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高速动车组的关键技术维修体系高速铁路系统票务系统旅客服务系统市场营销策划客运组织管理路基工程轨道工程桥梁工程站场工程隧道工程运行管理车辆管理供电管理综合维修客运调度运输计划牵引系统制动系统列车网络系统总成车体转向架供电系统变电系统接触网系统远程监控系统电力系统地面子系统联锁子系统车载子系统调度集中CTC通信系统工务工程牵引供电通信信号高速列车运营调度客运服务高速铁路是当代高新技术的集成高速线路技术高速列车技术列车运行控制系统高速牵引供电技术高速铁路运营调度系统客运服务信息系统整体系统集成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高速列车技术(1)铁路机车依靠轮轨之间的黏着力牵引列车运行,列车速度的提高需要增加牵引力,而轮轨牵引力是有一定限制的,超过这个限制值将造成轮轨相对滑动,失去牵引力。同时,列车速度的提高将造成轮轨之间黏着系数下降,与高速动车组对大牵引力的需要形成矛盾。(2)列车所承受的空气阻力与速度的平方成正比,而列车运行所需的牵引功率与列车运行速度的三次方成正比。与传统列车相比,高速列车需要的功率大大增加,因此,在一定的体积和质量的前提下实现大功率给动车组设计带来困难。(3)运行速度的提高增加了列车的动能,因此,高速列车必须装备大功率、安全的制动系统。高速列车在设计与开发过程的注意技术问题:(4)速度的提高将加剧轮轨间相互作用。根据日本新干线动车组的运行经验,钢轨下沉量a与轴重w、簧下质量M和列车运行速度v间的关系可用下式近似表示:良好路基:不良路基:运行速度的提高将造成列车对线路的破坏加大,噪声、振动对环境的影响增加,旅客乘坐舒适性下降等不利后果,列车运行稳定性、安全性问题更加突出。同时,高速列车对小轴重和簧下质量的要求给车辆设计带来困难。(5)高速运行使列车空气动力学问题更加值得关注。诸如列车所受的空气阻力、列车周边空气流场对环境的影响、列车交会及通过隧道时形成的压力波动对车体和人体的作用、空气升力对列车运行的影响、车辆密封性等问题都应该予以深入研究。(6)必须通过相关系统自动控制列车运行,保证列车高速运行安全。3.13.07.0vMWa7.04.00.2vMWa高速列车在设计与开发过程的注意技术问题:交流传动技术高性能转向架技术复合制动技术头型流线化轻量化车体结构列车自动控制及故障诊断技术车厢密封及集便处理密接式车钩缓冲器高性能受电弓高速动车组关键技术高速动车组的主要技术要求:•有较高的运行稳定性•高的运行安全性•有好的舒适性•车体轻,轴重小•车体气密性好•车体外形流线形,尽量减小运行阻力•采用集便装置等一、头型流线化高速列车与空气动力学有关的问题1、空气阻力2、气动噪声3、微气压波•动车组的阻力•列车运行中所受到的阻碍列车运行的作用力称为列车阻力。列车阻力分为基本阻力和附加阻力两部分,附加阻力包括坡道、弯道、隧道和起动阻力等,基本阻力又分为机械阻力和空气阻力。通常用如下的经验公式表示。•R=A+Bυ+Cυ2式中,R为列车基本阻力(N);υ为列车运行速度(km/h);A,B,C为试验系数;A+Bυ为列车机械阻力;Cυ2为列车空气阻力。1、空气阻力在130公里/小时以下的速度区间,列车的机械阻力大于空气阻力。也就是说,在该速度区间,空气阻力仅占总阻力的一半以下。然而,在130公里/小时至300公里/小时的速度区间,空气阻力高于机械阻力,特别是在200公里/小时之后的高速区域,空气阻力在总阻力中所占的比例在70%以上.也就是说,在高速区域,列车的动力输出主要都用来克服空气阻力了。•(1)摩擦阻力•高速列车的摩擦阻力是指列车高速运行时,空气与列车表面之间由于空气薪性而引起的摩擦阻力。•有关的研究表明,由于列车长度、表面光洁度、车底转向架和悬挂件等屏蔽和列车头、尾部流线化程度的不同,高速列车的表面摩擦阻力约占总空气阻力的26%~55%•因此应注重提高列车的表面光洁度.