高速鐵路機車車輛關鍵技術分析

李國亮

【摘 要】我國高速鐵路的迅速發展和建設促進了區域經濟發展和人們生活質量提升。機車車輛技術作為保證高速鐵路機車車輛運行安全的重要基礎，所涉及的技術眾多，加強對機車車輛技術的研究，對于提高高速列車運行穩定性、安全性具有重要意義。

【關鍵詞】高速鐵路；牽引傳動；外形空氣動力學；高速轉向架；復合制動技術

高速鐵路列車按照動力輪對、驅動設備可以分為動力集中型、動力分散型，按照轉向架布置、車輛連接方式可以分為獨立轉向架式、鉸接轉向架式。高速鐵路機車車輛所涉及的技術眾多，交流牽引電機控制技術能夠使列車牽引、制動、導向、曲線通過性、運行平穩性等實現良好統一。機車車輛的控制與診斷技術能夠明確故障位置，提出應急處理方案。與此同時，高速鐵路機車車輛還融合了機械、電子等多方面的技術。在我國高速鐵路迅速發展、加快建設的大環境下，在一帶一路的戰略背景下，分析高速鐵路機車車輛關鍵技術，對于推動機車車輛技術水平發展至關重要。

一、高速鐵路機車車輛技術的發展

在科技技術迅速發展的背景下，我國高速鐵路機車車輛獲得了較快發展，逐漸由傳統的蒸汽機車牽引技術轉變為內燃、電力牽引技術。現階段，機車車輛的牽引傳動技術多采用電力牽引傳動，將外部輸入的電能或自身產生的能源通過電能轉化與傳遞，將電能轉變為機械能，以驅動牽引機車前進。早期運行的高速鐵路機車車輛主要采用的直流電傳動方式，伴隨機車車輛技術的發展和新技術的引進，交流同步傳統、交流異步傳動的出現大大推動了高速鐵路機車車輛技術的發展。

二、高速鐵路機車車輛關鍵技術分析

（一）牽引傳動技術

高速鐵路機車車輛要求啟動加速快，最短時間和距離內達到最高運行速度，并實現恒速運行。高速鐵路機車車輛行駛過程中需克服列車運行阻力，減小列車對軌道的作用力，故對牽引動力的要求較高。高速鐵路機車車輛的牽引動力需要滿足功率大、自重小、軸重輕、黏著力好、控制性能好等作用。牽引傳動技術能夠可控逆轉，加強機車車輛在高速運行狀態下的黏著利用，牽引傳動裝置無轉換向，故對電機耗損較小。目前在高速鐵路機車車輛中應用較廣泛的牽引傳動技術是交-直-交變流體系。該技術是高速鐵路機車車輛牽引技術的核心，逆變器是此項技術的關鍵，逆變器中的三項主要技術為電力半導體器件、變流電路結構性能、交-直-交傳動控制技術。伴隨GTO、IPM、IGBT等技術的發展，電壓型逆變器供電鼠籠式異步電動機傳動方式逐漸應用，高速鐵路機車車輛主電路設備也逐漸向輕量化、低噪聲、大功率、低維護等方向發展。

（二）高速轉向架技術

高速鐵路機車車輛有著其特定型號的轉向架，既滿足與高速列車總體模式兼容，又能夠提高乘車品質，實現高度鐵路機車車輛的牽引制動、荷載傳遞和分配、減振降噪等性能的良好統一。高速轉向架是高速鐵路機車車輛走行性能研究的先導，其中穩定性是評估高速轉向架走行性能的關鍵指標，如車輛運行失穩，車輛輪對對鋼軌將產生嚴重橫向沖擊，可能損壞車輪、鋼軌，并導致嚴重振動和一系列行車事故。高速鐵路機車車輛對運行速度要求較高，這大大增加了“穩定性”高速轉向架的研發難度，除了穩定性外，高速轉向架還必須具備舒適性、曲線通過、輕量化等特點。高速轉向架的關鍵技術之一是軸箱定位結構，現階段較常用的軸箱定位結構為轉臂式軸箱定位結構、螺旋彈簧和圓筒橡膠并用等形式。剛度的確定與高速鐵路線路狀態、機車車輛運行速度、輪軌結合關系等有關。確保高速轉向架舒適度的關鍵技術在于一系、二系懸掛柔度和減振器參數。通常高速鐵路機車車輛會增大一系懸掛柔度，并采用無搖枕結構與抗蛇行減振器、高柔度空氣彈簧等。高速鐵路機車車輛的高速轉向架需要借助電機及與電機相協調的傳動系統，產程傳遞牽引力與制動力，依據牽引電機懸掛方式的不同，可以將機車車輛高速轉向架分為架懸式、體懸式、半體懸式，其中體懸式作為廣泛應用的高速轉向架技術，能夠解決機車車輛車體與輪對的動態相對位移。

