高速铁路的牵引动力概述和制动技术

1、高速铁路的牵引动力概述和制动技术第三章 高速铁路的牵引动力第一节 概述第二节 受电弓与传动装置第三节 动力车车体及走行部第四节 制动技术第一节 概述1.1 关键技术1.2 牵引动力配置形式1.1 关键技术1.1.1 技术问题（1） 提高牵引力与粘着系数下降的矛盾（2） 空气阻力与速度的平方成正比 功率与速度的立方成正比（3） 如何实现大功率的牵引动力（4） 如何实现安全制动问题（5） 解决轮轨系统动力学的问题（6） 解决空气动力学的问题（7） 列车智能控制的问题动车组的九大关键技术牵引控制系统牵引电机制动系统牵引变流器牵引变压器转向架列车网络控制系统铝合金、不锈钢车体动车组系统集成1.1.2

2、关键技术转向架结构动力转向架一系悬挂二系悬挂轮对轴箱装置 SW-220K转向架图牵引系统牵引变流器长：3100mm宽：2730mm高：650mm重量：1900kgIGBT：3300V、1200A中间直流电压：3000V额定参数：输入：1500V，857A，50Hz输出：三相 2300V，424A， 0220Hz 牵引电机转子定子排气盖空气吸入口长：720mm宽：697mm高：629mm重量：440kg三相交流异步电机 额定功率：300kW 额定电压：2000V 额定电流：140Hz 额定频率：140Hz * 复合制动技术受电弓车内电器风挡装置座椅车内装饰集便装置车窗车门车钩及缓冲装置空调系统十

3、项主要配套技术的引进十项主要配套技术引进的内容弓头阻尼器ADD系统升弓装置下臂底架上导杆碳滑板下导杆阀板上臂受电弓装置室外过滤器接触器盘室外热交换器室内送风机室内热交换器压缩机电加热器室外送风机变频器空调装置 车钩及缓冲器装置缓冲器车钩电连接器连接座车门门板脚踏板门锁平衡器电动马达车 窗集便装置 水箱便器污物箱真空系统车内装饰座椅车端连接、风挡装置车内电器电器控制广播系统显示系统照明系统1.2.1 牵引动力形式1.2.2 牵引动力的配置1.2.3 集中式与分散式的比较1.2 牵引动力配置形式动车组基本模式动力分散电动车组动力集中内燃动车组电传动液力传动动力分散: 轴重分配均匀,有效利用粘着,起

4、动加速性能好动力集中: 制造及维修成本低动车组基本运用模式铁路动车组城市轻轨城市地铁城市轨道交通高速城际列车ICE城际列车IC市郊列车IR轮轨磁悬浮单轨动车组动车组中各车之间采用密接式车钩，除维修需要一般不解编 按动力形式分有内燃动车组和电动车组： 高速动车组：基本采用电动车组，并采用交流传动； 中速动车组、市郊列车：可以采用内燃牵引， 可以采用交流传动 也可以采用液力传动；运用方式不同与传统的机车与车辆模式高速列车、地铁轻轨列车都是典型的动车组动车组方式也可以运用于货物列车（快速货运单元列车）动车组动车组是由动力车（动车）与客车（拖车）组成的旅客列车车组，编组比一般旅客列车小。动车组一般：

5、成组使用、编组固定 两端均可操纵 通过网络或电缆实现重联 任何一端均可控制动车 实现同步牵引、同步调速、同步换档、同步 制动、同步显示等重联功能，不需转向动车组的技术特点 动车组的特点： 固定编组 动力集中或动力分散 密接车钩 整体运用 整体保养检修 大修前不解体 采用网络控制 交流传动/液力传动 制动系统完整设计 高速（电）动车组的特点：头部流线型车体轻量化技术高速转向架高速受流技术车厢密闭、空调换气高功率重量比 低噪声、低轮轨力配现代化动车段、综合维修基地 1.2.2 牵引动力的配置按列车动力驱动轴的分布和动力设备的配置分（动力集中型、动力分散型）按列车车辆转向架布置和车辆之间的联接方式分

