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我国铁路机车车辆现代化的关键技术
前 言
高速铁路正在全世界如火如萘地发展，2002年底统计世界新建高速铁路已达5435km，2004年4月1日韩国首条高速铁路开通，速度达300km/h，2005年中国台湾省首条高速铁路也将开通，到2007年全世界新建高速铁路还要增加
3267km。
高速列车是高速铁路的技术核心，是机车车辆现代化的具体载体。如果说高速铁路是现代高新技术的综合集成，则高速列车是机械、电子、材料、计算机、控制等现代技术综合集成的集中体现。根据国务院批准执行的“中长期铁
路网规划”要求，2020年前我国将修建四纵四横客运专线及三个城际快速客运系统共计达12000km以上，为此研究开发并攻克高速列车的关键技术，推进我国机车车辆现代化已成为当前摆在铁路科技工作者面前的紧迫任务。
高速列车如按列车动力轮对分布和驱动设备的设置来分类，可分为动力集中型和动力分散型，如按列车的转向架布置、车辆联结方式来分类，可分为独立转向架式和铰接转向架式，各种类型的高速列车各有其优、缺点，但总体上
均取得成功。随着高速列车速度提高到300km/h以上，动力集中与动力分散两种类型正在相互靠拢，界线逐渐模糊，动力分散式相对集中，动力集中式将动轴扩展，粘着利用更加充分而性能价格比提高，正向着综合型式发展。
各型高速列车不论具体结构及设备如何，其关键技术是一致的，可以列出如下十大技术领域：
一、 交流传动技术
1. 高速列车牵引传动装置的特殊要求
高速列车在高速下运行，其基本阻力大大增加，尤其是空气阻力与速度成二次函数关系，其功率与速度成三次函数关系，因此，必须具备大功率的牵引动力。高速列车牵引传动装置的特殊要求是：
◆大的额定输出功率。
◆牵引电机重量轻，易维修，耐恶劣环境条件。
◆速度控制方便。
◆电机的转矩—速度特性较陡，可抑制空转，提高高速下粘着利用。
◆电机无换向，不会引起电气、机械损耗，无环火故障。
2. 交—直—交变换系统
交—直交变换系统是将单相交流电通过整流转变为直流电，又通过逆变器将直流电转变为可改变频率与电压的三相交流电，供交流牵引电机牵引所用，高速列车的交流传动系统与一般工业领域的变流装置相比，有其技术上的特点：
◆调速范围宽，可从0速度一直到最高速度300km/h以上，而且调频连续无冲击。
◆控制特性全面。从恒功控制到恒转矩控制，再到自然特性区控制，均可实现。
◆有良好的快速动态响应特性。能适应空转，打滑、跳弓、离线等各种网压波动。
◆输出电压波形质量良好，能尽量减少谐波分量，功率因数可接近为1.0。
◆牵引与再生制动可频繁转换。
◆效率高、可靠性好。
◆重量轻、体积小、耐振、可接近性好。
在交流传动系统中，采用异步牵引电机越来越成为发展主流。自换向同步交流电机最大的优点是变流器控制装置比较简单，控制同步电机的GTO晶闸管逆变器可靠、成本低，但同步交流电机仍存在换向机构(滑环及电枢绕组)、其
体积和重量相对异步电机要大，而且维修仍有困难。而异步牵引电机没有换向器，结构简单，体积小，重量轻，功率/重量比高，可实现电机无维修，因此更受欢迎。尤其是逆变器技术的进步，新型电力电子功率元件的发展，为异
步电机广泛采用提供了优越条件。
IGBT/IPM元件发展迅速有取代GTO元件的趋势。20世纪70年代，门极关断晶闸管(GTO)首先问世，并迅速取代普通晶闸管，使变流技术迅速发展，它不再需要强迫换相电路，使逆变器构成简单，结构紧凑，在大功率领域得到采用，
成为世界高速列车交流传动系统的主要组成。
20世纪末，IGBT(绝缘栅极、双极性晶体管)、IPM(智能功率模块)等新型电力电子功率器件开发成功，使IGBT、IPM在高速列车上得到新的应用，它具有体积小，重量轻，可靠性高，能实现信号处理、故障诊断、自我保护等功能
因此IGBT、IPM为新型高速列车如700系、E2系、E4系、ICE-350型等所采用。GTO与IGBT/IPM的基本性能比较见表1。
表1 GTO元件和IGBT、IPM基本性能比较
GTO元件 IGBT/IPM元件
电压 4500V(>6000V) 3300V(>4000V)
电流 3000A～4000A(可关断电流) 1200A
开关频率 500Hz 3kHz
开关损耗 大 小
通态损耗 小 大
吸收回路损耗 大 小
驱动功率 大(电流控制型) 小(电压控制型)
di/dt,du/dt限制 严格(需加阳极电抗器) 不严(无需阳极电抗器)
保护功能 外设 完善的自我保护
3. 牵引电机悬挂及机械传动方式