以有效地降低表面摩擦限力。1、空气阻力•(2)压差阻力•高速列车的压差阻力主要是由头部止压和尾部涡流产生的负压之间所形成的压差而形成的,它取决于列车头、尾部的外形与流态。•高速列车根据头、尾部流线型程度和列车长度等情况的不同,压差阻力约占列车总空气阻力的7%~14%。•虽然压差阻力在总空气阻力中所占的比例并不很大,但由于其关系到脉冲压力的幅值和梯度、侧风所引起的气动力以及气动噪声等,因此应格外关注。对于高速列车头、尾部外形须仔细研究,精心设计。1、空气阻力•(3)干扰阻力•高速列车的十扰阻力主要是由于车辆光滑表面的突出物引起的空气阻力。•诸如手柄、门窗、转向架及其上的悬挂件、车辆之间的连接风挡和车顶受电弓和其他装备等所引起的空气阻力。高速列车下部,根据其外形,尤其是转向架等设备是否装有整流罩等情况,其干扰阻力约占总空气阻力的24%~58%。•受电弓的于优阻力也比较大,根据受电弓及其基座的形状和整流罩的情况,约占列车总空气阻力的7%~19%。可以看出,由于列车的这些外露附属装置具有较大的干扰阻力,因此必须注意其自身的流线型化,或为其加装流线型整流罩。高速列车车辆之间的封闭也不可忽视,否则还会由于间隙而引起占总空气阻力2%~4%的干扰阻力。1、空气阻力外形对气动阻力影响的实验研究一、头型流线化----(1)头型对气动阻力影响头型流线化数据表明:头部长度一定时,头车阻力,以椭球形为最小,扁宽形为最大;尾车阻力,扁梭形为最小,鼓宽形为最大;列车总阻力以头车为椭球形而尾车扁梭形为最小;列车流线型长度越长,越有利于降低列车气动阻力。不同头型的对比研究也表明,细长且流线型更好的头型1气动阻力系数比头型2低0.035。1、空气阻力1、空气阻力2.气动噪声在空气中高速前行的列车引起空气流紊乱,从而产生的气动噪声是又一个让人感到烦恼的问题。高速列车的气动噪声能量与列车速度6~8次方成正比。流线型车头设计得尖而长,把车辆断面积尽量减小,同时让车体尽量平整光滑不要出现凹凸的部分。还要减小车辆顶部的受流系统引起的气动噪声,为此也需要设计人员对受电弓及其周边装置进行优化设计。2.气动噪声猫头鹰翅膀的羽毛日本翅形受电弓•高速列车进入隧道后,隧道内的空气受到挤压,形成压力波以音速向隧道出口方向快速推进,压力波到达出口时,压力波以脉冲状的形式向四周发射出去,同时产生爆破声,这种波被称为隧道微气压波3.微气压波•解决微气压波问题主要有4种措施:减小列车横断面积与隧道横断面积比值(术语称作阻塞比),即增大隧道横断面积或减小列车横断面积都是减小微气压波的有效措施;在隧道入口处设置缓冲段,使隧道口径逐步变化,从而使压力波变化缓慢;在列车车体设计上下功夫减小车体横断面面积并对车头流线型进行优化设计;利用隧道中的分支坑道,作为压力波的旁通通路。解决微气压波问题主要有4种措施4.列车表面压力波列车会车时,相对运动的列车车头对空气形成挤压,便会在列车相会一侧的侧壁上产生压力波。一般地讲,如果高速列车头部流线型越细长,会车时的表面压力波幅值的减小就越可显著。除列车头型优化设计外,增加线路的线间距离、降低会车速度也是有效降低会车表面压力波的有效手段。列车在隧道中会车比在明线上会车产生的表面压力波更强。5高速列车结构设计•结构设计应最大可能地减少列车运行阻力车端做成流线型;车体侧墙、门窗和车辆之间的折棚平滑在车体下部加底板和裙板;在可能范围内降低车体高度;提高车体气密性。•高速列车头型•我国设计、制造了CRH系列四种型号的高速列车头型:•CRH1型头型为方中带圆的短楔形,•CRH2头型为长楔形,•CRH3头型为圆楔形,•CRH5也为长楔形,但头鼻部变化比CRH2型的要小。头型流线化二、轻量化车体结构•高速列车车体•车体主要分为两种,一种是位于列车两端,包括司机室的头车;另一种是位于列车中部的中间车。二、轻量化车体结构•车体结构形式多样,但其设计都遵循几个基本原则:轻量化、减振降噪、高结构强度、良好的气动外形等。