6、（独立转向架式、铰接转向架式）动车组的动力配置 动力分散方式动车组的动力配置也有两种模式：一种是完全分散模式，即动车组中的车辆全部为动力车，如日本的0系高速列车，16辆编组中全部是动力车。一种是相对分散模式，即高速列车编组中部分是动力车，部分为无动力的拖车，如日本的100系、700系高速列车，16辆编组中有12辆动力车，4辆是拖车，所谓12动4拖。 独立动力集中式：ICE铰接动力集中式：TGV独立动力分散式：200系铰接动力分散式：AGV1.2.3 集中式与分散式的比较参数比较优缺点概括未来发展趋势两种方式的比较平均轴重：集中小： 0系16t 100系15t最大轴重：集中大：ICE 19t/1

7、7t TGV 17t受电弓数：集中少：12弓，距离远 100系6弓粘着利用：分散好加 速 性：分散好（交流传动，轴功率大，集中也好）头车底部设备安装带受电弓拖车车底设备安装轴重与轮轨作用车 型最高运营速度（km/h）最大轴重（t）平均轴重（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动力集中型高

8、速类列车具有以下优点（1）它与传统的列车相似，便于我们按习惯进行运行管理和维修管理。（2）故障相对较高的电器、机械设备集中在头车，运用汇总便于检测和进行技术保养。这些设备的工作环境也较清洁。（3）机械、电气设备与载客车厢隔离，车厢内噪声、振动较小。（4）牵引头车可以摘挂（虽然不是传统列车的自动车钩那样的方便摘挂）是列车进入既有线，甚至可更换内燃机车使列车直接进入非电气化铁路运行。动力集中型高速列车的缺点（1）动力头车不能载客，相对减少了载客量。（2）动力头车集中了全部动力设备，减轻设备重量比较困难，而高速列车要求列车的轴重尽量轻。（3）高速度的列车需要头车产生足够的大粘着牵引力，因而动力车轮的

9、轴重不能太轻，这与（2）条提到的要求形成难以克服的矛盾。（4）速度越高，列车的功率越大，大功率动力设备的重量也相应增大，这与减轻重量的要求又是矛盾。（5）动力头车的制动能力受到粘着的限制，需要拖车分担部分制动功率，因此列车的制动性能欠佳。动力分散型高速列车的优点（1）可较充分利用车辆载客，增加列车载客量。（2）将牵引动力设备和牵引电机的功率和重量分散由列车的各个车辆负担，较易实现高速列车减轻轴重的要求。（3）列车的牵引力分散在各个动力车轮上，可解决高速列车大牵引力与轴重限制之间的矛盾。（4）列车制动力由全列车各车辆分担，可充分利用动力制动功率，因而列车具有较好的制动性能。动力分散型高速列车的缺

10、点（1）车辆下部吊装动力设备，其产生的振动和噪声会影响车厢内的舒适度。为隔振降噪增加技术难度。（2）动力设备安装在车下，要求体积小，工作环境差。分散的动力设备故障率相对较高。（3）类车只能分单元编组，不能驶入非电气化铁路运行。（4）与传统运行、维修管理体制和习惯不适应，必须建立一套新的维修保养体系。（5）动力设备分装在各车辆，给车辆本身的减重又增加了一定困难。根据各国高速列车的发展情况和运用经验，可以看出目前高速列车的发展趋势具有以下几方面的特点（1）速度不断提高，表现在以提高试验速度为基础，不断提高运营速度。最高运营速度达到300km/h并向350km/h发展。（2）车体结构和动力设备不断轻

