 亚洲 美洲各种列车上广泛采用 铁路市场占有率 2000 型真空集便系统 的原理图如图 所示 这是一种气控装置 当按下冲洗按钮 空气信号传到压 缩空气控制器 首先使控水阀打开 净水缸 E 中的水增压冲洗便池 同时排便阀 蝶阀 打 开 污物通过有真空度的管路进入有真空度的污物箱 D 压缩空气同时进入水增压阀使水 增压后冲洗 污物箱的压力开关 B 盘上 控制保持 真空度 它由不 锈钢制成 装在车底架下的设备舱内 配有排空接头 有 1 个排空管直插底部与排空接头 相连 通过压缩泵可将污物完全吸出来 图 X2000 型列车上应用的真空式集便系统原理图 便器单元 可采用不同形式的便器 部件屏板 由空气喷射器 空气处理器 压 力控制器 压力开关及压力计构成 排气用的空气净化单元 污物箱 能调整为 所需外形 能隔热及加热 液位传感器能指示 容量及 容量 90 时系统关闭 水箱 客车的主要储水箱 2000P 型真空集便系统的技术参数如下 每次使用水 量 每次压缩空气耗量 压缩空气的压力 污物箱正常工作的真空度 空气管路联结 水联结管路 外排联 结管路 便器可高于排便阀的距离 便器到污物箱的最大水平距离 并可有 抬高 可以多个便器共用 个污物箱 便器与污物箱是隔离的 不需使用任 何化学药剂 不会腐蚀部件 无任何污染 设备舱内还有 个储水罐和真空抽提设备 水系统有自动防冻装置 每个卫生间内还 有非饮用热水供应 并设有洗手池 垃圾箱等设施 在通过台一侧墙上有饮用冷水装置 驾驶拖车内残疾人用的卫生间内有可折叠的扶手 及按铃服务装置 取暖 通风及空调 对流加热器安装在外墙接近地板的地方 温度均衡是由晶闸管设备进行控制 在车底 架下的设备舱内各种箱体 管路及车门 车窗都各自设有加热器以防止结冰 客车车厢及动力车都有空调设备 空气控制单元安装在车厢两端的天花板上 它们包 括 个过滤器 取暖单元 冷却单元及 个风扇单元 通过天花板上的 个供风通道将新 鲜空气提供给这些单元 废气排风扇安装在车厢两端 空调单元的冷却器 蒸发器 通过管 路与车底架下设备舱内的压缩机 冷凝器联合单元相联结 取暖设备及空调系统由位于车厢端部的电气设备柜中的计算机控制 每一车厢的空气 容量为 其中 要求是新风循环量 旅客信息系统与通讯设备 旅客可以通过车厢内扬声器及车厢出入口处的信息公告板上得到有用的信息 信息公 告板可以提供下列信息 下一车站站名 到达的时间 现在列车的速度 卫生间是否占用 等 信息是由驾驶室的控制单元输入的 扬声器的广播可由驾驶室或信息公告板控制 个带有车厢号及终点站名的标牌安在车厢门的内窗框架上 座席号标牌安置在座位 背架上 列车上设有无线电话设备 旅客可以通过无线电话与全世界各地通讯联络 司机也可 在驾驶室使用无线电话 列车上还有 套内部电话系统 司机可与其他列车乘务人员进行 联络 座椅及行李小间 客车车厢的中间通道宽为 二等车 座位 及 头等车 座位 座椅的铝架固定在侧墙与地板 个点上 个背靠背的座位之间可以存放行 李 座椅和桌子的详细布置见图 桌子表面都是层压塑料 驾驶拖车上有供 残疾人进入卫生间的通道 并有安放轮椅的地方 并在地板上有挡板保证轮椅的安全 客车车厢两端各有 1 个大约 的行李小间用于存放大件行李 其他特殊设备有 手持照明设备 急救箱壁橱 废物箱等 辅助供电及列车取暖电源 动力车通过 2 套独立的系统向拖车供电 即辅助供电系统及列车取暖系统 辅助供电系统是动力车上装有 的辅助逆变器 输出三相 的交流电 在停放时 客车也可以通过车厢外接三相电源得到供电 列车取暖系统的电源是由动力车主变压器输出 单相电源 到 1 个变压器 这个变压器再将 电压降为 直流 供取暖系统使用 直流 供蓄电池充电器及其他直流用电设备使用 直流 26 供紧急照明及真空设备使 用 当列车取暖系统不能正常工作时 蓄电池发出直流电可供相关设备使用 X2000 型摆式列车制动系统 概 述 X2000 型摆式列车采用复合制动方式以保证达到所需的列车减速性能及良好的制动安 全性 列车采用了计算机控制的克诺尔 HSM 系统及 EP 控制系统 动力车上采用 3 种制动方 式 再生动力制动 轮装式盘型制动及踏面清扫闸瓦制动 拖车上采用 2 种制动方式 轴 装式盘型制动和磁轨制动 在所有的制动方式中再生制动优先 磁轨制动只有在紧急制动 时采用 动力车的盘型制动受到牵引电机位置限制只能采用轮装式 每一根动轴上安装 2 套轮 装式制动盘 制动盘材质为合金锻钢盘 闸片采用粉末冶金材质 制动盘的内径大于空心 轴弹性联结法兰盘的外径 具体的结构见图 所示 拖车的盘型制动采用轴装式制动盘结构 每一根轴上安装 2 套轴装式制动盘 制动盘 材质为合金铸铁 闸片材质为合成材料 拖车轮对及制动盘的具体结构见图 30 所 示 可以由司机 旅客或乘务员 防范控制系统或 ATP 系统施加不同类型的制动 当某些 故障发生时 车上的控制计算机也会施加制动 