传统的牵引电机采用轴悬式架承在轮对车轴上(也叫抱轴式)，这种方式缺点是电机全部重量支承在车轴上，增大簧下质量，引起轮轨冲击振动，恶化电机工作条件。
高速列车的牵引电机可采用三种悬挂方式：
架悬式：一般动力分散式均采用架悬式。优点是：结构简单，电机悬挂在转向架构架横梁侧面，用齿形联轴器与车轴齿轮箱联接。但这种方式仅适用于单轴功率较小的牵引电机，径向、轴向位移较小(±12mm以内)。
万向轴体悬式：牵引电机悬挂在车体下，通过三滚子万向轴与齿轮箱相连，这种方式优点是传递功率较大，万向轴可传递8000Nm的扭矩，缺点是万向轴要求很高制造精度。
轮对空心轴半体悬式：该系统将牵引电机、齿轮传动系统和传递转矩的内外双空心轴及制动盘、轮对组装成一体，构成驱动制动单元。其优点是空心轴与车轴间径向间隙可补偿电机相对位移，但这种装置要求很高精度，必须先套
内外空心轴于车轴上，再压装车轮。
三种悬挂方式都已成功地采用在各型高速列车上。
二、 复合制动技术
1. 高速列车制动系统必须具备的条件
高速列车的制动系统，在技术上完全突破了传统的列车制动模式。高速列车制动系统必须具备的条件是：
(1) 尽可能缩短制动距离以保障行车安全
高速列车必须尽可能缩短制动距离，因为自动闭塞的信号区间长度完全由列车允许的制动距离来决定。
高速列车缩短制动距离的办法有：
① 减少列车空走时间；
② 采用大功率盘形制动机，并作为高速制动系统的主体；
国际铁路联盟规定：在动力制动失效情况下，机械摩擦制动必须保证高速列车能在规定的制动距离内停车，以确保行车系统的安全。因此，摩擦制动为高速列车最终实现停车必不可少的基本制动方式。
③ 采用复合制动方式；
高速列车制动能量巨大，若完全由盘形制动和闸瓦制动来承担，则制动盘及闸片(闸瓦)寿命将大大缩短。必须研究其他制动方式如动力制动、非粘着制动等来分担繁重的制动任务。只有在其他制动方式发生故障的特殊情况下，盘
形制动才承担全部制动负荷，达到经济合理的匹配。
(2) 保证高速制动时车轮不滑行
① 按速度控制制动力的大小以充分利用粘着；
② 采用高性能的防滑装置；
③ 采用非粘着制动方式；
(3) 司机操纵制动系统灵活可靠，能适应列车自动控制的要求
在高速下司机无法观察地面信号，必须采用列车自动控制系统，使列车制动力增减自如，制动平滑。
(4) 尽量降低制动系统的簧下重量
制动盘的重量一般占全部簧下重量的10%，是十分可观的。减轻制动盘重量的措施有：动轴的制动盘安装在轮对空心轴上，使之变为簧间质量；开发大功率、轻重量的新型制动盘，如碳素纤维复合材料制动盘、铝合金基复合材质
制动盘等。
2. 列车制动控制系统
60～70年代，各国的高速列车均采用自动式或电磁直通式电空制动。八十年代以来，电子技术及微处理机技术发展迅猛，各国高速列车相继开发了电气指令式电空制动装置，以适应高速的需要，法国、日本，德国均以微处理机控
制的电气指令电空制动装置作为高速列车制动控制系统。其共有的特点是：
◆采用微机控制系统，制动力可高准确度调节；
◆优先使用电力制动，并达到电力制动与空气制动协调配合；
◆可由司机手动或根据列车运行自动控制系统的要求实行制动或缓解；
◆各种方式的制动力组合或转换衔接平稳、无冲动，达到要求的舒适度。
日本新干线运用的300系、500系，700系等高速列车制动系统基本是数字式电气指令直通电空制动系统。
在电力制动和空气制动协调控制时，日本动车组采用下列两种的方式。
① 电空切换式
这种方式是单独使用电力制动或空气制动，其相互切换是以两者制动力相等为原则。
② 电空运算式
采用制动指令值等于空气制动力加上再生制动力的电空运算控制方式。再生制动力不足部分由空气制动来补充。
德国ICE高速列车所采用制动控制系统是微处理机控制的模拟式电气指令自动电空制动系统。
各车辆微机控制单元接收司机制动控制器发出的制动指令，同时输入空重车信号，按优先使用电力制动的原则，在进行各种制动方式的制动力比例信号混合运算后，将所需要的空气制动力的电信号指令送至EP电空转换控制单元，
控制列车管充气或减压，从而控制空气分配阀动作，达到制动与缓解的作用。
法国TGV高速列车制动控制系统是采用微处理机控制的模拟式电气指令直通电控制动系统。
由于拖车上仅有空气制动，司机的制动指令直接传送到拖车的电空转换阀(此时拖车上安装的UIC标准空气分配阀仅作备用)，并通过中继阀执行制动及缓解功能。拖车的速度控制器实现215km/h为分界点的两种制动缸最高压力控
制，以利于有效利用制动粘着。
三种制动控制系统的最主要不同点在于指令控制方法不同。