11、量化。车体结构和部分机械零部件大量采用铝合金、大型挤压型材、蜂窝结构和高分子复合材料等新材料、新工艺，在保证强度的前提下大幅度减轻重量。（3）向动力分散布置方向发展。（4）电力牵引传动系统向功率大、体积小、重量轻、高可靠性和低成本方向发展。（5）车内环境和设备不断改善，提高了旅客乘坐舒适度和服务质量。（6）将列车的安全防护系统通过网络通信技术与高速铁路的安全保障系统、列车检修、运用系统构成统一的运营系统，实现列车运行及安全保障自动化，提高列车使用效率，降低运营成本。牵引动力发展的几个阶段第一阶段：动力集中、机车牵引： 英国IC225,470kW,225km/h 动力分散 0系16节全动车16x

12、4x185 =11840kW,210km/h第二阶段：相对动力集中 TGV-PSE 10节6台动力转向架第三阶段：动力集中, 三相交流传动，轴功率大第四阶段：动力分散 动车组的构成 司机室司机室转向架车体供电与牵引系统车端连接车下悬吊设备空调系统车顶设备制动系统车内设备网络辅助供电系统第二节 受电弓与传动装置2.1 高速受电与受电弓2.2 传动方式与传动装置高速受电与受电弓高速铁路的受流系统必须符合的条件:保证功率传输的可靠性保证受流系统的运行安全性保证良好的受流质量保证受流系统的使用寿命高速受电 世界各国的最高运行速度在200km/h以上的高速列车，除英国的HST高速列车由内燃动车组牵引外，

13、其余均采用电力牵引。与常速列车的电力牵引相比较，高速列车电力牵引的受电的主要特点如下。 （3）受电弓从接触网大功率受电问题（1）接触网与受电弓的波动特性（2）空气动态受力问题高速动车组受电弓基本特点：速度高、弓与网波动增大 空气动力性能影响受电 空气阻力占总空气阻力的9% 列车功率大多弓时，增大了阻力、加大了噪声弓网系统：在最高速度范围内变化正常供电 耐磨性、抗腐蚀能力 对接触网的结构布置要求更高高速动车组受电弓影响受电性能的因素：接触压力：大：过分升高、滑板磨耗大 小：离线、拉弧、烧伤 动态特性（研究课题）导线波动：噪声、跟随性差离 线：电流急变、影响牵引电机高速动车组受电弓要求： 滑板与导

14、线接触压力恒定不变 减小惯性力、改善跟随性 减低空气阻力高速动车组受电的受电弓 （1）受电弓的滑板与接触导线之间要保持恒定的接触压力，以实现比常速受电弓更为可靠的连续电接触。其接触压力不能过大或过小。 （2）与常速受电弓相比要尽可能减轻受电弓运动部分的重量，以保证与接触网有可靠的电接触。对于高速受电弓，除必须保证机械强度和刚度外，应尽可能降低受电弓运动部分的重量，从而减小运动惯性力。这样才能使受电弓滑板迅速跟上接触导线高度的变化，保证良好的电接触。（3）由于高速运行时空气阻力很大，因此高速受电弓在结构设计上要作充分考虑，力求使作用在滑板上的空气制动力有别的零件承担，从而使受电弓滑板在其垂直工作

15、范围内始终保持水平位置，以减小甚至消除空气制动力对滑板与接触导线间接触压力的影响。 （4）滑板的材料、性状和尺寸应适应高速的要求，以保证良好的接触状态及更高的耐磨性能。 （5）要求受电弓在其工作高度范围内升降弓时，初始动作迅速，终了动作较为缓慢，以确保在降弓时快速断弧，并防止升降弓时受电弓对接触网和底架有过大的冲击载荷。 高速受电的接触网 对高速受电用的接触网应有更高的要求： （1）在最高运行速度和更大的速度变化范围内应能保证正常供电；（2）应有更高的耐磨性和抗腐蚀（包括抗电蚀）能力；（3）对接触网的结构和布置应有更高的要求；（4）在接触网的接触悬挂方面，目前在常速列车供电中采用的弹性半补偿链