司机可以通过速度控制器手柄向后拉到制动位来施加制动 这样只引起动力车施加再 生制动 如果动力制动系统出现故障 也不会有空气制动方式起补偿作用 这种类型的制 动只适用于小范围的速度调整 司机也可以使用制动控制器通过司机制动阀 HSM 施加常用制动 当使用司机制动阀时 动力车上的动力制动将首先起作用 如果动力制动不足以产生足够的制动力 则动力车自 动施加踏面制动和盘型制动 在使用司机制动阀施加制动时 拖车总是施加盘型制动 司机可以使用制动控制器的最后一位施加紧急制动 这将导致列车产生最大减速度 紧急制动时同时施加动力制动 踏面制动 盘型制动和磁轨制动 紧急制动也可由司机使用单独的紧急制动手柄施加 紧急制动阀直接联结在列车管上 在紧急制动时可快速排空列车管中的压缩空气 当司机没有按规定方式踩动安全踏板时 防范控制系统也会施加紧急制动 图 X2000 型摆式列车的动力车动轴空心轴轮对与轮装式制动盘 单位 图 X2000 型摆式列车的拖车轮对与轴装式制动盘 单位 旅客 或乘务员可以使用每节车厢装备的紧急制动手柄施加紧急制动 ATP 系统能通过司机制动阀 HSM 施加惩罚性制动 这将引起常用全制动 司机室提供 了仪表 信号灯及故障显示器帮助司机操作和监视制动系统 压力表显示主风缸 MR 和列 车管 BP 的压力 显示盘显示关于当前制动机是处于缓解状态还是制动状态 是否施加了除 雪制动 是否施加了停车制动 是否施加了磁轨制动 ATP 系统是否已经被隔离等有关信息 故障显示系统显示制动系统的故障和状态 制动系统技术指标 最大工作压力 列车管压力 缓解时 全制动时 紧急制动时 工作电压 动力车提供电压 拖车提供电压 供制动控制器用的电压 稳压 常用全制动距离 编组 新轮对 满载的情况下 最大制动距离 速度 km h m 最大制动距离 速度 km h m 最大制动距离 速度 km h m 加磁轨制动的紧急制动距离 最大制动距离 速度 km h m 最大制动距离 速度 km h m 最大制动距离 速度 km h m 驻车制动 最大坡度 自动制动功能 制动和缓解信号经微处理器处理 通过数模转换控制预控压力 预控压力通过中继阀 RH2 控制列车管压力变化 1 司机室启动 司机室通过插入开关钥匙启动 只有插入开关钥匙 且前进 反向控制器及速度控制器 均处于中间位的条件完全满足时 司机室才能被启动 高压电系统也是使用司机室开关钥匙启动的 同一时间只能启动 个司机室 当司机室开关钥匙取走 制动系统也将不起作用 司机制动阀 HSM 随着彻底失效 只 能通过单独的紧急制动手柄来施加紧急制动 2 隔离 取走开关钥匙使司机室失效时 一旦列车管压力降到 中继阀的功能将 被隔离 3 制动和缓解 通过将制动手柄 大闸 从运行位移到制动位 位中的任意一位施加制动 制动控 制器发出 个电子信号给司机制动阀 HSM 的微处理器 列车管压力逐级下降直到制动手柄 处于第 7 位时 350 这时将产生常用全制动 制动手柄的每一位置都直接对应着 个特定的列车管压力 制动手柄 大闸 是 个扇形手柄 有 个附加的挡块防止手柄被意外地从第 7 位全制 动位移到紧急制动位 EB 制动时将制动手柄置于 1 位将使列车管压力减少 缓 解时如果最后将手柄置于 1 位将使列车管的最终压力比正常的 低 制动手柄从任何 个制动位置 位 移到运行位将使制动完全缓解 列车管的压 力将升到正常的 紧急制动 将制动手柄移到紧急制动位施加紧急制动 将同时接通制动控制器中 组特殊的触点 这些触点的动作将使电控 ECEV 紧急制动阀起作用 HSM 内隔离阀的电流被切断 这将切断 主风缸的压缩空气经司机制动阀 HSM 到列车管的通路 5 紧急制动手柄 操作单独的紧急制动手柄将引起列车管 BP 压力下降 阀中 组触点将启动 HSM 中的隔 离阀以及电控紧急阀 在电控紧急阀打开排气口全部排出列车管压力的同时 列车管的充 气过程被中继阀中止 上述表明有许多方法可以施加紧急制动来快速彻底地排空列车管中 的压力 6 EP 控制系统 不管是制动还是缓解状态 司机制动阀 HSM 的计算机都会传送电信号到安装在整个车 组每节车厢里的控制阀中的制动和缓解电磁阀 EP 控制系统提供整列车同时施行制动或缓 解的方法 它仅起加快制动和缓解过程的作用 列车管压力的最终调整以及其他必要的平 衡只能通过司机制动阀中的中继阀 RH2 来进行 7 自动过充 每一次制动缓解之后 列车管中将自动进行 1 次自动过充 过充量随不同的制动作用 而变化 最大为 过充量符合 UIC 541 的要求 这意味着过充后列车管内 压力的减少非常缓慢不足以使控制阀起作用 图 X2000 型摆式列车的司机制动阀 HSM 及紧急制动阀 E C E V 8 密封性测试 密封性试验可以用启动了的司机室中的 1 个特殊开关来进行 当进行密封性测试时 HSM 中的隔离阀的电源将被切断 同时该阀将保持与列车管同样的压力 控