（三）復合制動技術

制動系統的可靠性是高速鐵路機車車輛行車安全的基本保證。在高速行車條件下，制動系統失靈的后果十分嚴重。高速鐵路機車車輛制動系統要求在正常條件下，復合制動時各種制動形式合理分擔制動力，一旦其中某種制動形式失靈，其他制動形式可提供補充，確保發生緊急制動動作時高速列車能夠在規定距離內停車。高速鐵路機車車輛的制動系統是基于微機控制、計算機控制網絡的電氣指令制動，為了避免制動系統失靈，復雜的控制指令系統中設計了補充措施。高速鐵路機車車輛的復合制動系統包括控制系統、動力控制系統、空氣制動系統、防滑器、非黏著制動裝置等。所謂復合制動技術，即高速鐵路機車車輛不同制動方式的綜合作用模式，正常運行狀態下首先發揮電制動能力，空氣制動作為補償。失電情況下，主要發揮空氣制動能力。緊急制動狀態下，在動力制動、空氣制動外還有非黏著制動。復合制動系統分為網絡控制、電控制動控制、空氣制動控制，其中空氣制動為最高安全級別，以網絡控制為最高指揮級別。

（四）輕量化技術

實現高速鐵路機車車輛車體結構輕量化的三個途徑包括采用新材料、優化車體結構設計、改進車體結構設計方法。其中采用新材料是減輕高速列車車體結構重量的重要措施。現階段高速鐵路機車車輛主體材料有不銹鋼和鋁合金兩大類，為了實現輕量化、改善機車車輛的隔音性能，目前已經開始應用纖維增強塑料夾層結構制造機車車輛主體，其重量約為鋁車體的一半。此外，FPR也是高速鐵路機車車輛的理想材料，具有質量輕、結構阻尼性好、隔熱、耐腐蝕、高疲勞強度和高比強度等優勢。轉向架的輕量化主要包括采用H型鋼板焊接結構、空心車軸、取消端梁、采用鋁合金齒輪箱軸箱等方式。

（五）控制、診斷、維修技術

高速鐵路機車車輛的控制與診斷系統采用的是車載分布式計算網絡系統，可保障各車輛及各車輛各受控設備按照行車指揮命令和操作協調，及時發現車輛運行時的故障，確定故障位置并提出應急處理方案、通知地面維護部門。列車控制與診斷技術是保證高速鐵路機車車輛運行安全、快速、節能、舒適的必備系統，是機車車輛的重要技術，具體包括超速防護系統、牽引控制系統、制動控制系統、測控系統等，上述系統以計算機構成網絡，在結構上分為列車級、車輛級、系統級三層。高速鐵路機車車輛的維修技術大量采用高新技術，車載微機診斷系統能夠通過無線通信將機車車輛運行中檢測到的故障信息傳輸給車輛段，車輛段做好維修準備后建立三層維修工作面。維修時的常用設備有軌道橋架空軌道、轉向架更換設備、自動化清洗裝置、真空排污處理系統、輪對診斷設備及控制維修過程的微機系統等。

三、結束語

高速鐵路機車車輛發展迅速，涉及到的技術眾多，包括電子技術、機械技術、計算機技術、材料工程技術等等，為了保障高速鐵路機車車輛運行的穩定性、舒適性、安全性、節能性，推動高速鐵路產業發展，需要加強對高速鐵路機車車輛相關技術的研究，并以此為基礎發展我國的高速鐵路機車車輛技術。在引進新技術和機車車輛技術創新時，需結合高速鐵路客流組織特點、運行線路條件等，做好配套系統的軟硬件技術開發，不斷加強高速鐵路機車車輛關鍵系統的兼容性與配套性。

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