16、形悬挂和弹性全补偿链形悬挂已不能适应高速列车的要求，应有更为先进的接触悬挂装置。 2.2 传动方式与传动装置2.2.1 直直电传动2.2.2 交直电传动2.2.3 交直交电传动2.2.4 交交电传动何谓电传动方式？普遍采用电传动方式交流传动技术 早期的电力牵引传动系统均采用交一直传动，用直流电动机驱动。由于直流电动机的单位功率重量较大，使高速列车既要大功率驱动又要求减轻轴重，特别是减轻簧下部分的质量形成难以克服的矛盾。在交流传动系统中，交流牵引电动机较传统的直流牵引电动机具有额定输出功率大；结构简单、体积小、重量轻、易维修；速度控制方便；效率高等一系列优点。 供电、牵引传动系统接负载AC/DC

17、DC/AC25kV，50Hz 单相交流 直流 交流交流牵引电机电力电子变流器牵引系统主电路高压设备受电弓主断路器其它高压设备主变压器牵引变流器牵引电机及电传动系统的保护牵引变流器工作原理图电机整流器/逆变器/3整流器将牵引变压器次边输入的单相交流电变为直流电。交逆变器将中间直流电逆变为牵引电机所需要的可调频调压的三相交流电。交中间直流电路为逆变器提供一个稳定的直流电源。直牵引变流器结构原理图逆变器整流器 中间直流电路牵引控制系统牵引高压设备牵引变流牵引驱动高压电器主变压器四象限中间电压过压保护牵引逆变器牵引电机齿轮箱车轮网侧变流控制器电机侧变流控制器车辆控制接触网受电弓主变压器变流器牵引电机钢

18、 轨牵引系统关系链再生牵引系统牵引变压器长：2570mm宽：2300mm高：835mm重量：2910kg线圈结构：牵引绕组2组 辅助绕组1组 原边绕组牵引绕组辅助绕组容量3060kVA2570kVA490kVA电压25000V1500V400V电流122A857A21225A频率50Hz牵引系统牵引变流器长：3100mm宽：2730mm高：650mm重量：1900kgIGBT：3300V、1200A中间直流电压：3000V额定参数：输入：1500V，857A，50Hz输出：三相 2300V，424A， 0220Hz 牵引电机 牵引电机可根据牵引变流器输出三相交流电的幅值和频率的变化，来改变动车

19、组的牵引力和速度。 列车制动时牵引电机可在发电状态下运行，将动能转化为电能，达到减速的目的。牵引电机转子定子排气盖空气吸入口长：720mm宽：697mm高：629mm重量：440kg三相交流异步电机 额定功率：300kW 额定电压：2000V 额定电流：140Hz 额定频率：140Hz 第三节 动力车车体及走行部3.1 动力车车体 3.1.1 结构轻量化 3.1.2 外形流线化3.2 走行部分 3.2.1 总体要求 3.2.2 基本特点3.1.1 结构轻量化为了节省牵引功率，降低高速所引起的动力作用对线路结构、机车车辆结构产生的损伤，以及提高旅客乘坐舒适度，需要最大限度地降低高速动车组的轴重。

20、因此，各国高速动车车体的主要材料是铝合金和不锈钢，从发展趋势看，铝合金将成为动车组车体的主导材料。 轴重与轮轨作用车 型最高运营速度（km/h）最大轴重（t）平均轴重（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 结构轻量化实现结构轻量化的主要途径有两个：一是采用新材料，二是合理优化结构设计 目前，国外高速车辆的车体材料主要有：不锈钢、高强度耐候钢、铝合金。 薄型材（单壳）结构 中空型材（双壳）结构 车体结构高速动车组车体：轻量化技术+铝合金/不锈钢低车内、车外噪声车内设备约占客车总重量的20，轻量化具有重要意义。 1.车内设备如门、窗、行李架、座椅、供水设各、卫生设备等等，均可选用轻合金或高分子工程材料和复合材料，使设备重量大大减轻。 2.车内装饰板材广泛采用薄膜铝合金墙板，工程塑料顶板等。 3.其它设备的轻量化。如日本