•(1)轻量化•①减小列车阻力;•②节约能源;•③减少制动能耗;•④保护环境;•⑤其他轻量化的效果(如运行稳定性提高,轨道维修量减少)。二、轻量化车体结构•(2)减振降噪•目前,在高速动车组上应用了大量的高性能新型隔振吸声材料,以隔离和减弱来自于车下和车外的振动与噪声。•(3)高结构强度二、轻量化车体结构(4)良好的气动外形车体必须拥有良好的气动外形。设计上主要考虑以下几个方面:车体表面平顺化、减小车体截面积、维持车体到车鼻的截而平缓变化等。二、轻量化车体结构使用铝合金作为车体结构材料的最大优点是轻量化。与钢相比,铝合金的焊接施工难度较大。但是,随着近年来的铝合金挤压型材的大型化和轻薄化,车体结构能够由大型轻薄的挤压型材组合构成,纵向可以大幅度采用自动焊接,提高了质量和生产率。因此,以高速动车组为主的车辆越来越多地采用铝合金制车体结构。二、轻量化车体结构铝合金的纵弹性系数(杨氏模量)及密度约为钢材的l/3。但是,车体结构的等效弯曲刚度也降低至钢材的1/3,。因此,为保持车体的刚度,必须增大构成车体的铝合金材料的断面二次惯性矩等。铝合金车体发展简介--薄型材(单壳)结构大型薄壁挤压型材的两种典型结构—薄型材(单壳)和中空型材(双壳)的断面形状如图所示。三种型材的结构形式、特点现代高速动车组所采用的三种典型结构包括:薄型材(单壳)、中空型材(双壳)和蜂窝状型材。铝合金车体发展简介--薄型材(单壳)结构以薄型材为主构成的车体结构称为单壳结构,主体仍然是由侧梁、横梁、侧柱(浮骨)和车顶拱梁等组成的框架,再在其外面覆盖(焊接)一层带有加强筋的铝合金挤压薄型材。当然,这里的侧梁、横梁、侧柱(浮骨)和车顶拱梁等也都是铝合金挤压型材。铝合金车体发展简介--中空型材(双壳)结构双壳结构的最大特点是完垒取消了侧墙中的立柱和车顶内的拱梁,整个侧墙和车顶全部由若干块长度与车身等长的大型中空铝合金挤压型材焊接而成。同时,为了提高车体的隔热隔音效果,还在铝合金型材的中空内腔注入泡沫材料或粘接橡胶片。双壳结构可以称为目前最好的高速动车组车体结构。我国引进的CRH2、CRH5和CRH3,动车组均采用大型宽幅中空铝合金挤压型材衬造的双壳结构车体。铝合金车体发展简介--蜂寄状铝合金车体结构二、轻量化车体结构高速转向架技术日本700系转向架E2系转向架高速转向架技术法国TGV动车转向架TGV拖车铰接式转向架高速转向架技术德国ICE3转向架ICE动力转向架盘形制动机ICE无动力转向架盘形制动机三、高性能转向架技术轮对轴重踏面型式轴箱悬挂及轮对定位方式构架结构型式中央悬挂模式车体支撑方式牵引方式电机配置及悬挂基础制动装置型式主动悬挂技术一般为无摇枕转向架(三无转向架);高速稳定性和曲线通过性能;轻量化结构;采用轮盘或轴盘制动;牵引电机小型化;采用踏面清扫装置和电子防滑装置三、高性能转向架技术三、高性能转向架技术三、高性能转向架技术•转向架的第一作用即支撑车体,其中构架与轮对是主要的承载部件。同时车体与转向架的衔接空气弹簧和中心牵引座也是承载模块中的重要部件三、高性能转向架技术转向架的组成及作用•2)转向架动力模块•转向架作为动车组的走行机构,首先需要提供车辆前行的动能,由电能转化而来转向架的驱动装置(电机与齿轮箱)和轮轴结构便是实现电能向动能转化的关键---电能驱动电机转动并通过输出轴给出扭转力矩,齿轮箱将再将这种驱动力有效传递于车轴,带动午轮高速旋转轮对两侧的轴箱,则将轮对沿钢轨的滚动转化为构架沿线路的平动构架的平动再通过牵引拉杆的传递和中心牵引座的作用,带动整个车体前行。•3)转向架运动控制模块•铁路车辆与其它交通工具一个很显著的区别就是交通工具本身无需有控制方向的装置火车车轮沿着钢轨自行行走,一同上下坡,一同过直线曲线,而这一切运动的关键在于轮轨巧妙的外形设计三、高性能转向架技术转向架的组成及作用三、高性能转向架技术三、高性能转向架技术三、高性能转向架技术
本文标题:动组车关键技术4
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